Page 1

Jonski prozvod Jonski prozvod vodevode

Page 3

Jonski prozvod vode

• Voda može da se ponaša i kao kiselina i kao baza (može i da daje i da prima protone) – amfiprotčni (amfiprotonski) rastvarač

• U čistim vodenim rastvorima postoji ravnoteža poznata kao ravnoteža disocijacije (jonizacije) ili autoprotoliza vode

kiselinsko bazna reakcija

Ravnoteža reakcije autoprotlize vode je jako pomerena u levu stranu, pa u hemijski čistoj vodi koncentracije H3O+ i OH- jona iznose samo po 10-7 mol u dm3 (litru), na 25C

Jedan molekul H2O deluje kao kiselina – daje protonDrugi molekul H2O deluje kao baza – prima proton

HO OHOH OH 322 Autoprotoliza vode

Page 4

Primenom zakona o dejstvu masa na ravnotežu disocijacije vode, dobija se izraz:

Pošto se uzima da je koncentracija molekula H2O velika i da se praktično ne menja, imenilac je jednak 1, pa se dobija :

jonski proizvod vode ili konstanta autoprotolize vode

Voda je neutralna – ima jednake koncentracije H+ i OH- jonaNeutralan je svaki rastvor u kome su koncentracije H+ i OH- jona jednake

22

3

OH

OHOHK

143 101 OHHOHOHKw

73 101 OHOH

HO OHOH OH 322

Pri povećanju koncentracije H3O+ u rastvoru, smanjuje se koncentracija OH- jona i obrnuto,pri povećanju koncentracije OH- jona u rastvoru smanjuje se koncentracija H3O+ jona

Kiseli rastvor[H3O+ ] > [OH- ]

Neutralan rastvor[H3O+ ] = [OH- ]

Bazni rastvor[H3O+ ] < [OH- ]

Page 6

Proizvod koncentracija H3O+ i OH- jona u rastvoru mora biti konstantan

H3O+10-7 mol·dm-3 rastvor je kiseoH3O+10-7 mol·dm-3 rastvor je bazanH3O+ = OH- = 10-7 mol·dm-3 rastvor je neutralan

JonskiJonski proizvodproizvod vodevode jeje proizvodproizvod koncentracijakoncentracija protonaprotona ii hidroksidnihhidroksidnih jonajona uu

vodenimvodenim rastvorimarastvorima ii konstantnakonstantna jeje vrednostvrednost nana konstantnojkonstantnoj temperaturitemperaturi

14101 OHHKw

Page 7

Kiselost rastvoraKiselost rastvorapHpH

Page 8

Kiselost rastvora određena je koncentracijom H+ jona u rastvoru Mali brojevi se obično izražavaju u obliku –log i označavaju se slovom p, pa je:

Ako se logoritmuje izraz za jonski prozvod vode

pH je negativni logaritam koncentracije protona (hidronijum jona)

Kiselost rastvora pH

HpH log

OHpOH log

-pH10 H

-pOH10 OH

14101 OHHKw

)14 C25 (na pOHpHpKw

dobija se

Page 9

Promena pH vrednosti od jedne pH jedinice označava promenu koncentracije vodonikovih jona od 10 puta, a promena od 2 pH jedinice 100 puta, 3 pH jedinice 1000 puta itd.

Pošto je pKw=14, osnovna skala kiselosti u vodi, koja se odnosi na razblažene rastvore oduhvata 14 pH jedinica i kreće se od 0 do 14

Page 10

pH skala koja se odnosi na razblažene rastvore kreće se od 0 do 14

Neutralni rastvori imaju pH = 7

Kiseli rastvori imaju pH 7

Bazni rastvori imaju pH 7

Kiseline i bazeKiseline i baze

Kiseline i baze su verovatno najčešće primenjivani reagensi u hemijskim laboratorijama

Od koncentracije protona odnosno hidrogenijum jona zavisi tok mnogih hemijskih reakcija i ona određuje brzinu, obim i mehanizam njihovog odigravanja npr. do kog oksidacionog stanja će se oksidovati Mn2+ jon nekim oksidacionim sredstvom zavisi od pH rastvora

1.Arrhenius-ova teorija – kiseline u vodi daju hidronijum jon (H3O+)

baze u vodi daju hidroksilni jon (OH-)

