1 Kyseliny Andreas Libau (Libavius) (1540-1616) Gerber - příprava z H2SO4 a solí: HNO3, HCl a aqua regia, izolace kyseliny citronové, octové a vinné Libavius - příprava HCl a aqua regia (rozpouští Au) Chemická látka produkovaná na světě v největším množství za rok: H2SO4 Gerber - Jabir ibn Hayyan (721-815) 2 Kyseliny R. Boyle (1627 - 1691): Změny barvy lakmusu L. Lavoisier (1743-1794) : Oxygenium = kyselinotvorný Oxidy nekovů reagují s vodou na kyseliny H. Davy (1779-1829) J. Liebig (1803-1873) Při reakci kyselin s kovy se uvolňuje vodík = H určuje kyselé vlastnosti 3 Arrheniova teorie kyselin a zásad Svante Arrhenius (1859-1927) Kyseliny: Chutnají kysele Uvolňují H+ ve vodném roztoku Reagují s kovy (neušlechtilými) za vývoje H2 K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb Barví lakmus červeně (R. Boyle) Neutralizují baze Baze: Chutnají hořce Uvolňují OH− ve vodném roztoku Barví lakmus modře Neutralizují kyseliny 4 Červené zelí - změna barvy Kyselé prostředí Alkalické prostředí 5 Silné a slabé kyseliny podle Arrhenia Silné kyseliny: zcela ionizované ve vodě (disociace 100%) HNO3 → H+ (aq) + NO3 - (aq) HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, HI, HBr, HClO3, HBrO3, ..... Slabé kyseliny : částečně ionizované ve vodě (0% < disoc. stupeň <100%) CH3CO2H H+ (aq) + CH3CO2 - (aq) Organické kyseliny, H2CO3, H3BO3, H3PO4, H2S, H2SO3, ... 6 Silné baze podle Arrhenia Silné baze: zcela ionizované ve vodě (disociace 100%) : KOH(s) → K+ (aq) + OH- (aq) Hydroxidy alkalických kovů, kovů alkalických zemin, další rozpustné hydroxidy Slabé baze: slabé Arrheniovské baze neexistují 7 Brønsted - Lowryho kyseliny a zásady Širší definice, není omezena na vodné prostředí Kyselina = donor protonu = Arrheniova kyselina Baze = akceptor protonu 8 Proton H+ H+ hydronium H3O+ oxonium Grotthusův mechanismus – extrémně rychlý pohyb H+ ve srovnání s jinými kationty H9O4 + = [H3O(H2O)3]+ M. Eigen doba života H3O+ 1 - 4 ps [H3O(H2O)20]+ Protonace rozpouštědla (S) je exothermní H+ + n S → H(S)n + ΔH < 0 9 Vysoká mobilita protonu H+ Grotthusův mechanismus Proton se neputuje prostředím Molekuly vody si předávají sousední protony přes H-můstky[H3O]+ 10 Bronsted - Lowryho silné a slabé kyseliny HSO4 - (aq) + H2O H3O+(aq) + SO4 2-(aq) Rovnovážná konstanta disociace protonu = ionizační (disociační) konstanta kyseliny = konstanta kyselosti KC = [H3O+] [SO4 2-] / [HSO4 -] [H2O] [H2O] ~ 55.6 M Ka = [H3O+] [SO4 2-] / [HSO4 -] [ ][ ] [ ]− −+ = 4 2 43 . HSO SOOH Ka pKa = −log Ka voda je reagent i rozpouštědlo 11 Síla kyselin pKa = −log Ka −7HCl 3.2HF −1.75H3O+ 15.57H2O 12.4CF3CH2OH 10.0PhOH 9.2NH4 + 9.1HCN 