O3 Happo-emäsreaktiot

Aluksi

:rightJokainen meistä kohtaa päivittäin sekä happamia että emäksisiä aineita. Happamat aineet ovat tuttuja lähes kaikkien ruokavaliosta. Useimmat hedelmät ovat happamia, kuten myös etikka, virvoitusjuomat ja olut. Emäksisyys on tuttua useista kemikaaleista. Monet puhdistusaineet, kuten putkenavaaja ja astianpesuaine, ovat voimakkaasti emäksisiä. Aineen happamuutta ja emäksisyyttä kuvataan pH-asteikolla. Jos aineen pH on alle 7, ainetta sanotaan happamaksi. Jos pH on yli 7, aine on emäksinen.

Hapot ja emäkset


:leftHapot ja emäkset voidaan määritellä usealla eri tavalla. Yleensä happo määritellään tanskalaisen Johannes Brønstedin mukaan aineeksi, joka pystyy luovuttamaan protonin eli vetyionin (H+). Karboksyylihapot ovat nimensä mukaisesti happoja. Kun muurahaishappoa (HCOOH) liuotetaan veteen, se luovuttaa protoninsa. Protoni ei kuitenkaan ole vesiliuoksessa vapaana, vaan se muodostaa vesimolekyylin kanssa oksoniumioneja (H3O+). Lisäksi muodostuu metanaatti- eli formiaatti-ioneja (HCOO−).


HCOOH(aq) + H2O(l) ➞ HCOO−(aq) + H3O+(aq)


Emäkset ovat aineita, jotka pystyvät vastaanottamaan protonin. Orgaanisista yhdisteistä esimerkiksi amiinit ovat emäksiä. Kun metyyliamiini (CH3NH2) reagoi veden kanssa, vesi luovuttaa sille protonin. Tuloksena muodostuu metyyliammoniumioni (CH3NH3+) ja hydroksidi-ioni (OH−):


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

:left

Kun jokin aine luovuttaa protonin, samaan aikaan jokin toinen aine vastaanottaa sen. Tätä sanotaan protolyysireaktioksi. Protolyysireaktiossa protonin luovuttava aine on happo ja protonin vastaanottava aine emäs. Happo ja emäs toimivat aina yhdessä. Happo luovuttaa protoninsa aina jollekin emäkselle. Vastaavasti emäs vastaanottaa protonin aina joltain hapolta.

Tietyt aineet voivat reagoida sekä happoina että emäksinä. Tällaisia aineita kutsutaan amfolyyteiksi. Esimerkiksi vesi on amfolyytti. Muurahaishapon kanssa protolyysireaktiossa vesi toimii emäksenä ja vastaanottaa protonin. Metyyliamiinin kanssa reagoidessaan vesi toimii happona ja luovuttaa protonin.

Lisäksi: Lewisin happo

Amerikkalainen Gilbert N. Lewis laajensi hapon ja emäksen määritelmää. Hänen mukaansa happo on yhdiste, joka kykenee vastaanottamaan elektroniparin. Vastaavasti emäs on aine, joka kykenee luovuttamaan elektroniparin. Lewisin mukaan happo ei varsinaisesti ole aine, joka luovuttaa protonin, vaan protoni itsessään on happo, sillä se pystyy vastaanottamaan elektroniparin.

Lewisin määritelmä on hyödyllinen, sillä joissain tilanteissa aineet voivat käyttäytyä happojen ja emästen tavoin, vaikka niissä ei olisi protonia tai ne eivät olisi vesiliukoisia.

Lisäksi: pH

:rightMyös puhtaassa vesiliuoksessa on sekä oksonium- että hydroksidi-ioneja. Tämä johtuu siitä, että vesi voi luovuttaa protolyysireaktiossa protonin myös toiselle vesimolekyylille. Tätä kutsutaan veden autoprotolyysiksi.


H2O + H2O ➞ H3O+ + OH−


Sekä happamassa että emäksisessä vesiliuoksessa on aina sekä oksonium- että hydroksidi-ioneja. Kun oksoniumionien määrä kasvaa, hydroksidi-ionien määrä pienenee. Happamassa liuoksessa oksoniumionien määrä on suuri ja hydroksidi-ionien määrä pieni.

Vesiliuoksen happamuutta voidaan esittää pH-asteikolla. Se kuvaa, kuinka paljon liuoksessa on oksoniumioneja. pH-asteikko on logaritminen. Logaritmisuudella tarkoitetaan sitä, että kun pH laskee yhden yksikön, oksoniumionien konsentraatio [H3O+] nousee kymmenkertaiseksi.


pH = −log10[H3O+]


Jos esimerkiksi liuoksen pH = 1, oksoniumionien konsentraatio [H3O+] = 10−1 M = 0,1 M. Toisaalta jos liuoksen pH = 2, niin oksoniumionien konsentraatio [H3O+] = 10−2 M = 0,01 M.
Neutraalissa liuoksessa pH on seitsemän. Siinä on yhtä paljon sekä oksonium- että hydroksidi-ioneja.
Pohdi seuraavia kysymyksiä:
a) Mikä on liuoksen pH, jos oksoniumionien konsentraatio [H3O+] = 0,000001 M ?
b) Kuinka paljon liuoksen oksoniumionikonsentraatio muuttuu, kun pH laskee arvosta 3 arvoon 1?
c) Ota selvää, miten pH voidaan määrittää. Millaisia erilaisia menetelmiä pH:n määrittämiseksi on olemassa? Mitä niistä olet itse käyttänyt?

