Opgaver til B6.4

Opgaverne hører til afsnit B6.4 Basestyrke. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave B6.4.1: En base i vand

  1. Hvad optager en base, når den reagerer med vand?
  2. Hvilken ion dannes der altid, når en base reagerer med vand?
  3. Skriv reaktionsskemaet for reaktionen mellem methylamin, CH3NH2, og vand.
  4. Skriv reaktionsskemaet for reaktionen mellem fluoridionen, F−, og vand.
  5. Hvad er den korresponderende syre til hver af de to baser?
  6. Er vand en syre eller en base i de to reaktioner?

Læs afsnittet Basestyrkekonstanten. En bases reaktion med vand har altid formen B + H2O ⇌ S + OH−.

Basen får én hydron mere, så dens ladning bliver 1 højere. Methylamin optager hydronen på nitrogenatomet, ligesom ammoniak gør. Vandmolekylet mister en hydron og bliver til OH−.

  1. En hydron, H+.

  2. Hydroxidionen, OH−.

  3. Methylamin optager en hydron fra vand:

CH3NH2(aq) + H2O(l) ⇌ CH3NH3+(aq) + OH−(aq)

  1. Fluoridionen optager en hydron fra vand:

F−(aq) + H2O(l) ⇌ HF(aq) + OH−(aq)

  1. Methylamins korresponderende syre er methylammonium-ionen, CH3NH3+. Fluoridionens korresponderende syre er hydrogenfluorid, HF.

  2. Vand er en syre i begge reaktioner, fordi vandmolekylet afgiver en hydron. Det kan vand, fordi det er en amfolyt.

Opgave B6.4.2: Skriv udtrykket for Kb

Opskriv udtrykket for Kb for basen i hver af de tre reaktioner, og svar på de to sidste spørgsmål.

  1. CH3COO−(aq) + H2O(l) ⇌ CH3COOH(aq) + OH−(aq)
  2. CO32−(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3−(aq) + OH−(aq)
  3. CH3NH2(aq) + H2O(l) ⇌ CH3NH3+(aq) + OH−(aq)
  4. Hvad er enheden for Kb?
  5. Hvorfor er vand ikke med i udtrykket?

Brug formlen Kb = [S] · [OH−] / [B] fra afsnittet Basestyrkekonstanten. De to produkter står i tælleren, og basen står i nævneren.

I reaktion a er basen CH3COO−, og dens korresponderende syre er CH3COOH. Udtrykket bliver Kb = [CH3COOH] · [OH−] / [CH3COO−]. Enheden finder du ved at sætte M ind for hver koncentration.

  1. For ethanoat er

\[ K_\mathrm{b} = \frac{[\mathrm{CH_3COOH}] \cdot [\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{CH_3COO^-}]} \]

  1. For carbonat er

\[ K_\mathrm{b} = \frac{[\mathrm{HCO_3^-}] \cdot [\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{CO_3^{2-}}]} \]

  1. For methylamin er

\[ K_\mathrm{b} = \frac{[\mathrm{CH_3NH_3^+}] \cdot [\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{CH_3NH_2}]} \]

  1. Enheden er M. To koncentrationer ganges med hinanden, og der divideres med én: M · M / M = M.

  2. Vand er opløsningsmidlet, og opløsningsmidlet er ikke med i reaktionsbrøken. Det står i afsnit B2.2.

Opgave B6.4.3: Mellem Kb og pKb

  1. Methylamin har Kb = 4,4 · 10−4 M. Beregn pKb.
  2. Trimethylamin har Kb = 6,3 · 10−5 M. Beregn pKb.
  3. Carbonat har pKb = 3,67. Beregn Kb.
  4. Fluorid har pKb = 10,83. Beregn Kb.
  5. Hvilken af de fire baser er stærkest, og hvilken er svagest?

De to formler er pKb = −log Kb og Kb = 10−pKb M. De virker på samme måde som formlerne for Ks og pKs i afsnit B6.3.

