Tlenowe pochodne węglowodorów
Fenole — budowa i właściwości
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: XIV.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: XIV.7
Węglowodory i ich reakcje
Alkany mają wyłącznie wiązania σ i reagują głównie przez spalanie oraz rodnikową substytucję. Alkeny i alkiny zawierają wiązania π, które łatwiej ulegają addycji elektrofilowej.
Reguła Markownikowa przewiduje główny produkt addycji HX do niesymetrycznego alkenu w typowych warunkach, gdy mechanizm prowadzi przez bardziej stabilny karbokation.
Benzen ma zdelokalizowany układ π i preferuje substytucję elektrofilową zamiast addycji, ponieważ zachowuje aromatyczność. Warunki i katalizator są częścią poprawnego równania.
- Spalanie całkowite daje CO₂ i H₂O, niecałkowite CO lub C.
- Odbarwienie bromu może świadczyć o addycji do wiązania wielokrotnego.
- Polimeryzacja addycyjna otwiera wiązania π monomerów.
- Substytucja alkanu światłem UV zachodzi mechanizmem rodnikowym.
Schemat: Węglowodory i ich reakcje
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: XIV.6
Związki organiczne zawierające tlen
Grupa hydroksylowa zwiększa polarność i zdolność tworzenia wiązań wodorowych. Alkohole reagują m.in. z aktywnymi metalami, ulegają utlenianiu, odwodnieniu i estryfikacji; fenole są bardziej kwasowe dzięki stabilizacji anionu fenolanowego.
Aldehydy mają grupę karbonylową na końcu łańcucha i łatwo utleniają się do kwasów, dając dodatnie próby Tollensa lub Trommera. Ketony w typowych warunkach nie dają tych prób.
Kwasy karboksylowe dysocjują słabo, reagują z zasadami, metalami aktywnymi i wodorowęglanami. Estry powstają w odwracalnej estryfikacji kwasu z alkoholem i mogą ulegać hydrolizie kwasowej lub zasadowej.
- Alkohol I-rzędowy → aldehyd → kwas; II-rzędowy → keton.
- Fenol reaguje z NaOH, ale typowy alkohol nie.
- Estryfikację przesuwa usuwanie wody lub nadmiar reagenta.
- Hydroliza zasadowa estru prowadzi do anionu karboksylanowego i jest praktycznie nieodwracalna.
Schemat: Związki organiczne zawierające tlen
Budowa cząsteczki połączona z jej właściwościami.
Podstawa programowa: XIV.7
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. Addycja do propenu
Podaj główny produkt addycji HBr do propenu bez nadtlenków.
- 1.Proton przyłącza się tak, by powstał stabilniejszy karbokation drugorzędowy.
- 2.Br⁻ atakuje karbokation.
- 3.Nazwij produkt.
Odpowiedź
Głównym produktem jest 2-bromopropan.
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.
- Spalanie całkowite daje CO₂ i H₂O, niecałkowite CO lub C.
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.
- Addycja
- Przyłączenie atomów do wiązania wielokrotnego bez odszczepienia małej cząsteczki.
- Aromatyczność
- Szczególna stabilizacja cyklicznego sprzężonego układu elektronów π.