Seokset ja liuokset 1. Seostyypit Hapot, emäkset ja pH 2. Aineen liukoisuus 3. Pitoisuuden yksiköt ja mittaaminen Hapot, emäkset ja pH 1. Hapot, emäkset ja pH-asteikko 2. pH -laskut 3. Neutralointi 4. Puskuriliuokset

Seostyypit 1. Liuos Pääaineeseen eli liuottimeen on sekoittunut muita aineita erittäin hienojakoisesti, eli alle 1 nm hiukkasina (atomeina, ioneina, molekyyleinä). Liuoksessa ei tapahdu aineiden erottumista. 2. Kolloidisessa liuoksessa pääaineeseen on sekoittunut 1-500 nm kokoisia hiukkasia. Esim. Saippuoiden vesiliuoksissa on kymmeniä - satoja atomeja liittynyt rykelmiksi (miselleiksi). Hiukkaset voidaan saada näkymään voimakkaan sivusta lankeavan valon avulla silmin tai mikroskoopilla. 3. Karkeajakoisessa seoksessa hiukkaset ovat yli 500 nm. Nämä seokset erottuvat ajan myötä sedimentoitumisen kautta tiheyserojen vaikutuksesta.

Kolloidisten ja karkeajakoisten liuosten jaottelu

Pitoisuuden yksiköt 1. Konsentraatio c ilmoittaa pitoisuuden mooleina litrassa c = n / V 2. Tilavuusprosentit * käytetään esim. alkoholijuomissa 3. Massaprosentit * esim. 5 % NaCl -liuos

Liuoksen pitoisuuden mittaamisesta Nesteliuoksissa pitoisuus tilavuusprosentteina riippuu lineaarisesti tiheydestä => Pitoisuuden mittaaminen tapahtuu tiheysmittarilla (areometrillä) esim. pakkasneste, akun varaus, juoman alkoholipitoisuus

Tilavuusprosentin määritys tiheysmittauksella Esim. Akkuveden tiheydeksi määritettiin 1.40 g/cm3. Määritä sen rikkihappopitoisuus, kun veden tiheys on 1.0 g/cm3 ja puhtaan rikkihapon 1.83 g/cm3 . Kuvan perusteella pitoisuus =n. 46 %

Tehtäviä: (graafinen ratkaisu) 1. Puhtaan etanolin tiheys = 0,79 g/cm3 Puhtaan veden tiheys = 1,0 g/cm3 Määritä alkoholijuoman väkevyys, kun sen tiheys on 0,91 g/cm3. 2. Puhtaan glykolin (pakkasneste) tiheys = 1.12 g/cm3 Puhtaan veden tiheys = 1,0 g/cm3 Määritä 30% glykoliliuoksen tiheys .

Kysymyksiä 1. Miten oman kokemuksesi perusteella kaasun liukoisuus veteen käyttäytyy, kun a) lämpötilaa nostetaan? b) painetta alennetaan? c) Miten kiinteän aineen liukoisuus veteen käyttäytyy, kun lämpötilaa nostetaan? Anna esimerkit kustakin tapauksesta. Mikä on 5 (massa-)% NaCl -liuoksen konsentraatio mooleina litrassa.

Hapot, emäkset ja pH Vahvoja happoja: HCl suolahappo HNO3 typpihappo * synnyttävät vedessä H+ -ioneja (, jotka veden kanssa muodostavat oksoniumioneja H3O+) * reaktiota kutsutaan protolyysiksi: esim. HCl->H+ + Cl- * happojen kationi on vety-ioni (poikkeuksiakin on) Vahvoja happoja: HCl suolahappo HNO3 typpihappo H2SO4 rikkihappo Heikkoja happoja: H2CO3 hiilihappo H3PO4 fosforihappo CH3COOH etikkahappo Happo on vahva, jos sen happovakio Ka>1 Vahva happo protolysoituu n. 100%:sti. Heikko happo (Ka<1) protolysoituu alle 1%

2. Emäkset * synnyttävät vedessä hydroksidi-ioneja (OH- ) * esim. NaOH -> Na+ + OH- Vahvoja emäksiä NaOH natriumhydroksidi KOH kaliumhydroksidi Ca(OH)2 kalsiumhydroksidi ym. hydroksidit Heikkoja emäksiä NH3 ammoniakki Na2CO3 sooda eli natriumkarbonaatti KCN kaliumsyanidi ym. emäksiset suolat Vahvan emäksen emäsvakio Kb>1. Vain hydroksidit ovat vahvoja emäksiä. Heikon emäksen Kb<1. Tyypillisiä heikkoja emäksiä ovat heikkojen happojen anionit, kuten karbonaatti-ioni CO32- .

