3 Acidobazické reakce Bro/nstedova teorie 1. Uveďte explicitní definice podle Bro/nstedovy teorie. Kyselina je ………………………………………………….......................................................... Báze je ………………………………………………………........................................................ Konjugovaný pár je …………………………………………........................................................ 2. Doplňte tabulku a pojmenujte všechny sloučeniny. +--------------------------------------------------------------------------------------------+ |Kyselina |Konjugovaná báze |Báze |Konjugovaná kyselina | |----------------------+----------------------+------------------------+---------------------| |H[2]O |………………… |H[2]O |………………… | | | | | | |H[2]S |………………… |OH^- |………………… | | | | | | |HCl |………………… |O^2- |………………… | | | | | | |H[3]PO[4 |………………… |HS^- |………………… | | | | | | |]H[2]PO[4]^- |………………… |NH[3 |………………… | | | | | | |HClO |………………… |]CO[3]^2- |………………… | | | | | | |H[3]O^+ |………………… |PO[4]^3- |………………… | | | | | | |R[2]NH[2]^+ |………………… |R-NH[2 |………………… | | | | | | |[Al(H[2]O)[6]]^3+ |………………… |]CH[3]-COO^- |………………… | | | | | | |R-SO[3]H |………………… |(●) guanidin^a |………………… | | | | | | |C[6]H[5]-OH |………………… |(●) imidazol^a |………………… | | | | | | |mléčná kyselina^a |………………… |(●) pyrrolidin^a |………………… | | | | | | |salicylová kyselina^a |………………… |(●) pyridin^a |………………… | +--------------------------------------------------------------------------------------------+ ^a Vyjádřete strukturním vzorcem. Příklady silných kyselin +----------------------------------------------------------------+ | HCl, HBr, HI, H[2]SO[4], HNO[3], HClO[4], R-SO[3]H, R-O-SO[3]H| +----------------------------------------------------------------+ 3. Pojmenujte uvedené silné kyseliny. 4. Zapište rovnici, která vystihuje chování silné kyseliny HA ve vodě. 5. (*) Může být silnou kyselinou i karboxylová kyselina? Příklady slabých anorganických a organických kyselin a jejich pK[A] hodnot (25 °C) +--------------------------------------------------------------------------------------------+ |Kyselina |pK[A |Kyselina |pK[A | |-----------------------+----------------------+----------------------+----------------------| |HOOC-COOH |]1,25; 4,29 |H[2]CO[3 |]6,35; 10,33 | | | | | | |HNO[2 |3,35 |]H[2]S |7,07; 12,20 | | | | | | |]HCOOH |3,75 |NH[4]^+ |9,25 | | | | | | |H[3]PO[4 |2,16; 7,20; 12,29 |C[6]H[5]-OH |9,98 | | | | | | |]CH[3]COOH |4,76 |HOOC-CH[2]-NH[3]^+ |2,35; 10,00 | | | | | | |[Al(H[2]O)[6]]^3+ |5,00 |(NH[2])[2]C=NH[2]^+ |13,50 | +--------------------------------------------------------------------------------------------+ 6. Zapište rovnici, která vystihuje chování slabé kyseliny HA ve vodě. 7. Které jsou tři nejslabší kyseliny v tabulce? Zvažte i různé stupně disociace. 8. (*) Vypočtěte pK[A] vody. 9. (●) Některé organické kyseliny nemají karboxylovou skupinu a přesto jsou zřetelně kyselé (viz tabulka). Popište jejich strukturu a vysvětlete, co je příčinou jejich kyselého charakteru. +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ |Kyselina |Chemický název |pK[A | |-------------------+-----------------------------------------------------------+------------------| |Pikrová |………………………………………………………....................... |]0,40 | | | | | |L-Askorbová |………………………………………………………...................... |4,17; 11,57 | | | | | |Močová |………………………………………………………...................... |5,40; 10,30 | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ Příklady silných hydroxidů +--------------------------------------------------------+ |NaOH, KOH, Mg(OH)[2], Ca(OH)[2], Ba(OH)[2], NR[4]^+ OH^-| +--------------------------------------------------------+ 10. Zapište rovnici, která vystihuje chování silného hydroxidu ve vodě. 11. Tvrzení „Hydroxid sodný je silná báze“ není správné z hlediska Bro/nstedovy teorie. Vysvětlete a uveďte korektní formulaci. Příklady slabých dusíkatých bází a jejich pK[B] hodnot (25 °C) +--------------------------------------------------------------------------------------------+ |Báze |pK[B |Báze |pK[B | |-----------------------+----------------------+----------------------+----------------------| |Guanidin |]0,50 |Imidazol |] 6,90 | | | | | | |Pyrrolidin |2,70 |Papaverin | 8,00 | | | | | | |Methylamin |3,36 |Pyridin | 8,82 | | | | | | |Efedrin |4,64 |Anilin | 9,38 | | | | | | |Amoniak |4,75 |Difenylamin |13,20 | | | | | | |Kodein |6,05 |Kofein |13,40 | +--------------------------------------------------------------------------------------------+ 12. Zapište rovnici, která vystihuje chování slabé báze B ve vodě. Uveďte konkrétní reakce pro methylamin a pyridin. 13. Které z uvedených aniontů prakticky nemají bazické vlastnosti? Vysvětlete proč. OH^-, Cl^-, H[2]PO[4]^-, CO[3]^2-, CH[3]-O-SO[2]-O^-, Br^-, SO[4]^2-, NO[3]^-. 14. Z uvedených dvojic vyberte silnější bázi (využijte hodnot pK[A] na předchozí straně) a) HCO[3]^-, HPO[4]^2- b) OH^-, SH^- c) HCOO^-, CH[3]COO^-. Výpočty pH 15. Doplňte chybějící vztahy: +--------------------------------------------------------------------------------------------+ | |pK[A] + pK[B] (konjug. pár) = 14 | |K[v] = .................... (20 -oC)| | | |pH (silná kyselina) = - log c[A | |pK[v] = 14 (20 -oC) | | | |]pH (silný hydroxid) = | |pH = - log [H^+] |................................ | | | | |pOH = - log [OH^-] |pH (slabá kyselina) = 1/2 pK[A] - 1/2 log c[A | | | | |pH + pOH = 14 |]pH (slabá báze) = | | |....................................... | +--------------------------------------------------------------------------------------------+ +--------------------------------------------------------------------------------------------+ |Příklad. Vypočtěte pH roztoku H[2]SO[4] (0,001 mol/l). | | | |Kyselina sírová je dvojsytná kyselina a silný elektrolyt. Za předpokladu úplné disociace do | |obou stupňů platí, že jeden mol H[2]SO[4] poskytne dva moly protonů. | | | |pH = - log [H^+] = - log (2 c[A]) = - log (2 . 0,001) = 2,7 | +--------------------------------------------------------------------------------------------+ +----------------------------------------------------------------------------+ |Příklad. Vypočtěte koncentraci roztoku NaOH, jestliže pH = 11. | | | |NaOH je silný hydroxid (elektrolyt) a proto pOH = -log [OH^-] = -log [NaOH].| | | |Z toho plyne: [NaOH] = 10^-pOH = 10^-3 = 0,001 mol/l = 1 mmol/l. | +----------------------------------------------------------------------------+ +-------------------------------------------------------------------------------------+ |Příklad. Jaké je pH roztoku octové kyseliny o koncentraci 0,1 mol/l? | | | |pH = 1/2 pK[A] - 1/2 log c[A] = 1/2 4,76 - 1/2 log 0,1 = 2,38 - (-0,5) = | |2,88 | +-------------------------------------------------------------------------------------+ 16. Vypočtěte pH roztoku, jestliže koncentrace vodíkových iontů je: a) 64 mmol/l b) 320 nmol/l c) 8. 