A sav és bázis fogalma

5. előadás

A sav és bázis fogalma Arrhenius Ostwald: sav az a vegyület ami hidrogéniont ad le, bázis pedig ami hidrogén-iont vesz fel. Brönsted Lowry: a sav protont ad le (proton donor), a bázis pedig protont vesz fel (proton akceptor) A protonátadás során azonban egy újabb sav-bázis pár jön létre: Sav1 + bázis2 = sav2 + bázis 1, pl. HCl + H2O = H3O+ + ClH2O + NH3 = NH4+ + OHA víz amfoter vegyület, viselkedhet savként és bázisként is.

Példák egyensúlyokra, vizes oldatban (elektrolit-egyensúlyok) A szervetlen sók (túlnyomó része) vizes oldatban teljes mértékben (ionokra) disszociál, pl. NaCl Na+ + ClAl2(SO4)3 2 Al3+ + 3 SO42Az erős savak és bázisok már híg oldatban is teljes mértékben disszociálnak, pl. HCl + H2O H3O+ + ClHClO4 + H2O H3O+ + ClO4Ezek valójában egyirányú folyamatok, csak a körülmények megváltoztatásával fordíthatók meg!

A gyenge savak és bázisok disszociációja közepes, illetve kis koncentrációban csak részleges, ezek valódi egyensúlyi folyamatok. A disszociáció teljességét a disszociációfok (α) jellemzi, ez a disszociált anyagmennyiség aránya a teljes anyagmennyiséghez képest, ( értéke tehát 0 α 1) HA + H2O H3O+ + A- Kd = [H3O+] * [A-]/[HA] Kd = α2 * csav/(1 α), mert [H3O+] = [A-] =α*csav, és [HA]=csav * (1 - α) pl. CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO- Kd = 1,8 * 10-5 Gyenge bázis esetében pedig: BOH B+ + OH- Kd = [B+] * [OH-] / [BOH] pl. NH4OH NH4+ + OH- Kd = 1,79 * 10-5

Erős sav ph-ja kis, illetve közepes koncentrációban: ph = - lgcsav Erős bázis esetében pedig ph = 14 + lg[oh-] = 14 + lgcbázis A gyenge sav, illetve gyenge bázis oldatának kémhatása (ph értéke) a disszociáció egyensúlyból számítható ki: Gyenge sav esetén: Kd = [H3O+] * [A-]/[HA], mivel [H3O+]=[A-] és [HA] Csav Kd = [H3O+]2 / Csav és ph = -lg[h3o+] = - lgkd/2 lgcsav/2 Ehhez hasonlóan gyenge bázis esetében: ph = 14 + lgkb/2 + lgcbázis/2

A víz autoprotolízise ph = - lg[h3o+]

A szervetlen sók hidrolízise A hidrolízis az oldott anyag és a víz mint oldószer közötti kölcsönhatás (általános esetben szolvolízisről beszélünk). A szervetlen sók, - amint az már elhangzott vízben általában tökéletesen disszociálnak és a folyamat során a bázisnak megfelelő, pozitív töltésű kation, illetve a savmaradéknak megfelelő, negatív töltésű anion képződik. Azonban a gyenge bázis és erős sav sója, valamint erős bázis és gyenge sav sója disszociációja során képződő kation, illetve anion reakcióba lép a vízzel, és hidroxid, illetve oxónium ionok keletkeznek, az eredetileg semleges kémhatás pedig ezzel egyezően lúgossá, illetve savassá válik.

Vegyük a nátrium-acetátot példaként! NaOOCCH3 Na+ + CH3COO- (teljes disszociáció) CH3COO- + H2O CH3COOH + OH- (lúgos kémhatás) Erős sav és gyenge bázis sója: pl. Ammónium-klorid NH4Cl NH4+ + ClNH4+ 2 H2O NH4OH + H3O+ (teljes disszociáció) (savas kémhatás)

A hidrolízis is egyensúlyi folyamat, ezért felírható rá az alábbi általános reakció alapján: A- + H2O HA + OHKh = [HA] * [OH-]/[A-] A disszociációra felírt egyensúlyból adódik: [HA]/[A-] = Kd/[H3O+], ezt figyelembe véve kapjuk: Kh = [OH-] * [H3O+]/Kd = Kv /Kd Hasonlóképpen gyenge bázis és erős sav sója esetén: Kh = Kv / KB KB = a gyenge bázis disszociáció-állandója