Teorije kiselina i baza

2.Brønsted-Lowry-eva teorija – kiseline su donori protona (daju protone)

baze su akceptori protona (primaju protone)

3.Lewis-ova teorija–kiseline su akceptori elektronskog para (primaju elektronski par)

baze su donori elektronskog para(daju elektronski par)

Svante Arrhenius, švedski naučnik, prvi je prepoznao da kiseline, baze i soli kada se rastvore u vodi daju jone

Page 14

Johannes Nicolaus Brønsted (1879‐1947) i Thomas Martin Lowry (1874‐1936) nezavisno su predložili protonsku definiciju kiselina i baza 1923 god.Brønsted-ov citat:". . . kiseline i baze su supstance koje su sposobne da odvajaju odnosno primaju proton.“iliKiselinsko-bazne reakcije se sastoje u prenosu protona (ili hidrogenijum jona) od kiseline prema bazi.

Brønsted–Lowry Brønsted–Lowry teorija teorija

Page 15

Kiselina je donor protonaOdnosno, kiselina je svaka supstanca od koja može da daje protone

Baza je akceptor protonaOdnosno, baza je svaka supstanca koja može da prima protone (koja ima slobodan elektronski par koji može da veže proton sa kiseline) Ako supstanca može i da primi i da izgubi proton onda je ona amfiprotična (rekli smo da je voda amfiprotični rastvarač) Neki primeri su:H2OHCO3

−

HSO4−

Sa gledišta analitičke hemije najveći značaj ima Bronsted-Lowry-eva teorija

Brønsted–Lowry Brønsted–Lowry teorija teorija

Page 16

Kiselina – svaka supstanca koja može da daje H+ - donor protona

Baza – svaka supstanca koja može da primi H+ - akceptor protona

Kiselina daje proton i prelazi u svoju konjugovanu bazu (baza zato što je potencijalni primalac protona). Zajedno čine konjugovani par

Baza prima proton i prelazi u svoju konugovanu kiselinu (kiselina zato što je potencijalni donor protona). Zajedno čine konjugovani par.

Brønsted–Lowry Brønsted–Lowry teorija teorija

Page 17

Reakcije između kiselina i baza

Protoni ne mogu da postoje slobodni u rastvoru, zbog toga:

Kiselina može da preda proton samo ako je prisutna neka baza koja će ga primiti

I obrnuto, baza može da primi proton samo ako je prisutna neka kiselina koja će dati proton

Zbog toga u jednoj kiselinsko-baznoj reakciji uvek imamo dva kiselinsko-bazna para

konjugovani par

konjugovani par Ova reakcija spontano teče u pravcu nastajanja slabije kiselina i slabije baze

2 iselinaK 1 Baza2 azaB 1 iselinaK

Page 18

Konjugovani paroviPosmatrajmo sledeću reakciju:

CH3COOH je kiselina, jer poseduje proton koji može otpustiti

NH3 je baza, jer može da veže proton (ima slobodan elektronski par) koji kiselina otpustaAko sada reakciju posmatramo obrnuto (sa desna na levo):NH4

+ je kiselina jer može da preda proton CH3COO- jonu

CH3COO- je baza jer može da veže proton koji otpusta NH4+ jon

Može se uočiti da se svaki par CH3COOH i CH3COO- i NH3 i NH4+

razlikuju po jednom protonuTakvi parovi se zbog toga zovu konjugovani kiselinsko-bazni parovi

H COOCH COOHHC 3 3 4HNH HN 3

43 HN COOCHHN COOHHC 33

Page 19

Zbog toga je:

kiselina baza konjugovana baza

konjugovana kiselina

Jedan konjugovani kiselinsko-bazni par je CH3COOH i CH3COO-:CH3COOH je kiselina, a CH3COO- je njena konjugovana baza

Drugi konjugovani kiselinsko-bazni par je NH3 i NH4+:

NH3 je baza, a NH4+ je njena konjugovana kiselina

uklanjanje H+

vezivanje H+

43 HN COOCHHN COOHHC 33

Konjugovani parovi

Page 20

Jačina kiselina i baza u vodi

Jačina neke kiseline ili baze određena je njenom tendencijom (lakoćom) da daje ili prima proton. Lakoća sa kojom kiselina daje proton ili baza prima proton mora se odrediti u odnosu na neku supstancu, izabran je rastvarač. U vodenim rastvorima jačina kiselina i baza određuje se u odnosu na vodu

U svakoj kiselinsko-baznoj reakciji, ravnoteža favorizuje reakciju koja dovodi do premeštanja protona prema jačoj bazi

Page 21

Jačina kiselina i baza u vodi

• Jačina kiselina se kvantitativno izražava konstantom disocijacije kiseline ili konstantom kiselosti

A OHOH HA 32

HA

AH

HA

AOHKa

3

OH COOCHOH COOHCH 3323

5-

3

33 10 1,74

COOHCH

OHCOOCHKa

npr.