På lommeregneren tastes −log(4,4E−4) i spørgsmål a og 10^(−3,67) i spørgsmål c. Til spørgsmål e: Jo lavere pKb er, jo stærkere er basen.

  1. For methylamin er

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{b} = -\log K_\mathrm{b} = -\log(4{,}4 \cdot 10^{-4}) = 3{,}36 \]

  1. For trimethylamin er

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{b} = -\log K_\mathrm{b} = -\log(6{,}3 \cdot 10^{-5}) = 4{,}20 \]

  1. For carbonat er

\[ K_\mathrm{b} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{b}}\ \mathrm{M} = 10^{-3{,}67}\ \mathrm{M} = 2{,}1 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M} \]

  1. For fluorid er

\[ K_\mathrm{b} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{b}}\ \mathrm{M} = 10^{-10{,}83}\ \mathrm{M} = 1{,}5 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{M} \]

  1. Methylamin er stærkest. Den har den laveste pKb og den største Kb. Fluorid er svagest.

Opgave B6.4.4: Fra syrens pKs til basens pKb

Tabellen viser fem korresponderende syre-basepar. Nogle af felterne mangler.

Syre pKs Korresponderende base pKb
HF 3,17 ? ?
CH3CH(OH)COOH, mælkesyre 3,86 ? ?
C6H8O6, ascorbinsyre 4,17 ? ?
? ? NH3 4,75
HNO3 −1,4 ? ?
  1. Udfyld de tomme felter.
  2. Hvilken af de fem baser er stærkest?
  3. Hvilken af de fem baser er svagest?
  4. Hvilken syre hører sammen med den svageste base? Er det den stærkeste eller den svageste af de fem syrer?

Den korresponderende base har én hydron mindre end syren, og dens ladning er 1 lavere. For et korresponderende syre-basepar er pKs + pKb = 14,00.

For hydrogenfluorid er basen F−, og pKb = 14,00 − 3,17. I rækken med ammoniak skal du gå den anden vej: syren har én hydron mere end NH3, og pKs = 14,00 − 4,75. Husk fortegnet i den sidste række: 14,00 − (−1,4).

  1. Felterne findes med pKb = 14,00 − pKs. For fluorid er det

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{b} = 14{,}00 - \mathrm{p}K_\mathrm{s} = 14{,}00 - 3{,}17 = 10{,}83 \]

Syre pKs Korresponderende base pKb
HF 3,17 F− 10,83
CH3CH(OH)COOH, mælkesyre 3,86 CH3CH(OH)COO− 10,14
C6H8O6, ascorbinsyre 4,17 C6H7O6− 9,83
NH4+ 9,25 NH3 4,75
HNO3 −1,4 NO3− 15,4
  1. Ammoniak, NH3. Den har den laveste pKb.

  2. Nitrat, NO3−. Den har den højeste pKb.

  3. Nitrat hører sammen med salpetersyre, HNO3, som er den stærkeste af de fem syrer. Jo stærkere syren er, jo svagere er dens korresponderende base.

Opgave B6.4.5: Fra Ks til Kb

Methansyre, HCOOH, har Ks = 1,78 · 10−4 M og pKs = 3,75.

  1. Skriv formlen for methansyres korresponderende base.
  2. Beregn Kb for basen.
  3. Beregn pKb ud fra Kb.
  4. Kontrollér resultatet med sammenhængen mellem pKs og pKb.
  5. Carbonat, CO32−, har Kb = 2,14 · 10−4 M. Beregn Ks for carbonats korresponderende syre, HCO3−.

For et korresponderende syre-basepar er Ks · Kb = Kv, og Kv = 1,0 · 10−14 M2. Det står i afsnittet Syren og dens base hænger sammen.

Isoler den konstant, du mangler: Kb = Kv / Ks i spørgsmål b og Ks = Kv / Kb i spørgsmål e. I spørgsmål d skal de to eksponenter give 14,00 tilsammen.