Gyenge sav erős bázissal képzett sóoldatának kémhatása: ph = 7 + lgcsó/2 lgkd/2 Gyenge bázis és erős sav sójának ph értéke pedig: ph = 7 + lgkb/2 lgcsó/2

A pufferoldatok egyensúlyai A pufferek olyan oldatok amelyek kémhatása csak rendkívül kis mértékben változik (viszonylag) nagy mennyiségű erős sav, illetve erős bázis hozzáadására, segítségükkel állandó kémhatás (ph) biztosítható. Jellemző módon vagy gyenge savból valamint a gyenge savbak erős bázissal képzett sójából állnak, vagy pedig gyenge bázisból és a gyenge bázisnak erős savval képzett sójából épülnek fel. Hatásmechanizmusuk megértéséhez figyelembe kell vennünk azt az általános szabályt, miszerint a szervetlen sók túlnyomó része vizes oldatban teljes mértékben disszociál.

Vizsgáljuk meg a gyenge sav és ennek egy erős bázissal képzett sójából álló puffer esetében hogyan alakul az elegy kémhatása: A só teljesen disszociál, ezért az ebből származó anion nagy koncentrációja eltolja a gyenge sav disszociációs egyensúlyát a kiindulási anyagok, azaz a disszociálatlan sav forma felé, tehát [A-] Csó, és [HA] Csav. Ennek alapján a gyenge sav disszociációs egyensúlyára kapjuk: Kd = [H3O+] * Csó/ Csav, és [H3O+] = Kd * Csav/ Csó Fogyelembe-véve hogy ph = - lg[h3o+] a puffer-elegy ph-jára az alábbi összefüggést nyerjük: ph = - lgkd lgcsav + lgcsó Gyenge bázisból és a gyenge bázis erős savval alkotott sójából álló puffere pedig: ph = 14 + lgkb + lgcbázis lgcsó KB : a gyenge bázis disszociáció-állandója

Pufferkapacitás: az erős sav, illetve erős bázis azon mennyisége amely a puffer kémhatását 1 ph értékkel változtatja meg.

Szilárd/gáz =K4*pCO2 12-10-15 =K2 Általános kémia 2011/2012. I. fé =K3 18

Boudouard reakció 12-10-15 Általános kémia 2011/2012. I. fé 19

Halmazok, fázisátmenetek gáz -------> folyadék kondenzáció kondenzációs hő folyadék -------> gáz párolgás párolgáshő szilárd -------> folyadék folyadék -------> szilárd olvadás fagyás olvadáshő fagyáshő szilárd --------> gáz gáz --------> szilárd szublimáció szublimációs hő fagyás fagyáshő

12-09-29 Általános kémia 2011/2012. I. fé 21

Szilárd halmazállapot A szilárd testekben az alkotó részecskéket nagy erők tartják össze állandó térfogat és állandó alak szerkezetük szerint lehetnek kristályos anyagok - a felépítő részecskék a test egészében szabályosan, rendezetten helyezkednek el alaktalan anyagok - a felépítő részecskék csak kis körzetekben helyezkednek el rendezett módon 12-09-29 Általános kémia 2011/2012. I. fé 26

Alaktalan szilárd anyagok Amorf állapot - a felépítő részecskék elhelyezkedése csak kis körzetekben rendezett szilárd vagy gyanta jellegű állapot nincs határozott olvadáspont nincs jellemző moláris tömeg üvegszerű anyagok - megdermedt olvadék állapot fizikai tulajdonságok iránytól függetlenek (sok szerkezeti hiba)

Többkomponensű rendszerek Folytonos közegben eloszlatott részecskék diszperz rendszereket alkotnak. A diszperz rendszerek a diszpergált részecskék mérete alapján lehetnek: homogén kolloid (mikroheterogén) -és heterogén rendszerek. 12-09-17 30

Homogén rendszerek Oldódás (elegyedés): adott folytonos közegben a részecskék molekuláris mérető eloszlatása (hőmozgás révén) fizikai oldódás oldat (elegy): két vagy több komponens egyfázisú (homogén) keveréke, - a komponensek nem különböztethetők meg. 12-10-05 Általános kémia 2011/2012. I. fé 31

