5. ZobojĘ Tnianie - Notatki z wykładu 5 PDF

Preview

Summary

Małgorzata Kobiałka...

Description

ZOBOJETNIANIE Niezależnie od stosowanych definicji kwasów i zasad powszechnie przyjmuje się, że kwasy i zasady reagują ze sobą. Według definicji Arrheniusa reakcję taką nazywa się reakcją zobojętniania; jeżeli H+ kwasu reaguje z OH ˉzasady, tworząc wodę, znikają ich właściwości kwasowe i zasadowe. Jednakże terminu zobojętnianie nie należy rozumieć dosłownie, ponieważ tylko kwasy i zasady o zbliżonej mocy mogą utworzyć rzeczywiście obojętny roztwór. Na przykład, gdy 1 mol kwasu solnego reaguje z 1 molem wodorotlenku sodu, otrzymuje się roztwór obojętny. Jednak, gdy 1 mol kwasu octowego reaguje z 1 molem wodorotlenku sodu, otrzymuje się roztwór nie obojętny, lecz słabo zasadowy. Dla bardziej ogólnych definicji, np. Bronsteda, obejmujących szeroki zakres reakcji kwas – zasada, termin zobojętnianie jest jeszcze bardziej kwestionowany. Reakcję kwasu HC1 z zasadą HO trudno określić jako zobojętnianie. Ściśle mówiąc, zobojętnianie należy określić jako reakcję kwasów i zasad o podobnej mocy, w których protony są oddawane i pobierane. W reakcjach tych kwas jest donorem, a zasada akceptorem. Istnieją cztery możliwe przypadki obejmujące reakcje między kwasem i zasadą w roztworze wodnym: mocny kwas – mocna zasada, słaby kwas- mocna zasada, mocny kwas – słaba zasada, słaby kwas – słaba zasada. Jedynie pierwszy i ostatni przypadek można określić jako zobojętnianie. Jednakże powszechnie wszystkie cztery reakcje nazywa się reakcjami zobojętniania. 1. Mocny kwas – mocna zasada. Zobojętnianie HCl za pomocą NaOH niekiedy zapisuje się jako HCl + NaOH → H2O + NaCl Ale ponieważ HCI, NaOH i NaCl są mocnymi elektrolitami, w roztworze występują w postaci jonów. lepszym więc zapisem jest zapis: H+ + Clˉ + Na+ + OHˉ → H2O + Na+ + Cl ˉ 2. Słaby kwas – mocna zasada. Ogólnie równanie reakcji słabego kwasu z mocną zasadą jest następujące: HA+OH ˉ→ H2O +Aˉ gdzie HA oznacza słaby kwas, np. CH3COOH Ponieważ słaby kwas dysocjuje w małym stopniu tworząc jony H+ i K-, jego roztwór przed reakcją zawiera głównie cząsteczki HA Podczas reakcji zanikają cząsteczki HA. 3. Mocny kwas- slaba zasada. Ogólne równanie ma następujący zapis: H+ + MeOH → Me+ +2H2O gdzie MeOH oznacza słabą zasadę. Jednakże niewiele jest słabych zasad typu MeOH. Większość słabych zasad jest typu NH3 Wtedy równanie zobojętniania posiada zapis: H+ + NH3 → NH4+