Konstanta kiselosti

Page 22

Konstanta baznosti

HO BHOH B 2

B

OHBHKb

HO NHOH NH 423

10 1,76 NH

OHNHK 5-

b

3

4

Jačina kiselina i baza u vodi

• Jačina baza se kvantitativno izražava konstantom disocijacije baze ili konstantom baznosti

npr.

Što je Ka veće kiselina je jačaŠto je Kb veće baza je jača

Prema stepenu njihove disocijacije u vodi, uobičajno je da se kiseline i baze dele na jake i slabe

Jake kiselineJake kiseline

Page 25

Jake kiselineJake kiseline

Pod jakim kiselinama podrazumevamo kiseline koje su u vodi u potpunosti disosovane (razložene) na jone, što znači da kvantitativno reaguju sa vodom

Njihove konjugovane baze su sasvim slabe

Sedam jakih kiselina su HCl, HBr, HI, HNO3, H2SO4, HClO3 i HClO4

Ka 1

Jake kiselineJake kiseline

HCl je u potpunosti jonizovana u vodenom rastvoru

U rastvoru ne postoji slobodna nedisosovana HCl (molekuli HCl) već samo njena konjugovana baza Cl- i hidronijum joni H3O+

Jake kiseline su u vodenim rastvorima potpuno disosovane (razložene) na jone

H2O je mnogo jača baza od Cl- jona, pa je ravnoteža reakcije jako pomerena u desnu stranu K ne može da se izmeri pošto je Ka 1

OH ClOH HCl 321 Ka

Jake kiselineJake kiseline

Kao što smo rekli, jake kiseline su po definiciji jaki elektroliti i u vodenim rastvorima postoje samo kao joni (tj. one su u vodenim rastvorima 100% jonizovane)

Za jake monoprotonske kiseline (npr. HCl)

pH jakih kiselina

Kako se izračunava pH rastvora jakih kiselina?

A H HA

ac H

ac log- Hp

kiseline jake ijakoncentrac - c a

ClHHCl

HClcH

Jake baze

Page 30

Jake baze

Pod jakim bazama podrazumevamo baze koje su u vodi u potpunosti disosovane (razložene) na jone, što znači da kvantitativno reaguju sa vodom, dajući OH- jone

Jake baze su 100% disosovane (razložene na jone) u vodi

U jake baze spadaju: KOH, NaOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2 i Sr(OH)2

(aq)OHaqaNaqNaOH )()(

krec) (gašeni22(krec) Ca(OH)OH CaO

Jake baze su rastvorni hidroksidi alkalnih (NaOH, KOH) i zemnoalkalnih metala (Ca(OH)2, Sr(OH)2 i Ba(OH)2).

Za monohidroksidne jake baze (npr. NaOH)

Kako se izračunava pH rastvora jakih baza?

Jake baze su 100% jonizovane (disosovane)

pOH i pH jakih baza

bc OH

bc log- HpO

OHp-14 Hp

OHNNaOH a

NaOHcOH

Slabe kiseline

Page 33

Slabe kiselineSlabe kiseline i baze su u vodi disosovane (razložene na jone) mnogo manje od 100% (obično manje od 5%)

Kiseline i baze koje su u vodi delimično disosovane nazivaju se slabe kiseline i baze

U vodenim rastvorima slabe kiseline postoje molekuli kiseline, joni njene konjugovane baze i H3O+ (joni na koje se kiselina razlaže)

Jedna od najpoznatijih slabih kiselina je sirćetna kiselina CH3COOH

Page 34

Sposobnost CH3COOH da vodi daje H+ manje je izražena nego kod HCl

Sirćetna kiselina je slaba kiselina, CH3COO- je jača baza od H2O pa je ravnoteža pomerena u levu stranu (K1)

