Kemi A/Syrabasreaktioner

Föregående: Reaktionsformler	Upp: Kemi A	Nästa: Oxidation och reduktion
Formelsamling/Kemi	Övningar	Facit

Kemi A - Syrabasreaktioner

Syror och baser är ämnen som motverkar varandra och som finns överallt i naturen. För allt levande i naturen är det viktigt att balansen är den rätta mellan sura och basiska ämnen. Under modern tid har denna balans satts ur spel och det är först på senare tid som vi människor har börjat ta tag i problemet genom att kalka försurade sjöar och skogar och försöka minska på utsläppen av svavel, som är den viktigaste orsaken till försurningen.

I avsnittet Kemisk bindning behandlades hur elektronövergångar gör att det bildas joner, laddade partiklar. I det här avsnittet ska vi se att joner även kan bildas vid protonövergångar, dvs då en positivt laddad vätejon, H⁺, vandrar från ett ämne, kallat syra, till ett annat, kallat bas. En sådan protonövergång kallas för protolys och de reagerande ämnen, syrorna och baserna, kallas för protolyter. Den omvända reaktionen, då en proton går från en syra eller en bas varpå ämnena neutraliseras kallas neutralisation.

Syror

Gemensamt för alla syror är att de innehåller partiklar som kan ge ifrån sig protoner - syror kallas protongivare. Både det ämne som före reaktionen med vatten kan avge en vätejon, H⁺, och den vattenlösning som efter reaktionen har upptagit vätejonen - som alltså innehåller oxoniumjoner, H₃O⁺ - brukar kallas för syror. Det kan vara förvirrande i vissa sammanhang men vilken betydelse som avses brukar framgå av sammanhanget.

Syror känns igen på sin sura smak. Men de har också andra egenskaper gemensamma. De reagerar lätt med oädla metaller som magnesium, aluminium, zink och järn och bildar vid reaktion metalloxider och vätgas.

Bild: Kalottmodell: Varken väteklorid eller vatten leder ström.

Bild: Kalottmodell: Väteklorid löst i vatten leder ström.

Varken väteklorid eller vatten leder ström var för sig. Men när de reagerar med varandra händer något.

Bild: Kalottmodell: H₂O + HCl	$\rightarrow$	Bild: Kalottmodell: H₃O⁺ + Cl^-
Elektronformel: H₂O + HCl	$\rightarrow$	Elektronformel: H₃O⁺ + Cl^-
H₂O + HCl	$\rightarrow$	H₃O⁺ + Cl^-
...

Väteklorid, HCl, är ett exempel på en syra. För sig själv leder den inte elektricitet vilket inte heller vatten gör. När man blandar dem sker emellertid en kemisk reaktion där joner bildas vilket gör att elektronerna kan vandra genom lösningen. Reaktionen mellan väteklorid och vatten kan beskrivas så att en en proton, H⁺, vandrar från vätekloridmolekylen, HCl till vattenmolekylen varpå en oxoniumjon, H₃O⁺, bildas.

En syras förmåga att leda ström beror på oxoniumjonen, H₃O⁺ som uppstår når syran reagerar med vatten.

+motsvarande för t.ex. ättiksyra

Starka och svaga syror

När väteklorid löses i vatten avger alla vätekloridmolekyler protoner till vattenmolekylerna och lösningen som bildas, kallad saltsyra, innehåller nästan enbart oxoniumjoner och kloridjoner. Detta gör att saltsyra leder ström mycket bra; en egenskap som utmärker starka syror.

När ättiksyra reagerar med vatten är det bara omkring 1% av ättiksyramolikylerna som avger protoner till vattenmolekylerna. Ättiksyra har alltså egenskaper som svaga syror har. Detsamma gäller för t.ex. de flesta fruktsyrorna.

En stark syra reagerar alltså starkt och en svag syra svagt i kontakt med vatten.

Vanliga syror

Syror har många egenskaper gemensamt men det är bra att känna till de vanligaste syrornas egenskaper.