  1. HCOO−, som hedder methanoat.

  2. Sammenhængen Ks · Kb = Kv giver

\[ K_\mathrm{b} = \frac{K_\mathrm{v}}{K_\mathrm{s}} = \frac{1{,}0 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{M^2}}{1{,}78 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M}} = 5{,}6 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{M} \]

  1. Basestyrkeeksponenten er

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{b} = -\log K_\mathrm{b} = -\log(5{,}6 \cdot 10^{-11}) = 10{,}25 \]

  1. pKs + pKb = 3,75 + 10,25 = 14,00. Det passer.

  2. Syrestyrkekonstanten for hydrogencarbonat er

\[ K_\mathrm{s} = \frac{K_\mathrm{v}}{K_\mathrm{b}} = \frac{1{,}0 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{M^2}}{2{,}14 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M}} = 4{,}7 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{M} \]

Det er samme værdi som i tabellen i afsnit B6.3.

Opgave B6.4.6: Aflæs og rangér fem baser

Figuren viser fem baser på en skala med pKb. Der er en lille streg for hver 0,2.

Figur 1: Fem baser på en skala med pKb til opgave B6.4.6.
  1. Aflæs pKb for hver af de fem baser med én decimal.
  2. Hvilken af de fem baser er stærkest, og hvilken er svagest?
  3. Afgør for hver base, om den er middelstærk, svag eller meget svag. En meget svag base har pKb over 10.
  4. Hvilken af de fem baser har den stærkeste korresponderende syre? Begrund svaret.
  5. Beregn pKs for methylamins korresponderende syre ud fra din aflæsning.

Jo lavere pKb er, jo stærkere er basen. Den stærkeste base står altså længst til venstre på skalaen. Grænserne mellem stærk, middelstærk og svag står lige under formlen for pKb i afsnittet Basestyrkekonstanten.

En middelstærk base har pKb mellem 0 og 4, og en svag base har pKb mellem 4 og 10. Til spørgsmål d: Jo svagere basen er, jo stærkere er dens korresponderende syre. Til spørgsmål e bruges pKs = 14,00 − pKb.

  1. Methylamin omkring 3,4, ammoniak omkring 4,8, hydrogencarbonat omkring 7,7, ethanoat omkring 9,2 og fluorid omkring 10,8. Det gør ikke noget, hvis din aflæsning afviger med 0,1. De præcise værdier er 3,36, 4,75, 7,65, 9,24 og 10,83.

  2. Methylamin er stærkest, fordi den har den laveste pKb. Fluorid er svagest.

  3. Methylamin er middelstærk. Ammoniak, hydrogencarbonat og ethanoat er svage. Fluorid er meget svag.

  4. Fluorid. Den er den svageste af de fem baser, og jo svagere basen er, jo stærkere er dens korresponderende syre. Syren er hydrogenfluorid, HF, med pKs = 14,00 − 10,83 = 3,17.

  5. Den korresponderende syre er methylammonium-ionen, CH3NH3+.

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{s} = 14{,}00 - \mathrm{p}K_\mathrm{b} = 14{,}00 - 3{,}4 = 10{,}6 \]

Opgave B6.4.7: Stærk syre, meget svag base

Saltsyre, HCl, er en stærk syre med pKs = −7.

  1. Beregn pKb for chloridionen, Cl−.
  2. Beregn Kb for chloridionen.
  3. Forklar ud fra tallet, hvorfor en opløsning af natriumchlorid ikke bliver basisk.
  4. Ethansyre er en svag syre. En elev siger: “Så må ethanoat være en stærk base.” Har eleven ret? Begrund svaret med pKb for ethanoat.
  5. Hvor høj skal en syres pKs være, for at dens korresponderende base er stærk?

Brug pKs + pKb = 14,00, og husk, at der står minus foran 7. Se også figuren med seks syre-basepar.

Du kan begynde dine sætninger sådan:

  • Kb er så lille, at ligevægten ligger …
  • Chloridionen optager derfor ikke …, og der dannes ingen …
  • Ethanoat har pKb = …, og det er en … base.

Til spørgsmål e: En stærk base har pKb under 0.