Happojen ja emästen reaktioita

Osa hapoista ja emäksistä on vahvoja, osa heikkoja. Vahvalla hapolla tarkoitetaan, että se luovuttaa kaikki protoninsa. Esimerkiksi typpihappo (HNO3) on vahva happo, sillä se luovuttaa kaikki protoninsa. Tuloksena on nitraatti-ioneja ja oksoniumioneja.

HNO3(aq) + H2O(l) ➞ NO3−(aq) + H3O+(aq)

Monet orgaaniset hapot ovat heikkoja happoja. Esimerkiksi muurahaishappo on heikko happo, sillä se ei vesiliuoksessa luovuta kaikkia protoneitaan. Vesiliuoksessa on aina jonkin verran muurahaishappomolekyylejä jäljellä.

HCOOH(aq) + H2O(l) ⇌ HCOO−(aq) + H3O+(aq)

Vastaavasti emäkset voivat olla vahvoja tai heikkoja sen mukaan, kuinka täydellisesti ne vastaanottavat protoneita. Metyyliamiini on heikko emäs ja sen vesiliuoksessa on mukana aina myös metyyliamiinimolekyylejä.

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

Neutraloituminen

Happo ja emäs voivat reagoida keskenään vesiliuoksessa. Kun happo ja emäs reagoivat keskenään, muodostuu suolaa. Tätä kutsutaan neutraloitumiseksi.
Esimerkiksi muurahaishappo on happo ja natriumhydroksidi emäs. Kun ne reagoivat keskenään, muodostuu natriumformiaattia eli -metanaattia (NaHCOO) ja vettä (H2O).
HCOOH(aq) + NaOH(aq) ➞ NaHCOO(aq) + H2O(l)

Monet orgaaniset yhdisteet ovat happoja tai emäksiä. Esimerkiksi karboksyylihapot ovat useimmiten heikkoja happoja. Amiinit ovat taas heikkoja emäksiä. Aminohapot ovat amfolyyttejä, sillä niissä on sekä protonin luovuttava karboksyylihapporyhmä että protonin vastaanottava aminoryhmä.

Lopuksi

O3.1 Hapot ja emäkset

Luokittele seuraavat aineet happoihin ja emäksiin.

a. Natriumhydroksidi NaOH

b. Vetykloridi HCl

c. Ammoniakki NH3

d. Metyyliamiini CH3NH2

e. Muurahaishappo HCOOH

f. Ammoniumioni NH4+


O3.2 Happoja ja emäksiä kotona

Etsi kotoasi aineita, jotka ovat

a. vahvoja emäksiä
b. heikkoja emäksiä
c. heikkoja happoja
d. vahvoja happoja
e. likimain neutraaleja.

Voit etsiä tietoa myös internetistä. Voit löytää vihjeitä erilaisten kemikaalien ainesosaluetteloista. Esimerkiksi vahvat hapot ja emäkset ovat usein syövyttäviä.


O3.3 Sadeveden pH (verkkotehtävä)

Sadeveden pH on luontaisesti hieman hapan, noin 5,6 pH-asteikolla.

a) Pohdi, miksi sadevesi on hieman hapanta eikä neutraalia. Etsi tarvittaessa tietoa internetistä.
b) Jos sadeveden pH on alle 5, sitä kutsutaan happosateeksi. Ota selvää tekijöistä, jotka aiheuttavat happosateita. Miten happosateiden muodostumista voidaan ehkäistä?


O3.4 pH-indikaattorit (verkkotehtävä)

pH-indikaattorit ovat aineita, joiden väri muuttuu liuoksen pH:n muuttuessa. Värinmuutos voi johtua esimerkiksi protonin vastaanottamisesta tai luovuttamisesta. Tuttuja pH-indikaattoreita ovat esimerkiksi lakmus ja fenoliftaleiini. Mitä näistä pH-indikaattoreista kannattaisi käyttää, jos haluaisit tarkastella pH:n muutosta välillä

a) 5–6
b) 1–2
c) 11–12
d) Monet pH-indikaattorit ovat myös karsinogeenisiä. Mitä tällä tarkoitetaan? Etsi ainakin yksi pH-indikaattori, jonka ei tiedetä olevan karsinogeeninen.


O3.5 Närästys

Närästykseen tai vatsan liialliseen happamuuteen saatetaan käyttää vastahapon muodostumista ehkäiseviä tai vatsahappoa neutraloivia aineita.
a) Eräs vastahappoa neutraloivissa lääkkeissä käytettävä ainesosa on magnesiumhydroksidi. Kirjoita magnesiumhydroksidin ja vetykloridihapon välinen reaktio.
b) Myös kalsiumkarbonaattia käytetään vatsahapon neutralointiin. Kirjoita kalsiumkarbonaatin ja vetykloridihapon välinen reaktio.
c) Myös luonnosta löytyy paljon kalsiumkarbonaattia – mistä?

Peda.net käyttää vain välttämättömiä evästeitä istunnon ylläpitämiseen ja anonyymiin tekniseen tilastointiin. Peda.net ei koskaan käytä evästeitä markkinointiin tai kerää yksilöityjä tilastoja. Lisää tietoa evästeistä