4. Słaby kwas – słaba zasada? Równanie ogólne reakcji jest następujące: HA + MeOH → Me+ +A ˉ+ H2O jeżeli słabą zasadą jest NH3, to HA + NH3 → NH4+ + Aˉ REAKCJE KWASÓW I ZASAD Z AMFOTERAMI W reakcji zobojętniania reaguje zawsze kwas z zasada, a jako produkty reakcji powstają sól i woda. Stwierdzono, że często ten sam związek, niezależnie od warunków reakcji, może oddawać lub przyjmować protony, a więc zachowywać się jak kwas lub jak zasada. Tego rodzaju obojnaczy charakter związków nazwano amfoterycznością, a związki tego typu amfoterami. Do amfoterów zalicza się niektóre wodorotlenki ( oraz ich tlenki), które w reakcji z mocnymi kwasami zachowują się jak zasady, a w reakcji z mocnymi zasadami jak kwasy. Przykładem takich związków amfoterycznych są tlenki i wodorotlenki: cynku, glinu, ołowiu, cyny i kilka innych. Trudno rozpuszczalny w wodzie tlenek lub wodorotlenek cynku reaguje zarówno z kwasami, jak i z wodorotlenkami zasadowymi, tworząc rozpuszczalną w wodzie sól i wodę Reakcja z kwasem: ZnO + 2HCI = ZnC12 + H2O Reakcja z wodorotlenkiem: ZnO + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2O W przeciwieństwie do tlenku i wodorotlenku cynku, chlorek cynku i cynkami sodu są rozpuszczalne w wodzie. Widzimy, więc, że reakcje kwasów i zasad z amfoterami są dalszym szczególnym przypadkiem reakcji zobojętniania. REAKCJE KWASÓW I ZASAD Z SOLAMI Innymi przykładami reakcji przebiegających między jonami w roztworach wodnych są reakcje kwasów i zasad z solami. Reakcje te przebiegają tylko wówczas, gdy w ich wyniku mogą powstać cząsteczki słabych elektrolitów (mających słabo zdysocjowane cząsteczki), związki łatwo lotne lub osady soli trudno rozpuszczalnych. Na przykład: Jeżeli do roztworu węglanu sodu dodamy kwasu solnego, przebiega reakcja, którą można przedstawić następującym równaniem: 2Na+ + CO3² ˉ+ 2H+ + 2C1ˉ = H2CO3 + 2(Na+ + Cˉ1) Substraty tej reakcji są dobrze zdysocjowane, natomiast produktem jest słabo zdysocjowany kwas węglowy H2CO3. Ten z kolei, będąc kwasem

nietrwałym, łatwo rozpada się na wodę i dwutlenek węgla, a ten wydziela się ze środowiska reakcji w postaci pęcherzyków gazu. Drugą ogólną zasadą dotyczącą reakcji kwasów z solami jest przypadek, w którym kwas trudno lotny wypiera z soli kwas łatwiej lotny. Jeżeli na przykład do stężonego roztworu lub stałego chlorku sodu NaC1 dodamy kwasu siarkowego VI, przebiega reakcja: H2SO4 + NaCl = HC1 ↑+ NaHSO4 W reakcji tej gazowy chlorowodór HC1 opuszcza środowisko reakcji. Trudno lotny kwas siarkowy VI służy, zatem do otrzymywania innych kwasów łatwiej lotnych, np. HCl, HNO3 lub słabszych, np. H3PO4. Na tym między innymi polega jego dość duże znaczenie w technologii chemicznej. W podobny sposób reagują zasady z solami. Trudno lotna lub łatwiej rozpuszczalna zasada wypiera z soli zasadę łatwiej lotną lub trudniej rozpuszczalną. Oto przykłady: NH4 + Cl ˉ+ Na+ + OHˉ = Na+ + C1ˉ + NH3 + H2O Mocna zasada OH- wypiera słabsza łatwo lotną zasadę NH3-.

REAKCJE KWASÓW Z METALAMI PRZEBIEGAJACE Z WYDZIELANIEM WODORU Jeżeli chodzi o kwas solny, to nie wszystkie metale reagują z tymże kwasem jednakowo. Na przykład magnez reaguje z rozcieńczonym kwasem solnym już w temperaturze pokojowej, żelazo – dopiero po ogrzaniu, a miedź w ogóle nie reaguje. W reakcji magnezu, a także żelaza z kwasem solnym wydziela się wodór, który zmieszany z tlenem będącym w powietrzu po zbliżeniu do płomienia palnika zapala się wybuchowo. Opisane reakcje przebiegają między atomami metalu, a jonami H+ pochodzącymi z dysocjacji kwasu solnego. Reakcje kwasów z metalami przebiegające z wydzielaniem wodoru mają charakter jonowy. Zachodzą one między jonami wodorowymi H+ i atomami metali M. Ilość wodoru wydzielającego się w reakcji metali z kwasami zależy m.in. od stężenia jonów H+ w roztworze. Różna intensywność wydzielania się wodoru w reakcjach potwierdza różną moc kwasów. WYTRACANIE OSADÓW