4.75CH3COOH −10HClO4 15 – 18ROH 35NH3 pKaKyselina HA (aq) + H2O H3O+(aq) + A-(aq) Síla kyseliny roste Silné kyseliny pKa záporné [ ][ ] [ ]HA AOH Ka −+ = .3 Slabé kyseliny pKa kladné NH3 + H2O H3O+(aq) + NH2 -(aq) 12 Síla kyselin a ΔG ΔG = −RT ln Ka = 2.3 RT pKa HA (aq) + H2O H3O+(aq) + A-(aq) Ka = [H3O+] [A-] / [HA] pKa = −log Ka > 1 < 1 Ka ΔGpKa < 0< 0Silná kyselina > 0> 0Slabá kyselina [ ][ ] [ ]HA AOH Ka −+ = .3 13 Bronsted - Lowryho silné báze NH3 + H2O H3O+ + NH2 pKa (NH3) > pKa(H2O) CaO + H2O → Ca(OH)2 14 Bronsted - Lowryho slabé baze NH3(aq) + H2O NH4 +(aq) + OH− (aq) K = [NH4 +] [OH- ] / [NH3] [H2O] Kb = [NH4 +] [OH- ] / [NH3] konstanta bazicity pKb = −log Kb Rovnovážná konstanta protonace baze vodou = ionizační (disociační) konstanta baze = konstanta bazicity 15 Bronsted - Lowryho slabé baze Methylamin CH3NH2 + H2O CH3NH3 + + OH- 4 23 33 104.4 ][ ]][[ − −+ == x NHCH OHNHCH Kb pKb = −logKb 16 Lewisovy kyseliny a zásady R N R R + F B FF R N R R F B F F Lewisova baze Lewisova kyselina Lewisova kyselina – akceptor elektronového páru Lewisova baze – donor elektronového páru 17 Bronsted – Lowryho nebo Lewisova kyselina ? H2SO4 HClO4 H3BO3 + H2O → B(OH)4 − + H+ 18 Konjugované páry kyselin a bazí H2O(l) + H2SO4(aq) H3O+(aq) + HSO4 -(aq) Silná kyselina Slabá baze Kyselina Konjugovaná baze Baze Konjugovaná kyselina Silná baze Slabá kyselina Konjugovaný pár kyseliny a baze je svázán výměnou protonu 19 Konjugované páry kyselin a bazí CN- (aq) + H2O HCN(aq) + OH-(aq) Báze Konjugovaná kyselina Slabá báze Silná kyselina Slabá kyselina Silná báze Kyselina Konjugovaná báze 20 Acidobazické vlastnosti vody Voda je amfoterní – chová se jako kyselina i báze 2 H2O(l) H3O+(aq) + OH-(aq) Autoionizace vody Voda je velmi slabý elektrolyt H2O(l) H+(aq) + OH-(aq) KC = [H+][OH-] / [H2O]2 Kw = [H+][OH-] Kw = iontový součin vody Kw = 1 10-14 M2 [H+] = [OH-] = 1 10-7 M pKw = 14 v čisté vodě při 25 °C a 101.325 kPa 21 Stupnice pH a pOH pH = − log [H+] [OH-] = 1 10-7 M pOH = − log [1 10-7 ] pOH = 7 [H+] = 1 10-7 M pH = − log [1 10-7 ] pH = 7 V čisté vodě [H+][OH-] = Kw pH + pOH = pKW = 14.00 Konstanta pro vodné roztoky (Iontový součin vody) pH < 7 Roztok je kyselý pH = 7 Roztok je neutrální pH > 7 Roztok je bazický 1909 S. P. L. Sørensen vaření piva 22 pH a pOH stupnice pH pOH [H+] M [OH-] M 0 14 1.0 10-14 2 12 0.01 10-12 4 10 0.0001 10-10 6 8 10-6 10-8 8 6 10-8 10-6 10 4 10-10 0.0001 12 2 10-12 0.01 14 0 10-14 1.0 23 pH a pOH stupnice [H+] [OH-] pH Roztok je kyselý Roztok je bazický 10-14 Koncentrace,M 24 Neutralizace H+ + OH- → H2O ΔH = − 56.9 kJ mol−1 H2SO4 + 2 KOH → 2 H2O + K2SO4 H3PO4 + 3 NaOH → 3 H2O + Na3PO4 2 HCl + Mg(OH)2 → 2 H2O + MgCl2 HCl + NaHCO3 → H2O + NaCl + CO2 H3O+(aq) + OH-(aq) → 2 H2O(l) k = 1.4 1011 2 H2O(l) → H3O+(aq) + OH-(aq) k = 2.5 10−5 25 Ka a Kb konjugovaného páru NH3(aq) + H2O NH4 + (aq) + OH- (aq) Kb = [NH4 +] [OH- ] / [NH3] konstanta bazicity NH3 NH4 +(aq) + H2O H3O+ (aq) + NH3(aq) Kw = [H+][OH-] iontový součin vody Ka = [H3O+] [NH3] / [NH4 +] konstanta kyselosti NH4 + Ka × Kb = [H3O+] [NH3] / [NH4 +] × [NH4 +] [OH- ] / [NH3] = Kw Ka × Kb = Kw 26 Ka a Kb konjugovaného páru ]][[ ][ ]][[ ][ ]][[ 23 33 33 23 +− −+ + + = = = HOHK NHCH OHNHCH K NHCH NHCHH K w b a Vztah mezi Ka a Kb CH3NH3 + CH3NH2 + H+ CH3NH2 + H2O CH3NH3 + + OHH2O H+ + OHKa × Kb = Kw pKa + pKb = 14 27 Ka a Kw vody Autoionizace vody 2 H2O(l) H3O+(aq) + OH-(aq) KC = [H3O+] [OH-] / [H2O]2 Kw = [H3O+] [OH-] iontový součin vody pKw = 14 Ka = [H3O+] [OH-] / [H2O] = Kw / [H2O] konstanta kyselosti pKa = 15.74 [H2O] = 55.6 mol l−1 Voda je slabá kyselina 28 Ka oxoniového kationtu H3O+(aq) H3O+(aq) + H2O(l) H2O(l) + H3O+(aq) KC = [H3O+] [H2O] / [H3O+] [H2O] Ka = [H3O+] [H2O] / [H3O+] = [H2O] = 55.6 mol l−1 pKa = − 1.75 Oxoniový kation je silná kyselina 29 pKa kyselin Sílakyselinyroste HA (aq) H+(aq) + A-(aq) [ ][ ] [ ]HA AOH Ka −+ = .3 pKa = −log Ka pKa 30 35NH2 −NH3 15 – 18RO−ROH 15.57HO−H2O 12.4CF3CH2O−CF3CH2OH 10.0PhO−PhOH 9.2NH3NH4 + 9.1CN−HCN 4.75CH3COO−CH3COOH 3.2F −HF −1.75H2OH3O+ −7Cl −HCl −10ClO4 −HClO4 pKaKonjugovaná báze Kyselina Sílakyselinyroste Síla konjug. báze roste Ka × Kb = Kw pKa + pKb = 14 31 Reakční rovnováha Reakce je posunuta na stranu slabé kyseliny a báze Silnější kyseliny vytěsňují slabší Silnější báze vytěsňují slabší PhOH + F − PhO− + HF Slabá kys. Slabá báze Silná báze Silná kyselina Rovnováha posunuta doleva CH3COOH + NH3 CH3COO− + NH4 + Rovnováha posunuta doprava 32 Nivelizující účinek vody Kyseliny silnější než H3O+ jsou ve vodě zcela disociovány Báze silnější než HO− jsou ve vodě zcela protonovány35NH2 −NH3 15 – 18RO−ROH 15.57HO−H2O 12.4CF3CH2O−CF3CH2OH 10.0PhO−PhOH 9.2NH3NH4 + 9.1CN−HCN 4.75CH3COO−CH3COOH 3.2F −HF −1.75H2OH3O+ −7Cl −HCl −10ClO4 −HClO4 pKaKonjugovaná báze Kyselina 33 34 pH silných kyselin a bazí 0.001 M Kyselina dusičná HNO3 → H+ + NO3 [H+] = 0.001 pH = − log[0.001] = 3 0.1 M Hydroxid draselný KOH → K+ + OH[OH-] = 0.1 pOH = − log[0.1] = 1 pH = 14 − pOH = 13 1 10-9 M Kyselina chlorovodíková HCl → H+ + Cl[H+] = 1x10-9 pH = -log(1x10-9) = 9 H2O → H+ + OH- [H+] = 1 10-7 35 Koncentrace hydroxidových iontů je 6.1 10-5 M. Jaká je koncentrace [H3O+]? [H3O+] [OH-] = 1 10-14 M2 [H3O+] = 1 10-14 M2/ [OH-] = 1 10-14 M2/ [6.1 10-5 M] = 1.64 10-10 M Koncentrace [H3O+] je 