Namn	Kemisk formel	Aggregationsform i rumstemperatur	Reagerar lätt med	Namn på salter	Övriga egenskaper
Väteklorid eller Saltsyra	HCl	Färglös gas	Oädla metaller som zink, aluminium, järn	Klorider: t.ex. zinkklorid, ZnCl₂, magnesiumklorid, MgCl₂ och aluminiumklorid, AlCl₂
Svavelsyra	H₂SO₄	Färglös vätska	De flesta ämnen (i koncentrerad form)	Sulfater: t.ex. kaliumsulfat, K₂SO₄, kopparsulfat, CuSO₄ Vätesulfater: t.ex.natriumvätesulfat, NaHSO₄, kalciumvätesulfat, Ca(HSO₄)₂	Starkt frätande
Salpetersyra	HNO₃	Färglös vätska	De flesta ämnen, inte guld och platina	Nitrater: t.ex. kaliumnitrat, KNO₃, silvernitrat, AgNO₃, och bariumnitrat, Ba(NO₃)₂	Mycket starkt frätande
Ättiksyra	HAc (egentligen CH₃COOH)*	Färglös vätska	Organiska ämnen (?)	Acetater: t.ex. natriumacetat, NaAc, och bariumacetat, BaAc₂	Vanlig i matlagning
Kolsyra	H₂CO₃	Gas (bildas bara i kontakt med vatten)		Karbonater: t.ex. natriumkarbonat (soda), Na₂CO₃, kalciumkarbonat (marmor och kalksten), CaCO₃ Vätekarbonater: t.ex. natriumvätekarbonat (bikarbonat), NaHCO₃ och kalciumvätekarbonat, Ca(HCO₃)₂

När man skriver kemiska formler utelämnar man ofta de joner som inte ingår i reaktionen. man skriver alltså ofta H⁺ isället för H₃O⁺. I fallet ättiksyra ersätter man istället den långa beteckningen med förkortningen HAc som alltså betyder CH₃COOH.

Baser

Baser är sådana ämnen som innehåller partiklar som kan uppta protoner - baser kallas för protontagare. Precis som med syrorna kallas även vattenlösningarna efter en basisk reaktion - som alltså innehåller hydroxidjoner, OH^-, för baser.

Exempel

ammoniak & heptan leder inte ström

ammoniak & vatten leder ström

Ammoniakmolekylen tar emot en proton från vattenmolekylen och reaktionen leder alltså till att två laddade partiklar bildas: ammoniumjoner, NH₄⁺, och hydroxidjoner, OH^-. Det är det fria elektronparet i ammoniakmolekylen som binder protonen till molekylen.

+natriumhydroxid löses i vatten

När man löser natriumhydroxid, NaOH, i vatten sker ingen protolys, dvs ingen kemisk reaktion. Natriumhydroxiden är dock en jonförening och består alltså av två laddade partiklar, Na⁺ och OH^-. I kontakt med vatten löses jonbindningen upp och jonerna kan röra sig fritt i vattnet. Ett basiskt ämne har alltså bildats.

Basernas förmåga att leda ström beror på hydroxidjonen, OH^-.

Starka och svaga baser

Precis som protolysen hos olika syror kan vara mer eller mindre fullständig, kan den på motsvarande sätt vara det även hos baserna. När ammoniak, NH₃, reagerar med vatten protolyseras endast 1% av ammoniakmolekylerna. Natriumhydroxid däremot reagerar kraftigt i kontakt med vatten. ammoniak kallas därför för en svag bas och natriumhydroxid för en stark bas.

