B6.3 Syrestyrke

NoteDet skal du kunne
  • opskrive udtrykket for syrestyrkekonstanten Ks for en syre
  • regne mellem Ks og pKs
  • afgøre ud fra pKs, om en syre er stærk, middelstærk eller svag
  • skelne mellem formel og aktuel koncentration og beregne omdannelsesgraden
  • beregne Ks ud fra en målt pH-værdi

Saltsyre i maven og ethansyre i eddike kan have samme koncentration, men de er langt fra lige sure. Forskellen ligger i, hvor villigt syren giver sin hydron fra sig. Det kan man sætte et tal på.

Syrestyrkekonstanten

En syre, S, reagerer med vand og danner sin korresponderende base, B, og en oxoniumion:

S(aq) + H2O(l) ⇌ B(aq) + H3O+(aq)

Reaktionen er en ligevægt, og ligevægtsloven fra afsnit B2.2 gælder. Vand er opløsningsmidlet og er ikke med i brøken. Ligevægtskonstanten kaldes syrestyrkekonstanten, Ks:

\[ K_\mathrm{s} = \frac{[\mathrm{B}] \cdot [\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{S}]} \]

Enheden er M. For ethansyre ser udtrykket sådan ud:

\[ K_\mathrm{s} = \frac{[\mathrm{CH_3COO^-}] \cdot [\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{CH_3COOH}]} = 1{,}74 \cdot 10^{-5}\ \mathrm{M} \]

Jo større Ks er, jo længere ligger ligevægten mod højre, og jo stærkere er syren.

Fra Ks til pKs

Syrestyrkekonstanter er besværlige tal med mange tierpotenser. Derfor bruger man tit syrestyrkeeksponenten, pKs. Den dannes på samme måde som pH:

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{s} = -\log K_\mathrm{s} \qquad\qquad K_\mathrm{s} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{s}}\ \mathrm{M} \]

For ethansyre er pKs = −log(1,74 · 10−5) = 4,76.

VigtigtDet vender omvendt

En stor Ks giver en lille pKs. Jo lavere pKs er, jo stærkere er syren. Én enhed i pKs svarer til en faktor 10 i Ks.

Stærke, middelstærke og svage syrer

Syrerne inddeles efter deres pKs.

Figur 1: Inddelingen af syrer efter pKs med otte syrer sat ind.
Syre Formel Ks pKs Slags
saltsyre HCl 1 · 107 M −7 stærk
salpetersyre HNO3 25 M −1,4 stærk
phosphorsyre H3PO4 7,1 · 10−3 M 2,15 middelstærk
hydrogenfluorid HF 6,8 · 10−4 M 3,17 middelstærk
methansyre HCOOH 1,8 · 10−4 M 3,75 middelstærk
mælkesyre CH3CH(OH)COOH 1,4 · 10−4 M 3,86 middelstærk
ascorbinsyre C6H8O6 6,8 · 10−5 M 4,17 svag
ethansyre CH3COOH 1,7 · 10−5 M 4,76 svag
kulsyre H2CO3 4,5 · 10−7 M 6,35 svag
ammonium NH4+ 5,6 · 10−10 M 9,25 svag
hydrogencarbonat HCO3− 4,7 · 10−11 M 10,33 meget svag

For de polyhydrone syrer gælder tallet det første trin, hvor syren afgiver sin første hydron.

En stærk syre har pKs under 0. Den reagerer fuldstændigt med vand, så der ingen hele syremolekyler er tilbage. En svag syre har pKs mellem 4 og 10, og kun en lille del af molekylerne har afgivet deres hydron. De middelstærke syrer ligger imellem.

Formel og aktuel koncentration

For en svag syre skal man holde to koncentrationer ude fra hinanden. Du kender dem fra afsnit 5.2 i bogen til C-niveau.

  • Den formelle koncentration, cs, er den koncentration, syren ville have, hvis ingen molekyler havde reageret. Det er den, der står på flasken.
  • Den aktuelle koncentration, [S], er koncentrationen af de syremolekyler, der faktisk er i opløsningen ved ligevægt.