  1. For chloridionen er

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{b} = 14{,}00 - \mathrm{p}K_\mathrm{s} = 14{,}00 - (-7) = 21 \]

  1. Basestyrkekonstanten er

\[ K_\mathrm{b} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{b}}\ \mathrm{M} = 10^{-21}\ \mathrm{M} \]

  1. Kb er så lille, at ligevægten Cl− + H2O ⇌ HCl + OH− ligger helt mod venstre. Chloridionen optager derfor ikke hydroner fra vand, og der dannes ingen hydroxidioner. Natriumionen reagerer heller ikke med vand, så opløsningen er neutral.

  2. Nej. Ethanoat har pKb = 14,00 − 4,76 = 9,24, og det er en svag base. Reglen siger kun, at basen bliver stærkere, jo svagere syren er. Ethanoat er en meget stærkere base end chlorid, men den er stadig svag.

  3. Over 14. En stærk base har pKb under 0, og så er pKs = 14,00 − pKb større end 14.

Opgave B6.4.8: Sur, neutral eller basisk?

Skriv de to ioner i hvert salt, og afgør, om en opløsning af saltet er sur, neutral eller basisk.

  1. kaliumnitrat, KNO3
  2. ammoniumnitrat, NH4NO3
  3. natriumfluorid, NaF
  4. kaliumcarbonat, K2CO3
  5. natriummethanoat, HCOONa
  6. Tre af opløsningerne er basiske. Hvilken af dem har den højeste pH, hvis koncentrationerne er ens? Brug pKb-værdierne 3,67 for carbonat, 10,25 for methanoat og 10,83 for fluorid.

Følg de tre trin i afsnittet Er en saltopløsning sur eller basisk? Del saltet i dets ioner, og se på hver ion for sig.

K+ og Na+ reagerer ikke med vand. Det gør NO3− heller ikke, fordi den er den korresponderende base til en stærk syre. NH4+ er en svag syre. F−, CO32− og HCOO− er korresponderende baser til syrer, der ikke er stærke.

  1. K+ og NO3−. Opløsningen er neutral, fordi ingen af ionerne reagerer med vand.
  2. NH4+ og NO3−. Opløsningen er svagt sur, fordi NH4+ er en svag syre.
  3. Na+ og F−. Opløsningen er svagt basisk, fordi F− er en base. Den er den korresponderende base til hydrogenfluorid, HF.
  4. K+ og CO32−. Opløsningen er basisk, fordi CO32− er en base.
  5. Na+ og HCOO−. Opløsningen er svagt basisk, fordi HCOO− er en base. Den er den korresponderende base til methansyre.
  6. Opløsningen af kaliumcarbonat. Carbonat har den laveste pKb og er derfor den stærkeste af de tre baser.

Opgave B6.4.9: Tre glas med bromthymolblåt

Tre bægerglas indeholder opløsninger af natriumnitrat, NaNO3, ammoniumchlorid, NH4Cl, og kaliumethanoat, CH3COOK. Der er tilsat indikatoren bromthymolblåt, som er gul i sur, grøn i neutral og blå i basisk opløsning.

Figur 2: Tre saltopløsninger med bromthymolblåt til opgave B6.4.9.
  1. Hvilket af de tre salte er der i hvert glas?
  2. Skriv reaktionsskemaet for den reaktion med vand, der gør opløsningen i glas A sur.
  3. Skriv reaktionsskemaet for den reaktion med vand, der gør opløsningen i glas B basisk.
  4. Forklar, hvorfor ingen af ionerne i glas C ændrer pH.
  5. I et fjerde glas opløses ammoniumethanoat, CH3COONH4. Her reagerer begge ioner med vand. Sammenlign pKs for ammonium med pKb for ethanoat, og forudsig indikatorens farve.

Del hvert salt i dets to ioner, og find den ion, der er en svag syre eller en svag base. Sammenlign med figuren med tre saltopløsninger.

En syre danner H3O+, når den reagerer med vand, og en base danner OH−. Til spørgsmål e: Ammonium har pKs = 9,25, og ethanoat har pKb = 9,24. Hvad betyder det, at de to tal er næsten ens?