Vanliga baser

Namn	Kemisk formel	Aggregationsform i rumstemperatur	Reagerar lätt med	Namn på salter	Övriga egenskaper
Natriumhydroxid (kaustiksoda)	NaOH	Vitt fast ämne.			Mycket starkt frätande
Ammoniak	NH₃	Färglös gas		Ammoniumklorid (salmiak), NH₄Cl, ammoniumnitrat, NH₄NO₃, och ammoniumsulfat, (NH₄)₂SO₄	En svag bas med karaktäristisk lukt

Syrabasindikatorer

Om man droppar citron i te gör citronsyran att teet ljusnar. Man säger att färgämnet i te fungerar som en syrabasindikator. Det finns olika syrabasindikatorer:

BTB (en förkortning för bromtymolblått) - en indikator som blir gul i sura lösningar och blå i basiska. I neutrala lösningar antar den blandfärgen grön.
Lackmuspapper - blir röd i sura lösningar och blå i basiska. I neutrala lösningar blir den violett.
Fenolftalein - en enfärgad indikator som blir röd i basiska lösningar och annars förblir färglös.

pH-skalan

pH-skalan är en logaritmisk skala. En (10-)logaritm för ett visst tal är vad man ska upphöja tio med för att få just det talet. Logaritmen för 10 är alltså 1 (10¹ = 10), logaritmen för 100 är 2 (10² = 100) och logaritmen för 5 är ungefär 0,699 (10^0.699 = 5).

Ett pH värde är detsamma som den negativa logaritmen för vätejonskoncentrationen, vilket skrivs:

pH = -log [H⁺]

En 0,1 molar saltsyralösning, får, eftersom saltsyra protolyseras till ~100% följande pH:

pH = -log 0,1 = -(-1) = 1

Neutralisation

Om man låter en bas reagera med en syra reagerar hydroxidjonerna, OH^-, med oxoniumjonerna, H₃O⁺ så att vatten, H₂O, bildas. Detta kallas för neutralisation.

Vid neutralisation bildas ett salt.

Neutralisation sker ofta genom titrering och en syrabasindikator så att en bas droppvis tillsätts till en syra till dess indikatorn visar neutralfärg.

Autoprotolys

Som vi sett kan vatten både uppta och avge protoner, vatten fungerar både som syra och som bas. Ämnen med denna egenskap kallas amfolyter.

Borde inte vatten i så fall reagera med sig självt? Jo, vatten reagerar faktiskt med sig självt, men bara i mycket liten omfattning. Med specialutrustning kan man mäta mycket svaga strömmar även i destillerat vatten. Det är alltså hydroxid- och oxoniumjoner i vattnet som gör att elektronerna kan ta sig fram. Eftersom det finns mycket få joner i rent vatten blir strömmen mycket svag. Denna förmåga att reagera med sig självt kallas vattnets autoprotolys.

En syrabasindikator indikerar att destillerat vatten är neutralt och det finns alltså lika många hydroxidjoner som oxoniumjoner i vatten. Faktiskt är det så att syrabasindikatorer indikerar balansen mellan hydroxid- och oxoniumjoner. Sur lösningar har alltså ett överskott på oxoniumjoner och basiska lösningar har ett överskott på hydroxidjoner. Rent vatten är neutralt eftersom dess autoprotolys uppvägs av den neutralisation som också äger rum i vatten.

Buffertlösningar

... Mjölk är en buffertlösning. Vad den gör är att den minskar de stora svängningarna som en syra eller en bas har på ett ämne. Till exempel om man häller HCl med c=0,01 mol/dm3 i mjölk (som är en buffertlösning) ändras ph ca 0,1 steg på pH-skalan. Om vi motsatt skulle hälla i NaOH c=0,01 mol/dm3, skulle lösningen ändras med 0,1 på pH-skalan. Man kan sedan jämföra detta med om det hade varit vatten (som inte är en buffertlösning)då halterna hade stigit/sjunkit till 11 resp. 3 på pH-skalan.

Sammanfattning

Partiklar som kan avge en vätejon (proton) kallas för syra.
Partiklar som kan uppta en vätejon (proton) kallas för bas.
En process som leder till en protonövergång kallas för protolys.
Syror och baser kallas för protolyter.
Syrornas egenskaper beror på oxoniumjonen (vätejonen), H₃O⁺.
Syror har sur smak.
Syror lösta i vatten leder elektrisk ström.
Syror reagerar lätt med oädla metaller.
Starka syror avger de flesta protonerna, svaga syror bara några få.
Basernas egenskaper beror på hydroxidjonen, OH^-.