Den del af syren, der har reageret, er blevet til base. Derfor er

\[ [\mathrm{S}] = c_\mathrm{s} - [\mathrm{B}] \]

Omdannelsesgraden, α, er den brøkdel af syren, der har afgivet sin hydron:

\[ \alpha = \frac{[\mathrm{B}]}{c_\mathrm{s}} \]

For en stærk syre er α = 1, altså 100 %. For en svag syre er α kun nogle få procent. I ældre bøger hedder omdannelsesgraden hydronolysegraden eller protolysegraden.

Fra målt pH til Ks

Syrestyrkekonstanten kan bestemmes i laboratoriet. Man fremstiller en opløsning af syren med en kendt formel koncentration og måler pH.

Figur 2: Beregningsvejen fra en målt pH-værdi til syrestyrkekonstanten.
NoteEksempel: syrestyrkekonstanten for ethansyre

En opløsning af ethansyre med cs = 0,100 M har pH 2,88. Hvad er Ks?

Reaktionsskemaet

CH3COOH(aq) + H2O(l) ⇌ CH3COO−(aq) + H3O+(aq)

Trin 1: koncentrationen af oxoniumioner

\[ [\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{M} = 10^{-2{,}88}\ \mathrm{M} = 1{,}32 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} \]

Trin 2: koncentrationen af basen

Hver gang der dannes en oxoniumion, dannes der også en ethanoat-ion. Forholdet er 1 : 1, så

\[ [\mathrm{CH_3COO^-}] = [\mathrm{H_3O^+}] = 1{,}32 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} \]

Trin 3: den aktuelle koncentration af syren

\[ [\mathrm{CH_3COOH}] = c_\mathrm{s} - [\mathrm{CH_3COO^-}] = 0{,}100\ \mathrm{M} - 0{,}00132\ \mathrm{M} = 0{,}0987\ \mathrm{M} \]

Trin 4: syrestyrkekonstanten

\[ K_\mathrm{s} = \frac{[\mathrm{CH_3COO^-}] \cdot [\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{CH_3COOH}]} = \frac{1{,}32 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} \cdot 1{,}32 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M}}{0{,}0987\ \mathrm{M}} = 1{,}77 \cdot 10^{-5}\ \mathrm{M} \]

Konklusion

Målingen giver Ks = 1,77 · 10−5 M og pKs = −log(1,77 · 10−5) = 4,75. Det passer med tabelværdien 4,76. Omdannelsesgraden er 0,00132 M divideret med 0,100 M. Det er 0,013 eller 1,3 %.

En lille fejl i pH-målingen giver en stor fejl i Ks, fordi pH står i eksponenten. Måler pH-metret 0,05 for højt, bliver Ks omkring 20 % for lille. Derfor måler man på flere koncentrationer og tager gennemsnittet.

Fortynding øger omdannelsesgraden

Ks er en konstant, men det er omdannelsesgraden ikke. Den afhænger af koncentrationen.

Figur 3: Omdannelsesgraden for ethansyre ved tre koncentrationer.

Når opløsningen fortyndes, forskydes ligevægten mod højre, og en større del af syren afgiver sin hydron. Det er samme regel som i afsnit B2.6: ved fortynding går reaktionen mod den side, der har flest opløste partikler. Alligevel stiger pH ved fortynding, fordi der bliver længere mellem oxoniumionerne.

NoteKort sagt
  • Syrestyrkekonstanten er Ks = [B] · [H3O+] / [S]. Jo større Ks, jo stærkere syre.
  • pKs = −log Ks. Jo lavere pKs, jo stærkere syre.
  • En stærk syre har pKs under 0, en middelstærk mellem 0 og 4 og en svag mellem 4 og 10.
  • Den formelle koncentration, cs, er den, der står på flasken. Den aktuelle koncentration, [S], er det, der er tilbage ved ligevægt.
  • Omdannelsesgraden er α = [B] / cs. Den stiger, når opløsningen fortyndes.
  • Ks kan beregnes ud fra en målt pH-værdi og syrens formelle koncentration.

Prøv selv: Fra Ks til pKs: træn omregningen mellem Ks og pKs.