OH COOCHOH COOHCH 3323

5-a 10 1,74

COOHCH

HCOOCHK

3

3

Slabe kiseline

U slabe kiseline spadaju HCN, H2CO3,CH3COOH, HCOOH

CH3COOH u vodi

Sirćetna kiselina je samo delimično jonizovana u vodi

U vodenom rastvoru postoje molekuli CH3COOH kao i CH3COO- i H3O+ joni

Kako se izračunava pH rastvora slabih kiselina?

pH = pKa – log Ca11 pH slabih kiselinaaa c log2

1-pK

2

1 Hp

aa K log- Kp

kiseline slabeijakoncentrac - c a

Slabe baze

Slabe bazeSlabe baze su u vodi samo delimično disosovane (razložene na jone) (mnogo manje od 100%)U vodenim rastvorima baza postoje molekuli baze, joni njene konjugovane kiseline i OH- (joni na koje se baza razlaže)

U vodenom rastvoru postoje molekuli NH3 kao i NH4

+ + OH- joni NH3 u vodi

Jedna od najpoznatijih slabih baza je amonijak HO NHOH NH 423

10 1,76 NH

OHNHK 5-

b

3

4

Kako se izračunava pH rastvora slabih baza?

pOH = pKb – log Cb11

pOH i pH slabih baza

bb c log2

1-pK

2

1 HpO

bb K log- Kp

OHp-14 Hp

Page 40

Slabe baze

Slaba baza amonijak reaguje sa vodom u malom stepenu, dajući slabo bazni rastvor

Podela kiselina prema jačini

Prema vrednosti pKa kiseline se prema jačini mogu podeliti na:1. Jake kiseline sa pKa ≤ 02. Umereno jake kiseline sa pKa od 0 do 23. Slabe kiseline sa pKa od 2 do 74. Vrlo slabe kiseline pKa ≥ 7

Analogno se i baze dele prema jačini na osnovu njihove pKb vrednosti, ali u literaturi se sreću različite podele i ne postoje oštre granice

Odnos između Ka i Kb za konjugovane kiselinsko-bazne

paroveZa svaki konjugovani kiselinsko-bazni par postoji sledeći odnos između Ka i Kb

odnosno

Ako je za neku kiselinu poznato Ka onda se Kb njene konjugovane baze može lako izračunati

6214 /101 dmmolK K K wba

14 wba Kp pK Kp

Page 43

Poliprotične kiseline i baze

Mnoge kiseline i baze su poliprotične, što znači da mogu da daju ili primaju više protona

One u vodenim rastvorima disosuju (razlažu se na jone) postepeno, a za svaki stepen disocijacije može se napisati odgovarajuća konstanta disocijacije

npr: H3PO4, H2CO3, H2SO4 disociraju u dva ili više stepena

Npr. prilikom rastvaranjaNpr. prilikom rastvaranja H3PO4 u vodi, uspostavljaju se sledeće ravnoteže:

3

43

42 1011.7][

]][[1

POH

POHHKa

8

42

24 1032.6][

]][[2

POH

HPOHKa

132

4

34 105.4][

]][[3

HPO

POHKa

443 POH HPOH 2

244 POH HPOH 2

34

24 PO HPOH

Ukupna disocijacija je suma pojedinačnih disocijacija, a ukupna konstanta disocijacije proizvod pojedinačnih konstanti disocijacije

Ako je razlika između Ka1 za prvi stepen disocijacije i Ka2 za sledeći stepen disocijacije veća od 103 puta, pH u principu zavisi samo od prvog stepena disocijacije

][

][][

43

3

4

3

321 POH

POHKKKK

aaaa

3443 3 PO HPOH

Disocijacija sumporne kiseline

Page 47

Page 48

Puferi su rastvori:

slabih kiselina i njihovih konjugovanih baza (soli) (npr. CH(npr. CH33COOH/CHCOOH/CH33COONa)COONa) ili

rastvori slabih baza i njihovih konjugovanih kiselina (soli) (npr. NHNH33/NH/NH44Cl)Cl)

(smeše slabe kiseline i njene soli, ili slabe baze i njene soli)

Imaju osobinu da pri dodatku malih količina jakih kiselina ili jakih baza pH rastvora održavaju stalnim

Zbog toga su veoma bitni u brojnim hemijskim i biohemijskim sistemima (npr. u organizmu čoveka)

