Pochodne azotowe i wielofunkcyjne
Aminokwasy i peptydy (chemia org.)
Kwasy, zasady, pH, hydroliza i bufory
W teorii Brønsteda kwas oddaje proton, a zasada go przyjmuje. Każdej reakcji odpowiadają sprzężone pary różniące się o H⁺. Woda jest amfiprotyczna i może pełnić obie role.
pH=−log[H₃O⁺], a w 25°C pH+pOH=14. Zmiana pH o 1 oznacza dziesięciokrotną zmianę stężenia jonów hydroniowych.
Mocny elektrolit przyjmuje się za całkowicie zdysocjowany, a dla słabego stosuje się stałą Ka lub Kb. Hydroliza jonów soli wynika z reakcji sprzężonych kwasów lub zasad z wodą.
Bufor zawiera słaby kwas i jego sprzężoną zasadę lub słabą zasadę i sprzężony kwas. Zużywa niewielkie ilości dodanych H⁺ lub OH⁻, ograniczając zmianę pH.
pH=−log[H₃O⁺]; pOH=−log[OH⁻]; Ka·Kb=Kw
- Moc kwasu to położenie równowagi, nie jego stężenie.
- Sprzężona zasada mocnego kwasu jest bardzo słaba.
- Punkt równoważnikowy nie zawsze ma pH=7.
- W buforze największa pojemność występuje przy porównywalnych stężeniach pary.
Schemat: Kwasy, zasady, pH, hydroliza i bufory
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: XVIII.6
Niemetale i ich związki
Niemetale tworzą związki kowalencyjne i aniony, a ich tlenki na wysokich stopniach utlenienia często mają charakter kwasowy. Reaktywność i siła utleniająca halogenów maleje w dół grupy.
Azot tworzy związki od −III w NH₃ do +V w azotanach. Amoniak jest zasadą Brønsteda i ligandem, a proces Habera wymaga kompromisu między równowagą i szybkością.
SO₂ jest tlenkiem kwasowym i reduktorem, a stężony H₂SO₄ może działać utleniająco i odwadniająco. Chlor w wodzie dysproporcjonuje, tworząc HCl i HClO odpowiedzialny za działanie dezynfekujące.
- Ozon jest silniejszym utleniaczem niż O₂.
- HF jest słabym kwasem w wodzie mimo dużej elektroujemności F, ze względu na silne wiązanie H–F.
- HNO₃ i stężony H₂SO₄ mogą pasywować Fe, Al i Cr.
- NO utlenia się w powietrzu do brunatnego NO₂.
Podstawa programowa: XVIII.6
Aminy, amidy i aminokwasy
Aminy są pochodnymi amoniaku i dzięki wolnej parze na azocie działają jako zasady oraz nukleofile. Ich zasadowość zależy od dostępności pary elektronowej i wpływu podstawników.
Amidy mają parę elektronową azotu sprzężoną z grupą karbonylową, dlatego są znacznie słabszymi zasadami niż aminy i mają ograniczoną rotację wokół wiązania C–N.
Aminokwasy zawierają grupę aminową i karboksylową, dlatego są amfoteryczne i w wodzie często występują jako jony obojnacze. Wiązanie peptydowe jest wiązaniem amidowym powstającym w kondensacji.
- Aminy reagują z kwasami, tworząc sole amoniowe.
- Hydroliza amidu wymaga zwykle ogrzewania i katalizy kwasowej lub zasadowej.
- Punkt izoelektryczny to pH, przy którym średni ładunek aminokwasu wynosi 0.
- Reakcja biuretowa wykrywa układ co najmniej dwóch wiązań peptydowych.
Schemat: Aminy, amidy i aminokwasy
Budowa cząsteczki połączona z jej właściwościami.
Podstawa programowa: XVIII.6
Chemia cukrów, tłuszczów i białek
Monosacharydy zawierające wolną grupę hemiacetalową są cukrami redukującymi. Glukoza i fruktoza dają dodatnie próby redukcyjne, ponieważ w zasadowym środowisku fruktoza może izomeryzować.
Disacharydy i polisacharydy powstają przez wiązania glikozydowe. Sacharoza nie jest cukrem redukującym, ponieważ oba atomy anomeryczne uczestniczą w wiązaniu.
Tłuszcze są estrami glicerolu i wyższych kwasów karboksylowych. Nienasycone wiązania C=C mogą ulegać addycji i utlenianiu; zasadowa hydroliza daje glicerol i sole kwasów — mydła.
Białka są poliamidami aminokwasów. Denaturacja zmienia strukturę przestrzenną, a hydroliza rozcina wiązania peptydowe.