5 10-12 M. Jaká je koncentrace [OH-] [H3O+] [OH-] = 1 10-14 M2 [OH-] = 1 10-14 M2/ [H3O+] = 1 10-14 M2/ [5 10-12] = 2 10-3 M pH + pOH = pKW = − log KW = 14.00 Kw = [H3O+] [OH-] 36 pH slabých kyselin 0 0 2 00 ][][ ][ ][ ][][][][ ][][ )log( ][ ]][[ HAKH HA H K cHAHHAHA AH KpK HA AH K a a HA aaa = = =≈−= = −== + + + −+ −+ HA H+ + ApH = ½ pKa − ½ log cHA Výchozí koncentrace kyseliny [H+] velmi malá u slabých kyselin pak [HA] = [HA]0 HA H+ + A- 37 HA H+ + A- )log( ][ ]][[ aaa KpK HA AH K −== −+ xx0.1 – xRovnováha xx– xZměna 000.1Počáteční HCOO-H+HCOOH 3 52 4 1012.4 107.1 1.0]1.0[107.1 ]1.0[ ]][[ − − − = = ≈−= − = xx xx xx x xx Ka 4.12 10-34.12 10-30.1 pH = − log(4.12 10-3) = 2.39 Roztok 0.1 M kyseliny mravenčí, Ka = 1.74 10-4 . Jaké je pH ? HCOOH H+ + HCOOx velmi malé pak [HA] = [HA]0 pH = ½ pKa − ½ log cHA 38 xx0.01 – xRovnováha xx– xZměna 000.01Počáteční HCOO-H+HCOOH 3 6442 642 4 1022.1 2 )1076.1(4107.1107.1 2 4 1076.1107.1 107.1 ]01.0[ ]][[ − −−− −− − = −−±− = −±− = −+ = − = xx xxx a acbb x xxxx x x xx Ka 1.22 10-31.22 10-30.01 pH = − log(1.22 10-3) = 2.9 Roztok 0.01 M kyseliny mravenčí Když x není velmi malé vůči cHA pak řešíme kvadratickou rovnici 39 Faktory určující sílu kyseliny Disociační energie vazby, D(HA) H-A → H· + ·A Ionizační energie H, IE(H) H· → H+ + e− Elektronová afinita A, EA(A) ·A + e− → A– Protonová afinita A− AP(A) H+ + A– → HA Hydratační (solvatační) enthalpie H+ + n H2O → H+ (aq) A– + n H2O → A− (aq) HA D(HA) H. + A. IE(H) H+ + e + A. EA(A) H+ + A- AP(A- ) H+ (aq) + A- (aq) ΔH solvatΔHr HA + H2O H+ (aq) + A- (aq) ΔHr 40 Faktory určující sílu kyseliny C C O OH H H C C O OCl Cl Cl H+ Me C Me Me O tBuOH pKa = 16 Slabá kyselina Nejvíce záporného náboje na O = nejvíce přitahuje H+ CH3COOH pKa = 4.75 CCl3COOH pKa = 0.52 Silná kyselina = nejméně přitahuje H+ 41 Faktory určující sílu kyseliny H C H H S O OH O F C F F S O OH O pKa = - 2.5 pKa = - 12 42 Kyselost roste v periodě doprava Hydridy = sloučeniny prvků s vodíkem S rostoucí elektronegativitou prvku roste kyselost, lepší stabilizace záporného náboje NaH = bazický hydrid: Na+ (aq) + H- (aq) + H2O (l) → H2 (g) + Na+ (aq) + OH- (aq) HCl = kyselý hydrid: H+ (aq) + Cl- (aq) + H2O (l) → H3O+ (aq) + Cl- (aq) 3.215.73555pKa H-FH-OHH-NH2H-CH3Hydrid Kyselost roste 43 Kyselost roste ve skupině dolů -RSeH−9HBr 7RTeH−9.5HI 10RSH−7HCl 15-16ROH3.2HF pKaHXpKaHX Kyselost roste Síla vazby roste 44 Kyslíkaté kyseliny Kyslíkaté nebo oxokyseliny = OH skupiny vázány k elektronegativnímu centrálnímu atomu Silné−32 Velmi silné−83 Slabé21 Velmi slabé70 SílapKan (O)n Y (OH)m Kyselost roste 45 Kyslíkaté kyseliny (O)n Y (OH)m •Stabilizace aniontů