Page 49

ACETATNIACETATNI PUFERSKIPUFERSKI SISTEMSISTEM CHCH33COOH/CHCOOH/CH33COONaCOONa

AMONIJAČNIAMONIJAČNI PUFERSKIPUFERSKI SISTEMSISTEM

NHNH33/NH/NH44ClCl

KARBONATNIKARBONATNI PUFERSKIPUFERSKI SISTEMSISTEM NaHCONaHCO33/Na/Na22COCO33

ii FOSFATNIFOSFATNI PUFERSKIPUFERSKI SISTEMISISTEMI NaHNaH22POPO44/Na/Na22HPOHPO44

ii

NaNa22HPOHPO44/Na/Na33POPO44

Henderson-Hasselbach-ova jednačina daje izraz za pH puferskih rastvora

gde su:

Cb koncentracija konjugovane baze / koncentracija slabe baze

Ca koncentracija slabe kiseline / koncentracija konjugovane kiseline

Henderson-Hasselbach-ova jednačina a

ba c

c logpK Hp

K log- Kp aa slabe kiseline

Kako se izračunava pH pufera?

Page 51

Svaki pufer karakteriše:pH vrednost koji rastvor pufera

poseduje i održavaoblast puferovanjapuferski kapacitet

pH vrednost rastvora pufera zavisi od Ka, odnosno pKa vrednosti

Npr. kada je odnos koncentracije kiselina/konjugovana baza = 1 za acetatni pufer pH = pKa = 4,76kada je odnos koncentracije baza/konjugovana kiselina = 1 za amonijačni pufer pH = pKa = 9,25

Page 52

Oblast puferovanja zavisi od odnosa koncentracije slabe kiseline i njene konjugovane baze

1 Kp pH a

Page 53

Ako se u rastvor pufera, koji se sastoji od slabe kiseline i njene soli, doda mala količina jake kiseline H3O+ reagovaće konjugovana baza (so)

Ako se istom puferu doda mala količina jake baze OH-, reagovaće slaba kiselina

OH HA A OH 23

-A OH HO HA 2

Page 54

Npr. ako u rastvor acetatnog pufera koji se sastoji od smeše CH3COOH/CH3COONa dodamo jaku kiselinu npr. HCl, sa H+ jonima HCl reagovaće CH3COO- kao slaba baza pufera

COOHCHHCOOCH 33

tako u rastvoru umesto jake kiseline HCl nastaje ekvivalentna količina slabe kiseline CH3COOH

Page 55

Ako u rastvor acetatnog pufera koji se sastoji od smeše CH3COOH/CH3COONa (isti pufer) dodamo jaku bazu npr. NaOH, sa OH- jonima NaOH reagovaće CH3COOH kao slaba kiselina pufera

OHCOOCH OHCOOHCH 233

tako u rastvoru umesto jake baze NaOH nastaje slaba baza CH3COO- (so CH3COONa)

Page 56

Npr. ako u rastvor amonijačnog pufera koji se sastoji od smeše NH3/NH4Cl dodamo jaku kiselinu npr. HCl, sa H+ jonima HCl reagovaće NH3

kao slaba baza pufera

43 NHHNH

tako u rastvoru umesto jake kiseline HCl nastaje ekvivalentna količina slabe kiseline NH4

+ (so NH4Cl)

Page 57

Ako u rastvor amonijačnog pufera koji se sastoji od smeše NH3/NH4Cl (isti pufer) dodamo jaku bazu npr. NaOH, sa OH- jonima NaOH reagovaće NH4

+ kao slaba kiselina pufera

OHNH OHNH 234

tako u rastvoru umesto jake baze NaOH nastaje slaba baza NH3

Puferski kapacitet β meri se količinom jake kiseline ili jake baze koju treba dodati u 1 litar puferskog rastvora, da bi se njegova pH vrednost promenila za jedinicu

Puferski kapacitet zavisi od: koncentracije slabe kiseline (slabe baze) i koncentracije njene konjugovane baze

(konjugovane kiseline)i od njihovog odnosa

Page 59

Puferski kapacitet ima najveću vrednost kada su koncentracije kiseline i njene konjugovane baze (soli) ili baze i njene konjugovane kiseline (soli) jednake

Koncentrovaniji puferski rastvori imaju veći kapacitet

Što je puferski kapacitet veći, pufer je bolji, jer mu se može dodati veća količina jake baze ili jeke kiseline, a da ne dođe do promene pH

Page 60