Happojen ja emästen ominaisuuksia Hapot: syövyttävät metalleja, puuta, paperia, ihoa,… maistuvat happamalta HCl = suolahappo (vatsahapot) H2SO4 = rikkihappo (akussa) HCOOH = muurahaishappo Emäkset: väkevät emäkset syövyttäviä erityisesti rasva liukenee niihin käyttöä pesuaineina, orgaanisen jätteen liuottamisessa (NaOH = “Kodin putkimies”) liukkaita, pintajännitys alhainen Bronstedtin happo-emästeorian mukaan happona ja emäksinä oleminen on suhteellinen käsite. Sama aine voi olla toisessa tilanteessa happona (luovuttaa H+:n), toisessa emäksenä (H+:n vastaanottajana). HCl + H2O -> H3O+ + Cl- (vesi emäksenä) NH3 + H2O -> NH4+ + OH- (vesi happona) amfolyytti = aine, joka on joskus happo, joskus emäs

pH -asteikko pH = -log[H+] Veden autoprotolyysi: Happamuutta mitataan H+ -ionipitoisuudella käyttäen logaritmista pH -asteikkoa pH = -log[H+] Veden autoprotolyysi: Puhdas vesi hajoaa vedessä itsestään ioneiksi: H2O -> H+ + OH- (veden “autoprotolyysi”) Hajoaminen etenee niin, että kummankin ionin pitoisuudeksi tulee 10-7 mol/l. Tällöin pH = -log[10-7] = 7 Neutraalin liuoksen pH = 7. H+ ja OH- ioneja yhtä paljon

Veden ionitulo: pOH = -log[OH-] Kaikissa liuoksissa [H+]*[OH-]=10-14 (veden ionitulo) Happamissa liuoksissa [H+] > [OH-], emäksisissä [OH-]>[H+], neutraaleissa liuoksissa molemmat 10-7. Analogisesti voidaan määritellä pOH -luku : pOH = -log[OH-] pOH kuvaa liuoksen OH- pitoisuutta. Ionitulosta seuraa, että pH + pOH = 14 kaikissa liuoksissa.

pH:n laskeminen 1. Vahvan hapon pH Esim. Laske 0.5 M HCl- liuoksen pH (ts. Väkevyys = 0.5 mol/l ) protolyysireaktio: HCl -> H+ + Cl- (hajoaa 100%) alussa 0.5 0 0 lopussa 0 0.5 0.5 pH = -log[H+]= -log[0.5]= 0.3 Kaava: vahvan hapon pH=-log[happo] MaoL:n taulukossa “happo- ja emäsvakioita vahvoja happoja on 7 kpl: kaikki typpihaposta ylöspäin.

Esim. Laske 0.2 M NaOH- liuoksen pH reaktio vedessä 2. Vahvan emäksen pH Esim. Laske 0.2 M NaOH- liuoksen pH reaktio vedessä NaOH -> Na+ + OH- (hajoaa 100%) alussa 0.2 0 0 lopussa 0 0.2 0.2 pOH = -log[OH-]= -log[0.2]= 0.7 pH = 14 - pOH = 13.3 Kaava: vahva emäs pOH=-log[emäs] pH = 14 -pOH MaoL:n taulukossa “happo- ja emäsvakioita vahvoja emäksiä on vain 1 kpl. OH- -ioni. Ts. kaikki hydroksidit ovat vahvoja emäksiä.

Esim. Laske 0.4 M H2CO3- liuoksen pH protolyysireaktio: 1. Heikon hapon pH Esim. Laske 0.4 M H2CO3- liuoksen pH protolyysireaktio: H2CO3 -> H+ + HCO3- (hajoaa <1%) alussa 0.5 0 0 lopussa 0.5-x x x Happovakio Ka = 4.3 * 10-7 (MaoL) antaa pitoisuusosamäärän arvon loppu- tilanteessa: x2 /(0.5-x) = Ka. Koska x on hyvin pieni, x2/0.5 = Ka => x= [H+] = (0.5*Ka)= (0.5*4.3*10-7) pH = -log[H+]= -log (0.5* 4.3*10-7) = 3.3 Kaava: heikon hapon pH=log([happo]*Ka)