  1. Glas A indeholder ammoniumchlorid, glas B indeholder kaliumethanoat, og glas C indeholder natriumnitrat.

  2. Ammoniumionen er en svag syre:

NH4+(aq) + H2O(l) ⇌ NH3(aq) + H3O+(aq)

  1. Ethanoat-ionen er en svag base:

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

  1. Na+ er en metalion, som ikke reagerer med vand. NO3− er den korresponderende base til den stærke syre salpetersyre, og den er så svag en base, at den heller ikke reagerer med vand.

  2. Ammonium er en svag syre med pKs = 9,25, og ethanoat er en svag base med pKb = 9,24. Syren og basen er altså næsten præcis lige stærke. Der dannes omtrent lige mange oxoniumioner og hydroxidioner, så opløsningen er neutral, og indikatoren er grøn.

Opgaver med fødevaretema

Køkkenet er fuldt af salte og baser: salmiak i lakridsen, potaske i brunkagerne, natron i kagen og en base, der lugter af gammel fisk.

Opgave B6.4.mad.1: Salte i køkkenet

Fire salte fra køkkenet opløses i hver sit glas vand:

  • bordsalt, NaCl
  • salmiak fra saltlakrids, NH4Cl
  • potaske fra brunkager, K2CO3
  • natriumethanoat fra chips med salt og eddike, CH3COONa
  1. Skriv de to ioner i hvert salt.
  2. Afgør for hvert salt, om opløsningen er sur, neutral eller basisk.
  3. To af opløsningerne er basiske. Hvilken af dem har den højeste pH, hvis koncentrationerne er ens? Begrund svaret med pKb.
  4. Skriv reaktionsskemaet for carbonationens reaktion med vand.

Brug de tre trin i afsnittet Er en saltopløsning sur eller basisk? Tre af de fire salte står i tabellen sidst i afsnittet.

pKb-værdierne står i tabellen i afsnittet Stærke og svage baser: 3,67 for carbonat og 9,24 for ethanoat. Jo lavere pKb, jo stærkere base. Når carbonat optager en hydron, bliver den til hydrogencarbonat.

  1. Bordsalt består af Na+ og Cl−. Salmiak består af NH4+ og Cl−. Potaske består af K+ og CO32−. Natriumethanoat består af Na+ og CH3COO−.

  2. Bordsalt giver en neutral opløsning. Salmiak giver en svagt sur opløsning, fordi NH4+ er en svag syre. Potaske giver en basisk opløsning, fordi CO32− er en base. Natriumethanoat giver en svagt basisk opløsning, fordi CH3COO− er en svag base.

  3. Opløsningen af potaske. Carbonat har pKb = 3,67, og ethanoat har pKb = 9,24. Carbonat er derfor en meget stærkere base og danner flere hydroxidioner.

  4. Carbonationen optager en hydron fra vand:

CO32−(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3−(aq) + OH−(aq)

Opgave B6.4.mad.2: Fiskelugt og citron

Gammel fisk lugter af basen trimethylamin, (CH3)3N. Figuren viser trimethylamin sammen med to andre baser, der også har et nitrogenatom.

Figur 3: Ammoniak, methylamin og trimethylamin til opgave B6.4.mad.2.
  1. Skriv reaktionsskemaet for trimethylamins reaktion med vand.
  2. Opskriv udtrykket for Kb for trimethylamin.
  3. Beregn Kb ud fra pKb.
  4. Rangér de tre baser i figuren efter styrke. Begynd med den stærkeste.
  5. Beregn pKs for trimethylamins korresponderende syre.
  6. Citronsaft er sur. Når du drypper citron på fisken, bliver trimethylamin lavet om til sin korresponderende syre. Forklar, hvorfor lugten forsvinder.

Trimethylamin optager en hydron på nitrogenatomet, ligesom ammoniak gør. Den korresponderende syre er ionen (CH3)3NH+. Se, hvordan reaktionsskemaet og Kb er skrevet for ammoniak i afsnittet Basestyrkekonstanten.

