Teoria

5.5 Moniarvoisten protolyyttien ja suolaliuosten pH

Moniarvoinen protolyytti voi luovuttaa tai vastaanottaa useamman kuin yhden protonin

Esim. Rikkihapon protolyysireaktio voidaan kirjoittaa:

$H_2SO_4\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)\rightarrow HSO_4^-\left(aq\right)+H_3O^+\left(aq\right)$

$HSO_4^-\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)\xrightleftharpoons[]{}SO_4^{2-}\left(aq\right)+H_3O^+\left(aq\right)$

Esim. Sulfidi-ionin protolyysi:

$S^{2-}\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)\rightarrow HS^-\left(aq\right)+OH^-\left(aq\right)$
$HS^-\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)\xrightleftharpoons[]{}H_2S\left(aq\right)+OH^-\left(aq\right)$

Suolan happo- tai emäsluonne voidaan selvittää sen perusteella, kuinka vahvojea protolyyttejä (veteen verrattuna) suolan ionit ovat.

Esim. Onko seuraavien suolojen vesiliuos hapan, neutraali vai emäksinen

a) Kalsiumkloridi KCl

Koska

$K_b\left(Cl^-\right)<K_b\left(H_2O\right)$ , Kloridi-ioneilla ei ole emäsluonnetta.

Liuos on neutraali

b) Ammoniumnitraatti $NH_4NO_3$

$K_b\left(NH_4^+\right)>K_b\left(H_2O\right)$ ja

$K_b\left(NO_3^-\right)<K_b\left(H_2O\right)$

Liuos on hapan

c) Litiumkarbonaatti $Li_2CO_3$

$K_b\left(CO_3^{2-}\right)>K_b\left(H_2O\right)$

Liuos on emäksinen.

5.4

Esim. Lasketaan pH puskuriliuokselle, jossa $\left[CH_3COOH\right]=0{,}10\ \frac{mol}{l}$ ja $\left[CH_3COO^-\right]=0{,}10\ \frac{mol}{l}$

$\begin{array}{l|l} &CH_3COOH\left(aq\right)&H_2O\left(l\right)&\xrightleftharpoons[]{}&CH_3COO^-\left(aq\right)&H_3O^+\left(aq\right)\\ \hline c_{alku}\left(\frac{mol}{l}\right)&0{,}10&&&0{,}10&0\\ c_{muutos}\left(\frac{mol}{l}\right)&-x&&&+x&+x\\ c_{tasap.}\left(\frac{mol}{l}\right)&0{,}10-x&&&0{,}10+x&x \end{array}$

$K_a=\frac{\left[CH_3COO^-\right]\left[H_3O^+\right]}{\left[CH_3COOH\right]}=\frac{\left(0{,}10+x\right)\cdot x}{0{,}10-x}=1{,}8\cdot10^{-5}\left(\frac{mol}{l}\right)$

$\rightarrow\ x^2+0{,}100018x-1{,}8\cdot10^{-6}=0$

josta

$x=1{,}799...\cdot10^{-5}\left(\frac{mol}{l}\right)=\left[H_3O^+\right]$
$pH=-\log1{,}799...\cdot10^{-5}\approx4{,}74$

Määritetään saman purskuriliuoksen pH Henderson-Hasselbachin yhtälön avulla

Kirjoitetaam hapovakion lauseke

$K_a=\frac{\left[CH_3COO^-\right]\left[H_3O^+\right]}{\left[CH_3COOH\right]}$

Ratkaistaan edellinen esimerkki soveltamalla Henderson-Hasselbalchin yhtälöä:

Kirjoitetaan etikkahapon happovakion lauseke:

$K_a=\frac{\left[CH_3COO^-\right]\left[H_3O^+\right]}{\left[CH_3COOH\right]}$

Ratkaistaan lauseke $\left[H_3O^+\right]$ - konsentraation suhteen:

$K_a\cdot\left[CH_3COOH\right]=\left[CH_3COO^{^-}\right]\left[H_3O^+\right]$

$\left[H_3O^+\right]=K_a\cdot\frac{\left[CH_3COOH\right]}{\left[CH_3COO^-\right]}$