mezomerním efektem (rezonanční struktury) •Rostoucí náboj na Y oxidační číslo centrálního atomu •Snížení nábojové hustoty na O elektronegativita centrálního atomu •Odsávání e. hustoty dalšími O atomy (-I) usnadňují disociaci H+ = zvyšují sílu kyseliny Y O O Y O O Y O O O Y O O O Kyselost roste 46 Oxidační číslo centrálního atomu −107O3Cl-O-HChloristá −35O2Cl-O-HChlorečná 7.531Cl-O-HChlorná 2.003O Cl-O-HChloritá pKaOx.č.VzorecKyselina 47 Elektronegativita centrálního atomu 10.642.7I-O-HJodná 8.693.0Br-O-HBromná 7.533.2Cl-O-HChlorná pKaElnegativita E Vzorec E-O-H Kyselina 48 Kyslíkaté kyseliny M-O iontová = slabé kyseliny (= hydroxidy) NaOH Mg(OH)2 Al(OH)3 Si(OH)4 OP(OH)3 O2S(OH)2 O3ClOH Mn+ - O2- - H M-O kovalentní = silné kyseliny Roste síla kyseliny 49 Kyslíkaté kyseliny 1. elektronegativita centrálního atomu 2. oxidační číslo centrálního atomu Faktory určující sílu oxokyselin 50 pKa vody vázané v komplexech M O H H Kyselost protonů roste Při zmenšujícím se iontovém poloměru 51 Kyselost hydratovaných kationtů 0.62.23[Tl(H2O)6]3+ 3.92.16[In(H2O)6]3+ 2.61.90[Ga(H2O)6]3+ 4.91.89[Al(H2O)6]3+ pKaM-O, ÅKation 52 Reakce roztoků solí Soli silné kyseliny – silné báze HCl + KOH H2O + KCl H+ + Cl- + K+ + OH- H2O + K+ + ClBez efektu na pH Neutrální Silná kyselina – slabá báze - hydrolýza HNO3 + NH3 NH4 + + NO3 - NH4 + + H2O NH3 + H+ Kyselá reakce roztoku pH = 7 − ½ pKb − ½ log c 53 Reakce roztoků solí NaOH + HF H2O + Na+ + FF- + H2O HF + OHZásaditá reakce roztoku NH4 + + H2O + F- + H2O HF + OH- + NH3 + H+ Silná báze – slabá kyselina - hydrolýza Slabá báze – slabá kyselina - hydrolýza pH = 7 + ½ (pKa − pKb) pH = 7 + ½ pKa + ½ log c 54 Pufry = tlumivé roztoky Modelový pufr: 1 M kyseliny octové (HAc) a 1 M octanu sodného (NaAc) v 1 l roztoku. Přídavek NaAc sníží kyselost roztoku HAc. HAc + H2O Ac− + H3O+ Ac− + H2O HAc + HO− Funkce pufru = udržet konstantní pH 1. Přídavkem H+ se vytvoří nové molekuly HAc 2. Přídavkem OH− se vytvoří nové molekuly Ac− 3. pH je konstantní 55 Pufry Slabá kyselina a její sůl pH = pKa + log ([A−] / [HA]) Henderson-Hasselbalchova rovnie Slabá baze a její sůl pH = pKa + log ([B] / [BH+]) = 14 − pKb + log ([B] / [BH+]) 56 Výpočty acidobazických rovnováh 1. Iontový součin Kw = [H+][OH-] 2. Disociační konstanta Ka = [H3O+] [A-] / [HA] 3. Podmínka elektroneutrality [H3O+] = [A-] + [OH-] 4. Látková bilance [HA]0 = [A-] + [HA] 57 Titrace – řízená acidobazická reakce Objem přidaného činidla, cm3 Bod ekvivalence = stechiometrie reakce dosažena Titrace silné kyseliny (HCl) silnou bazí (KOH) 58 Titrace slabé kyseliny silnou bazí Objem přidaného činidla, cm3 pH = ½ pKa − ½ log [HA] pH = pKa pH = vzniklé soli 59 Titrace slabé kyseliny silnou bazí HAc + OH- Ac− + H2O Na počátku titrace : pH = ½ pKa − ½ log [HA] V polovině titrace v bodě [A−] = [HA], tj. 50% zneutralizováno (slabá kys. + sůl): pH = pKa + log ([A−] / [HA]) pH = pKa V bodě ekvivalence, kde [A−] = 100 [HA] NIKDY [HA] = 0 pH = pKa + log (100 / 1) = pKa + 2 60 Indikátory Látky, jejichž kyselina a konjugovaná báze mají rozdílnou barvu Fenolftalein pH = 7.0 8.5 9.4 9.8 12.0 HIn + H2O H3O+ + In- 61 Fenolftalein C O O C - O O OH O HO - O - 2 H+ + 2 H+ Bezbarvý Červený 62 IndikátoryFFMOlakmus 0 7 14 pH Barevný přechod pH = pKIN ± 1 63 Indikátory HIn + H2O H3O+ + InKIN = [H3O+] [In−] / [HIn] Poznáme barevnou změnu, je-li jedné formy alespoň 10% [H3O+] = KIN ([HIn] / [In−] ) od 10:1 do 1:10 pH = pKIN ± 1 64 Titrace silné baze silnou kyselinou Objem přidaného činidla, cm3 65 Titrace slabé baze silnou kyselinou [B] = [BH+] pH = pKa + log ([B] / [BH+]) = 14 − pKb + log ([B] / [BH+]) = 14 − pKb Ekvivalence pH = 14 − pKb + log ([1] / [100]) = 14 − pKb − 2 Objem přidaného činidla, cm3 66 67 Solvoteorie kyselin a bazí 2 NH3 (kapalný) NH4 + + NH2 Autoionizační konstanta (jako Kw v vodě) K = [NH4 +] [NH2 -] = 2 10-33 (při −50 °C) H2SO4 (100%) H3SO4 + + HSO4 K = [H3SO4 +] [HSO4 -] = 1 10-5 (při 25 °C) Autoionizace Lyoniový ion Lyátový ion 68 Solvoteorie kyselin a bazí Kyselina = zvyšuje konc. lyoniovéhu iontu, kationtu Báze = zvyšuje konc. lyátového iontu, aniontu 2 NH3 (kapalný) NH4 + + NH2 Titrace v kapalném NH3 NH4Cl + KNH2 KCl + 2 NH3 kyselina báze sůl rozpouštědlo V kapalném NH3 je HAc silnější kyselina než ve vodě 69 Aprotické solvokyseliny a baze Výměna částice rozpouštědla 2 SO2 (kapalný) SO2+ + SO3 2Výměna O2- solvokyselina SOCl2 - báze MgSO3 2 BrF3 (kapalný) BrF2 + + BrF4 Výměna F- solvokyselina SbF5 70 Superkyseliny 2 HSO3F H2SO3F + + SO3FHSO3F + SbF5 H2SO3F + + [SbF5(SO3F)]Magická kyselina Protonace methanu CH4 + H2SO3F + HSO3F + CH5 + 71 Hammetova funkce B + H+ BH+ B = slabá baze = např. trinitroanilin H0 = pKBH – log [BH] / [B] KBH = [B] [H+] / [BH] H0 = pH HF -11 H2SO4 -12.1 HSO3F -15 HF + SbF5 -21.1 HSO3F + SbF5 -26.5 72 Superkyseliny Nejsilnější známá kyselina H(CHB11Cl11) Velmi malá afinita k protonu Záporný náboj delokalizován na velkém aniontu Halogeny odsávají e-hustotu 73 HSAB = teorie tvrdých a měkkých kyselin a bazí Tvrdé kyseliny Ti4+, Cr3+, Fe3+, Co3+ , H+ Měkké kyseliny Cu+, Ag+, Hg+, Hg2+, Pd2+, Pt2+ Tvrdé báze NH3, NH2R, N2H4, H2O, OH-, O2-, ROH, RO-, OR2, CO3 2-, SO4 2-, OClO3 -, Cl-, F-, NO3 -, PO4 3-, OCOMe Měkké báze H-, R-, C2H2, C6H6, CN-, CO, SCN-, PR3, P(OR)3, AsR3, SR2, SHR, SR-, I-