Kb = 10−pKb M, og pKs = 14,00 − pKb. Jo lavere pKb, jo stærkere base. Til spørgsmål f: Læs om citron på fisk i afsnit B4.6. Kan en ion fordampe?

  1. Trimethylamin optager en hydron fra vand:

(CH3)3N(aq) + H2O(l) ⇌ (CH3)3NH+(aq) + OH−(aq)

  1. Basestyrkekonstanten er

\[ K_\mathrm{b} = \frac{[\mathrm{(CH_3)_3NH^+}] \cdot [\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{(CH_3)_3N}]} \]

  1. Med pKb = 4,20 er

\[ K_\mathrm{b} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{b}}\ \mathrm{M} = 10^{-4{,}20}\ \mathrm{M} = 6{,}3 \cdot 10^{-5}\ \mathrm{M} \]

  1. Methylamin er stærkest med pKb = 3,36. Derefter kommer trimethylamin med 4,20, og ammoniak er svagest med 4,75.

  2. For ionen (CH3)3NH+ er

\[ \mathrm{p}K_\mathrm{s} = 14{,}00 - \mathrm{p}K_\mathrm{b} = 14{,}00 - 4{,}20 = 9{,}80 \]

  1. Trimethylamin er et lille molekyle, der let fordamper, og derfor kan du lugte det. Syren i citronsaften afgiver hydroner til trimethylamin, så den bliver til ionen (CH3)3NH+. Ioner fordamper ikke, så lugten når ikke op til næsen.

Opgave B6.4.mad.3: Natron, syre eller base?

Natron er natriumhydrogencarbonat, NaHCO3. Hydrogencarbonationen, HCO3−, er en amfolyt. Som syre har den pKs = 10,33, og som base har den pKb = 7,65.

  1. Skriv reaktionsskemaet for den reaktion med vand, hvor HCO3− er en syre.
  2. Skriv reaktionsskemaet for den reaktion med vand, hvor HCO3− er en base.
  3. Beregn Ks og Kb for hydrogencarbonat.
  4. Er hydrogencarbonat stærkest som syre eller som base?
  5. Er en opløsning af natron sur, neutral eller basisk?
  6. De to tal 10,33 og 7,65 giver 17,98 tilsammen og ikke 14,00. Forklar, hvorfor det ikke er en fejl.

Som syre afgiver HCO3− en hydron og bliver til CO32−. Som base optager den en hydron og bliver til H2CO3. Se figuren med hydrogencarbonat som amfolyt.

Sammenlign de to konstanter. Den største viser, hvilken af de to reaktioner der forløber mest. Til spørgsmål f: Reglen pKs + pKb = 14,00 gælder for en syre og dens korresponderende base. Find de to par, hydrogencarbonat er med i, i figuren med seks syre-basepar.

  1. Som syre afgiver hydrogencarbonat en hydron til vand:

HCO3−(aq) + H2O(l) ⇌ CO32−(aq) + H3O+(aq)

  1. Som base optager hydrogencarbonat en hydron fra vand:

HCO3−(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq) + OH−(aq)

  1. De to konstanter er

\[ K_\mathrm{s} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{s}}\ \mathrm{M} = 10^{-10{,}33}\ \mathrm{M} = 4{,}7 \cdot 10^{-11}\ \mathrm{M} \]

\[ K_\mathrm{b} = 10^{-\mathrm{p}K_\mathrm{b}}\ \mathrm{M} = 10^{-7{,}65}\ \mathrm{M} = 2{,}2 \cdot 10^{-8}\ \mathrm{M} \]

  1. Som base. Kb er omkring 500 gange større end Ks.

  2. Svagt basisk. Hydrogencarbonat danner flere hydroxidioner som base, end den danner oxoniumioner som syre. Natriumionen reagerer ikke med vand.

  3. Reglen gælder kun for en syre og dens egen korresponderende base. De to tal hører til hvert sit par. Som syre er hydrogencarbonat i par med carbonat, og pKs + pKb = 10,33 + 3,67 = 14,00. Som base er den i par med kulsyre, og pKs + pKb = 6,35 + 7,65 = 14,00.