Esim. Laske 0.4 M NH3- liuoksen pH protolyysireaktio: 1. Heikon emäksen pH Esim. Laske 0.4 M NH3- liuoksen pH protolyysireaktio: H2O + NH3 -> NH4+ + OH- (hajoaa <1%) alussa 0.4 0 0 lopussa 0.4-x x x Emäsvakio Kb = 1.8 * 10-5 (MaoL) lopputilanteessa: x2 /(0.4-x) = Kb. Koska x on hyvin pieni, x2/0.4 = Kb => x= [OH-] = (0.4*Kb)= (0.4*1.8*10-5) pOH = -log[OH-]= -log (0.4* 1.8*10-5) = 2.6 pH = 14 - 2.6 = 11.4 Kaava: heikko emäs pOH=log([emäs]*Ka) pH = 14-pOH

pH -kaavojen yhteenveto vahvan hapon pH=-log[happo] vahva emäs pOH=-log[emäs] pH = 14 -pOH heikko happo pH=log([happo]*Ka) heikko emäs pOH=log([emäs]*Ka) pH = 14-pOH

Suolaliuosten pH Suoloissa joko kationi tai anioni määrää, mihin em. tapauksista suolaliuos kuuluu. Esim. salmiakki NH4Cl on hapan , koska sen kationin NH4+ happovakio Ka =5.6*10-10> kloridi-ionin emäsvakio 10-21. pH lasketaan siis heikon hapon kaavalla käyttäen ammonium- ionin happovakiota. Eräät ionit, kuten HCO3- löytyvät sekä happojen ja emästen joukosta. Sen Kb 2.3*10-8 on suurempi kuin Ka. Tästä syystä esim. NaHCO3 -liuoksen pH lasketaan heikon emäksen kaavalla käyttäen HCO3- ionin emäsvakiota Kb.

Tehtäviä: 1. Luokittele yhdisteet seuraaviin luokkiin: A=vahva happo, B=vahva emäs, C= heikko happo, D= heikko emäs a) Ca(OH)2 b) HCN c) KHCO3 d) Na2SO4 e) HNO3 f) CH3COOK 2. Laske pH seuraaville liuoksille a) 0.05 M rikkihappo b) 0.15 M KOH c) 0.01 M Na2CO3 d) 0.04 M NH4Br

Neutraloituminen happo + emäs -> suola + vesi Esim. HCl + NaOH => NaCl + H2O HCl + NH3 => NH4 Cl H3PO4 + 3 NaOH => Na3PO4 + 3 H2O Neutraloitumisessa pH lähestyy arvoa 7. Huom! 1 mooli suolahappoa vaatii 1 moolin NaOH:ia neutraloituakseen täydellisesti, mutta 1 mooli fosfori- happoa vaatii 3 moolia NaOH:ia . HCl on “yksiarvoinen happo” , fosforihappo on “kolmi- arvoinen happo”. Kolmiarvoinen happo vaatii siis 3 moolia yksiarvoista emästä. Usein neutraloitumisessa moolit korvataankin yksiköllä ekvivalentti. 1 mol kolmiarvoista happoa = 3 ekvivalenttia (3 val) 1 mol rikkihappoa H2SO4 on vastaavasti 2 ekvivalenttia (2 val). 1 ekvivalentti happoa neutraloituu aina 1 ekvivalentilla emästä.

Puskuriliuokset Jos esim. rikkihappoa sataa lampeen, jossa ei ole vedeen liuenneita ioneja, lammen pH alenee nopeasti, koska rikkihappo liukenee 100% H+ ja sulfaatti-ioneiksi. Jos sen sijaan lammessa on ennestään esim. karbonaatti-ioneja CO32- , niin nämä sitovat rikkihaposta liuenneet H+ -ionit muodostean hiilihappomolekyylejä. (Hiilihappohan heikkona happona oli veteen hyvin niukkaliukoinen). Lammen pH ei siis laske juurikaan happosateen seurauksena. Liuosta, jossa on heikon hapon anioneja , sanotaankin puskuriliuokseksi. Vesitutkijat mittaavat vesistöistä ko. anionien lukumäärää, jota sanotaan puskurikyvyksi. Kun anionit loppuvat, vesistö on suojaton happosateita vastaan. Veri on esimerkki puskuriliuoksesta.

Mm. alkalimetallit ja niiden oksidit muodostavat vedessä emäksiä: Happoanhydridit Eräät epämetallioksidit ovat itse asiassa vedettömiä (100%) happoja. Niitä sanotaankin happojen anhydrideiksi. Niiden liuotessa veteen syntyy happoja, kuten näemme seuraavista esimerkeistä: CO2 + H2O => H2CO3 SO3 + H2O => H2SO4 N2O5 + H2O => 2 HNO3 Mm. alkalimetallit ja niiden oksidit muodostavat vedessä emäksiä: 2 Na + 2 H2O => 2NaOH + H2 K2O + H2O => 2 KOH