10^-6 mol/l. 17. Jaká je koncentrace hydroxidových iontů, jestliže pH roztoku je a) 8,3 b) 10,8 c) 12,7 ? 18. Vypočtěte pH roztoku: a) HCl, c = 20 mmol/l b) HNO[3], c = 50 mmol/l c) octové kyseliny, c = 0,04 mol/l. 19. Roztok kyseliny dusité (0,01 mol/l) má pH 2,65. Vypočtěte disociační konstantu. 20. Vypočtěte pH roztoku: a) NaOH (1 g/l) b) Ca(OH)[2] (100 mg/l) c) 0,25% HCl d) 0,05% H[2]SO[4 ]21. Vypočtěte koncentraci kyseliny (hydroxidu) v roztoku: a) HCl, pH = 3,5 b) NaOH, pH = 12 c) Ca(OH)[2], pH = 12 d) HNO[3], pH = 1,7 e) H[2]SO[4], pH = 3 f) CH[3]COOH, pH = 3,7 22. Vypočtěte koncentraci roztoku amoniaku o pH = 11. Hydrolýza solí 23. Vysvětlete pojmy: a) disociace soli b) hydrolýza iontu 24. Proč některé soli podléhají ve vodném roztoku hydrolýze a jiné nikoliv? 25. Vyberte správnou odpověd: při hydrolýze kationtu vzniká vždy a) H[3]O^+ b) OH^-. 26. Jakou reakci budou mít vodné roztoky těchto solí: CuCl[2], NH[4]NO[3], KHCO[3], CH[3]NH[3]Cl, NaCN, BaCl[2], MgSO[4], FeSO[4], AlCl[3], CH[3](CH[2])[16]COONa, Ca(H[2]PO[4])[2], C[6]H[5]ONa. 27. Která z uvedených solí bude mít neutrální reakci ve vodném roztoku: NaNO[3], NaNO[2], KCl, KCN, CaCl[2], Ca(H[2]PO[4])[2], NH[4]Cl, KClO[3], CH[3]CH[2]-O-SO[3]Na, CH[3]CH[2]-COONa, CH[3]CH[2]-SO[3]Na. pH = pK[A] + log Pufry 28. Uveďte obecnou definici pufru. 29. Uveďte příklady běžně používaných pufrů. 30. Vysvětlete vztah na výpočet pH pufru. 31. Co je to kapacita pufru a na čem závisí? 32. Z uvedených dvojic vyberte ty, které mohou tvořit pufr: a) HCl + NaOH b) HCl + NaCl c) H[2]CO[3] + KHCO[3] d) NH[3] + NH[4]Cl e) Na[2]CO[3] + NaHCO[3] f) HCOOH + HCOONa g) CH[3]NH[2] + CH[3]NH[3]Cl h) Ca(OH)[2] + Ca(ClO)[2] i) NaNO[3] + NaCl k) HOOC-CH[2]-NH[3]Cl + NaOOC-CH[2]-NH[3]Cl 33. Která složka pufru NaH[2]PO[4] + Na[2]HPO[4] bude reagovat s přidanou kyselinou chlorovodíkovou? Vyjádřete děj rovnicí. 34. Vyjádřete rovnicí reakci, která nastane po přidání NaOH do octanového pufru. 35. Jak byste připravili roztok pufru o pH = pK[A], máte-li k dispozici roztok slabé kyseliny (R-COOH) o známé koncentraci, pevný KOH, odměrné nádoby a váhy? 36. Pro určitou úlohu v praktickém cvičení potřebujete upravit pH vzorku vody na hodnotu pH = 4. Který z následujících pufrů můžete použít: a) borátový (H[3]BO[3] + Na[2]B[4]O[7], pK[A] = 9,24) b) acetátový (CH[3]COOH + CH[3]COONa, pK[A] = 4,76) c) fosfátový (NaH[2]PO[4] + Na[2]HPO[4], pK[A] = 7,20) Jak daný pufr připravíte? 37. Vypočtěte pH roztoku, který vznikne smícháním 2 ml roztoku octové kyseliny (0,1 mol/l) a 6 ml roztoku octanu sodného (0,1 mol/l). 38. Vypočtěte pH pufru, který byl připraven smícháním stejných objemů roztoků NaH[2]PO[4] (0,2 mol/l) a Na[2]HPO[4] (0,6 mol/l). 39. Vypočtěte poměr objemů roztoků Na[3]PO[4] a Na[2]HPO[4] (koncentrace obou je 0,25 mol/l), který je třeba zvolit na přípravu pufru o pH = 10,9. Pufrační systémy v krvi +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ |Pufrační systém | Zastoupení | Pufrační báze |Pufrační kyselina|pK[A] pufr. kyseliny| |---------------------+------------------+------------------+-----------------+--------------------| |Hydrogenuhličitanový | 50 % | HCO[3]^- | H[2]CO[3], CO[2 | 6,1 | | | | | | | |Proteiny^a | 45 % | Protein-His |]Protein-His-H^+ | 6,0-8,0^b | | | | | | | |Hydrogenfosfátový | 5 % | HPO[4]^2- | H[2]PO[4]^- | 6,8 | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ ^a V krevní plazmě hlavně albumin, v erytrocytech hemoglobin. ^b Výrazně závisí na typu bílkoviny. 