Reakcje w roztworach wodnych w rzeczywistości przebiegają między jonami. Jeżeli produkt reakcji jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, to również występuje w roztworze w postaci jonów. Jeżeli jednak powstający produkt jest trudno rozpuszczalny w wodzie - będzie wytracał się jako osad. W postaci osadów wytrącają się zwykle wodorotlenki i sole, rzadko kwasy. Osady powstałe w wyniku zobojętniania substancji przez reakcję wytrącania można podzielić na dwie grupy: - osady koloidalne (np. typu chlorku srebra) - osady krystaliczne (np. siarczan baru) W procesie strącania osadów wyróżnia się dwa etapy: - tworzenie się zarodków krystalicznych - wzrost kryształów Przykłady strącania osadów: Po dodaniu roztworu NaOH do probówki z roztworem AlCl3 w probówce powstaje biały, galaretowaty osad wodorotlenku glinu. Zachodzącą reakcję można zapisać cząsteczkowo: AIC13 + 3 NaOH → A1(OH)3↓ + 3NaCl, gdzie ↓ oznacza trudno rozpuszczalny związek(osad). Ponieważ reakcja zachodzi w roztworze wodnym, związki dobrze rozpuszczalne występują w postaci jonów. Wodorotlenek glinu, bardzo trudno rozpuszczalny dysocjuje na jony w bardzo trudnym stopniu. Skrócony zapis jonowy reakcji: Al³+ +3OH ˉ→ A1(OH)3↓ Po dodaniu roztworu KOH do probówki z roztworem CuSO4 w probówce powstaje niebieski galaretowaty osad wodorotlenku miedzi. Cząsteczkowy zapis reakcji: CuSO4 + 2 KOH → Cu(OH)2 ↓ + K2SO4 Skrócony jonowy zapis reakcji: Cu²+ +2OH ˉ→ Cu(OH)2↓ W podobny sposób powstają osady innych trudno rozpuszczalnych związków. Wystarczy zmieszać dowolne roztwory zawierające jony wchodzące w skład osadu. Dobrze rozpuszczają się wszystkie sole sodu, potasu i amonu oraz azotany y i chlorki (z wyjątkiem AgCl i PbCl2 Jeżeli chodzi o wytrącanie osadów trudno rozpuszczalnych soli, to reakcje wyglądają następująco: Po dodaniu roztworu azotanu V srebra do probówki z roztworem kwasu solnego, w probówce wytrąca się biały, ciemniejący na powietrzu osad chlorku srebra AgC1. Cząsteczkowy zapis reakcji: AgNO3 + HCI → AgCl↓ + HNO3 Skrócony zapis jonowy reakcji:

Ag+ + Cl ˉ→ AgCl↓ Natomiast po dodaniu roztworu chlorku baru do probówki zawierającej rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego VI, w probówce wytraca się biały osad siarczanu VI baru BaSO4 Cząsteczkowy zapis reakcji: BaC12 + H2SO4 → BaS04 +2HC1 Skrócony jonowy zapis reakcji: Ba2+ + SO4² ˉ→ BaSO4↓ Związki trudno rozpuszczalne występują powszechnie w przyrodzie, są także często używane w życiu codziennym. Na przykład węglan i fosforan wapnia to główne składniki szkieletu kostnego, gips( CaSO4 + 2H2O) i krzemiany wapnia to składniki zapraw murarskich. Trudno rozpuszczalny siarczan baru(BaSO4) stosowany jest jako kontrast w zdjęciach rentgenowskich przewodu pokarmowego. Taśmy filmowe pokrywa się emulsją zawierającą bromek srebra. Wytrącanie osadu może być także procesem niekorzystnym. Przykładem takiego działania jest powstawanie kamienia kotłowego. Jednakże częściej jest wykorzystywane do usuwania niepożądanych zanieczyszczeń, np. przy oczyszczaniu ścieków. Wytrącanie bardzo trudno rozpuszczalnych soli jest wykorzystywane w analizie jakościowej do wykrywania obecności danego kationu lub anionu w roztworze. Wiele soli, np. siarczki metali, tworzy osady barwne, co ułatwia analizę. Wytrącanie chlorków lub bromków srebra służy do ilościowego oznaczania anionów Baˉ i Cl ˉw metodzie zwanej argentometrią. Strącaniu osadów towarzyszą zjawiska wtórne takie jak: - starzenie osadu( przechodzenie osadu drobnokrystalicznego w osad o większych kryształach poprzez jego dłuższe pozostawanie w roztworze macierzystym) - postrącanie (powolne strącanie na otrzymanym osadzie osadu innego jonu) - współstrącanie (mechaniczne zatrzymywanie obcych jonów przez strącany osad) W strącaniu substancji stosuje się wiele odczynników, które dostarczają jonów strącających. Do strącania: - siarczanów stosuje się siarczan dimetylu o wzorze (CH3)2SO4 - szczawianów stosuje się szczawian dimetylu o wzorze (CH3)2C2O4 - siarczków stosuje się tioacetamid o wzorze CH3CSNH2 - wodorotlenków stosuje się urotropinę o wzorze C6H12N4...