$\left[H_3O^+\right]=K_a\cdot\frac{\left[CH_3COOH\right]}{\left[CH_3COO^-\right]}\ \ \ \ \ \left|\right|\log$

$pH=pK_a-\log\cdot\frac{\left[CH_3COOH\right]}{\left[CH_3COO^-\right]}$

Esimerkin purskuriliuoksessa:

$\left[CH_3COOH\right]=0{,}10\ \frac{mol}{l}$ ja $\left[CH_3COO^-\right]=0{,}10\ \frac{mol}{l}$ ja

$pK_a=-\log1{,}8\cdot10^{-5}\approx4{,}7447$

$pH=4{,}7447-\log\frac{0{,}10}{0{,}10}=4{,}7447\approx4{,}74$

Heikon yksiarvoisen hapon tunnistaminen titrauskäyrästä

Laske titraustulosten perusteella titratuun hapn happovaki. Mikä happo voisi olla kyseessä?

Ekvivalenttipisteessä V(NaOH)=25,0ml

Kun puolet haposta oli neutraloitu (V(NaOH)=12,5 ml ja liuoksen pH ≈ 4,65), reaktioyhtälön

$HA\left(aq\right)+NaOH\left(aq\right)\rightarrow NaA\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)$

Perusteella:

$\left[HA\right]=\left[A^-\right]$

Siis hapon ja titrauksessa muodostuneen vastinemäksen konsentraatiot ovat yhtä suuret

Hapon happovakion lausekkee perusteella:

$HA\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)\xrightleftharpoons[]{}A^-\left(aq\right)+H_3O^+\left(aq\right)$

$K_a\left(HA\right)=\frac{\left[A^-\right]\left[H_3O^+\right]}{\left[HA\right]}=\left[H_3O^+\right]$

(Hapon ja vastinemäksen konsentraatiot voidaan supostaa pois, koska ne ovat yhtä suuret)

MAOL s.139:

$pH=-\log\left[H_3O^+\right]$

Tästä ratkaistuna:

$\left[H_3O^+\right]=10^{-pH}$

Koska siis titrauksen puoless välissä pH oli noin 4,65, niin

$\left[H_3O^+\right]=10^{-4{,}65}=2{,}238\cdot10^{-5}\approx2{,}2\cdot10^{-5}=K_a\left(HA\right)$

Taulukkokirjan perusteella lähimpänä tätä arvoa on etikkahapon happovakio:

$K_a\left(CH_3COOH\right)=1{,}8\cdot10^{-5}\left(\frac{mol}{dm^3}\right)$

Titrattava happo voisi olla tämän perusteella etikkahappoa.

Liuokselle voidaan määritää myös pOH-arvo:

$pOH=-\log\left[OH^-\right]$

Tästä saaadaan edellä mainitulla tavalla:

$\left[OH^-\right]=10^{-pOH}$

Lisäksi:

$pH+pOH=14{,}00$

4.2

Esim. 100 ml:n suolahapponäyte titrattiin 0,10 M NaOH-liuoksella. Titauksessa Natriumhydroksidia kului 20,8 ml. Laske tämän suolahappoliuoksen konsentraatio.

$HCl\left(aq\right)+NaOH\left(aq\right)\rightarrow NaCl\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)$

Lasketaan kulunen natriumhydroksidin ainemäärä

$e\left(NaOH\right)=0{,}10\ \frac{mol}{l}$

$V\left(NaOH\right)=20{,}8\ ml=0{,}0208\ l$
$c=\frac{n}{V}\ \Leftrightarrow\ n=c\cdot V$
$n\left(NaOH\right)=0{,}10\ \frac{mol}{l}\cdot0{,}0208\ l=0{,}00208\ mol$

Kertoimen perusteella

$n\left(HCl\right)=n\left(NaOH\right)=0{,}00208\ mol$

Koska suolahappoliuoksen tilavuus oli 100 ml=0,100 l:

$c\left(HCl\right)=\frac{0{,}00208\ mol}{0{,}100\ l}=0{,}0208\ \frac{mol}{l}\approx0{,}21\ \frac{mol}{l}$