- Tollens: lustro srebrne; Trommer/Fehling: ceglastoczerwony Cu₂O.
- Jod tworzy barwny kompleks ze skrobią.
- Uwodornienie tłuszczów zmniejsza liczbę wiązań C=C.
- Reakcja ksantoproteinowa wskazuje aminokwasy aromatyczne w białku.
Podstawa programowa: XVIII.6
Najczęstsze błędy
„Mocny kwas zawsze ma niższe pH niż słaby”
Poprawnie: pH zależy także od stężenia; rozcieńczony mocny kwas może mieć wyższe pH niż stężony słaby.
„Sól mocnego kwasu i mocnej zasady zawsze daje pH=7 w każdych warunkach”
Poprawnie: W idealnym rozcieńczonym roztworze w 25°C tak, ale temperatura, aktywności i dodatkowe reakcje mogą zmieniać wynik.
„Każdy kwas fluorowca jest mocniejszy dla bardziej elektroujemnego atomu”
Poprawnie: W szeregu HF–HI dominuje osłabienie wiązania H–X; HI jest znacznie mocniejszy od HF.
„SO₂ jest wyłącznie zanieczyszczeniem bez właściwości redukujących”
Poprawnie: Siarka na +IV może ulec utlenieniu do +VI, dlatego SO₂ działa jako reduktor.
Zadania z odpowiedziami
1. pH mocnego kwasu
Oblicz pH roztworu HCl o c=1,0×10⁻³ mol/dm³.
- 1.Przyjmij pełną dysocjację.
- 2.[H₃O⁺]=10⁻³ mol/dm³.
- 3.Oblicz −log(10⁻³).
Odpowiedź
pH=3,00.
2. Hydroliza anionu
Oceń odczyn roztworu Na₂CO₃.
- 1.Na⁺ pochodzi od mocnej zasady i nie hydrolizuje istotnie.
- 2.CO₃²⁻ jest sprzężoną zasadą słabego HCO₃⁻/H₂CO₃.
- 3.Zapisz CO₃²⁻+H₂O⇌HCO₃⁻+OH⁻.
Odpowiedź
Roztwór ma odczyn zasadowy wskutek powstawania OH⁻.
3. Wypieranie halogenu
Czy Cl₂ utleni Br⁻ do Br₂?
- 1.Porównaj siłę utleniającą Cl₂ i Br₂.
- 2.Cl₂ jest silniejszym utleniaczem.
- 3.Zapisz Cl₂+2Br⁻→2Cl⁻+Br₂.
Odpowiedź
Tak, chlor wypiera brom z bromków.
4. Reakcja aminy z kwasem
Zapisz reakcję metyloaminy z HCl.
- 1.Wskaż wolną parę azotu.
- 2.Przenieś proton z HCl.
- 3.Zapisz sól CH₃NH₃⁺Cl⁻.
Odpowiedź
CH₃NH₂+HCl→CH₃NH₃Cl.
Podsumowanie
- Moc kwasu to położenie równowagi, nie jego stężenie.
- Sprzężona zasada mocnego kwasu jest bardzo słaba.
- W teorii Brønsteda kwas oddaje proton, a zasada go przyjmuje. Każdej reakcji odpowiadają sprzężone pary różniące się o H⁺. Woda jest amfiprotyczna i może pełnić obie role.
- Ozon jest silniejszym utleniaczem niż O₂.
- HF jest słabym kwasem w wodzie mimo dużej elektroujemności F, ze względu na silne wiązanie H–F.
- Niemetale tworzą związki kowalencyjne i aniony, a ich tlenki na wysokich stopniach utlenienia często mają charakter kwasowy. Reaktywność i siła utleniająca halogenów maleje w dół grupy.
- Aminy reagują z kwasami, tworząc sole amoniowe.
Słownik pojęć
- Sprzężona para
- Kwas i zasada różniące się jednym protonem.
- Hydroliza soli
- Reakcja jonu soli z wodą wpływająca na pH.
- Pojemność buforowa
- Ilość kwasu lub zasady, którą bufor może zobojętnić przy małej zmianie pH.
- Pasywacja
- Ochrona metalu przez zwartą warstwę produktu.
- Dysproporcjonowanie
- Jednoczesne utlenienie i redukcja tego samego pierwiastka.
- Tlenek kwasowy
- Tlenek reagujący z zasadami i często tworzący kwas z wodą.
- Jon obojnaczy
- Cząstka zawierająca jednocześnie ładunek dodatni i ujemny.
- Wiązanie peptydowe
- Wiązanie amidowe między resztami aminokwasów.