40. Vysvětlete, jakou funkci mají pufrační systémy v živém organismu. 41. Uveďte nejdůležitější pufry v extracelulární tekutině. CO[2] + H[2]O D H[2]CO[3] D H^+ + HCO[3]^- Hydrogenuhličitanový pufr 42. Vysvětlete rovnováhy mezi složkami hydrogenuhličitanového pufru. Který děj v lidském těle je největším producentem CO[2] ? 43. Která složka hydrogenuhličitanového pufru je pufrační báze? 44. Které dvě sloučeniny představují kyselou složku pufru? 45. Napište Hendersonovu-Hasselbalchovu rovnici pro hydrogenuhličitanový pufr. 46. Jakým způsobem se v praxi vyjadřuje koncentrace kyselé složky hydrogenuhličitanového pufru? (●) Bílkoviny jako pufry [viz také kapitola 13] 47. Vysvětlete, proč mohou molekuly bílkovin působit jako pufry (při různých hodnotách pH). 48. Doplňte kyselé a protonizované bazické skupiny v postranních řetězcích aminokyselin: +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ |Aminokyselina: | Asp | Glu | His | Cys | Tyr | Lys | Arg | | | | | | | | | | |Název skupiny: | …………. | …………. | …………. | …………. | …………. | …………. | …………. | | | | | | | | | | |Vzorec skupiny: | …………. | …………. | …………. | …………. | …………. | …………. | …………. | | | | | | | | | | |pK[A] skupiny: | 3,9 | 4,3 | 6,0 | 8,3 | 10,1 | 10,5 | 12,5 | +--------------------------------------------------------------------------------------------------+ 49. Které aminokyseliny se mohou podílet na pufračním účinku bílkovin při pH 7,4 ? Příklady – Pufrační systémy v organismu 50. Jakému parciálnímu tlaku CO[2] odpovídá pH krve 7,30 při koncentraci HCO[3]^- 20 mmol/l? 51. Vypočítejte poměr obou složek hydrogenuhličitanového pufru při pH krve 7,40. 52. Vypočítejte, jaký je poměr koncentrace hydrogenfosfátů [pK[A] (H[2]PO[4]^-) = 6,8] a) v krevní plazmě při pH 7,40 b) v moči při pH 4,8. (*) Kyseliny v lidském organismu 53. Doplňte názvy kyselin v následujících tvrzeních. a. Při práci „na kyslíkový dluh“ se ve svalové tkáni hromadí ………………....……....... kyselina. b. Při dlouhodobém hladovění se v těle zvyšuje produkce kyseliny …………….......................... a kyseliny ...............…………................. c. Při otravě methanolem vzniká závažná metabolická acidóza způsobená relativně silnou kyselinou ……............................ d. Užívání vysokých dávek vitaminu C není zdraví prospěšné, protože je v těle zvýšeně odbouráván na nežádoucí kyselinu .....……………………........................... e. Při těžkých katabolických stavech (nadměrném rozpadu velkého množství buněk) se zvyšuje endogenní tvorba omezeně rozpustné kyseliny .......................................................... f. Vysoký příjem bílkovin v potravě vede k okyselování extracelulární tekutiny a moče v důsledku zvýšené produkce H^+ disociovaných ze silné kyseliny .........................................., která vzniká katabolismem .................kyseliny ................................................ 3 Acidobazické reakce 8. K[A] (H[2]O) = 10^-14 / 55,55 = 1,8·10^-16 TH pK[A] (H[2]O) = 15,75 Výpočty pH 16. a) 1,2 b) 6,5 c) 5,1 17. a) 2 mmol/l b) 0,63 mmol/l c) 50 mmol/l 18. a) 1,7 b) 4,3 c) 3,08 19. 5·10^-4 20. a) 12,4 b) 11,4 c) 1,2 d) 2 21. a) 3,2·10^-4 mol/l b) 10 mmol/l c) 5 mmol/l d) 20 mmol/l e) 5·10^-4 mol/l f) 2 mmol/l 22. 56 mmol/l Pufry 37. 5,24 38. 7,68 39. 1:25 Pufrační systémy v organismu 50. 5,5 kPa 51. [HCO[3]^-] : [H[2]CO[3]+CO[2]] = 20:1 52. a) [HPO[4]^2-] : [H[2]PO[4]^-] = 4:1 b) [HPO[4]^2-] : [H[2]PO[4]^-] = 1:100