Egy fázisú rendszer - nincsenek benne határfelületek elegyek - mindhárom halmazállapotban: egyetlen komponens sem megkülönböztetett a többivel szemben ideális elegy - az összetevő komponensek megőrzik sajátságaikat - additivitás reális elegy - a komponensek elkeveredésekor dilatáció vagy kontrakció lép fel oldatok - a komponensek közül az oldószer mennyisége domináns (folytonos közeg), a többi az oldott anyag Oldhatóság: adott körülmények között (hőmérséklet, nyomás) a telített oldatban az oldott anyag koncentrációja 12-10-05 Általános kémia 2011/2012. I. fé 32

A homogén rendszerek a folytonos közeg és az eloszlatott komponensek halmazállapota szerint lehetnek: eloszlatott folytonos gáz folyadék szilárd anyag 12-10-05 gáz gázelegy folyadékban oldott gáz szilárd anyagban oldott gáz folyadék szilárd csak kolloid rendszer lehet köd füst folyadék folyadékban elegy oldott szilárd anyag kolloid szilárd oldatok rendszer (ötvözetek) szilárd emulzió Általános kémia 2011/2012. I. fé 33

A diszperz (kolloid) rendszerek osztályozása Diszperziós közeg gáz folyadék köd gáz szilárd por, füst folyadék gáz gázdiszperziók, habok folyadék folyadék emulzió folyadék szilárd szilárd folyadék szol, kolloid oldat, szuszpenzió szilárd emulzió, gél szilárd szilárd ötvözetek, üvegek 12-09-17 Diszpergált anyag A létrejött rendszer 34

Gázelegyek Ideális elegy - a tulajdonságok additívak Dalton törvénye: a gázelegy nyomása egyenlő az elegyet alkotó gázok parciális nyomásainak összegével anyagi minőségtől független p = pa + pb + pc + = Σ pi Mengyelejev-Clapeyron pi V = ni R T az egyes komponensek nyomása akkora, mintha az adott térfogatot az adott komponens a többi nélkül töltené be 12-10-05 Általános kémia 2011/2012. I. fé 35

Folyadékok elegyedése hasonló szerkezetű (polaritású) folyadékok általában jól oldódnak egymásban (CH-ek, víz és alkoholok) a fémolvadékok azonban nem mindig (Zn és Pb) nem elegyedők: (szén-tetraklorid - víz) mindig két oldatfázis van csekély oldhatósággal korlátozottan elegyedő (fenol - víz) csak meghatározott koncentrációk esetén van homogén oldat korlátlanul elegyedő (etanol - víz, ecetsav - víz) bármilyen arányban keverhető 12-10-05 Általános kémia 2011/2012. I. fé 36

Nem elegyedő folyadékok nem elegyedő nem oldódó!!! NiCl2 egymásban kis mértékű oldódás elkülönülő homogén fázisok (sűrűség) széles hőmérséklet tartomány T, oc g/100 cm3 víz benzol 20 0,175 toluol 16 0,047 n- pentán 16 0,036 kloroform 20 0,822 szén-tetraklorid 25 0,77 H2O CH2Cl2 12-10-05 Általános kémia 2011/2012. I. fé l2 37

Többkomponensű, több fázisból álló rendszerek A Gibbs -féle fázis szabály: K + 2 = F + Sz

A többkomponensű, többfázisú rendszerekben a rendszer egészére, és minden egyes komponensre vonatkozóan fennáll az egyensúly. G = H T S = Go + RT ln K Egyensúlyban: G = 0 Go = - RT ln K = - 2,3 RT lg K µ i = µ io + RT ln xi és µ i(1) = µ i(2) µ io(1) + RT ln xi(1) = µ io(2) + RT ln xi(2) µ io(1) µ io(2) = µ io = RT ln (xi(2)/xi(1))

Elegyek és oldatok Gőzfolyadék egyensúly Raoult Dalton 12-10-15 Általános kémia 2011/2012. I. fé 45

Híg oldatok fagyáspontcsökkenése és forráspont emelkedése Fagyáspont csökkenés Tfpcs = i Tfpcs (mb=1). mb Víz: 1,85; benzol: 5,12 oc Forráspont emelkedés Tfpem = j Tfpcs (mb=1). mb Víz: 0,52; benzol: 2,53 oc 12-10-15 Általános kémia 2011/2012. I. fé 47