Kwasy karboksylowe
Kwasy karboksylowe — budowa i moc
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: XVI.1
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: XVI.5
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 związek z grupą OH jest mocną zasadą”
Poprawnie: Alkohole są bardzo słabymi kwasami i zasadami, a fenole wykazują zauważalną kwasowość.
„Ketony dają próbę Tollensa”
Poprawnie: Typowe ketony nie utleniają się łagodnymi odczynnikami Tollensa i Trommera.
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. Rozróżnianie aldehydu i ketonu
Zaproponuj próbę rozróżniającą etanal i propanon.
- 1.Dodaj odczynnik Tollensa do oddzielnych próbek.
- 2.Ogrzej łagodnie.
- 3.Obserwuj lustro srebrne dla aldehydu.
Odpowiedź
Etanal daje dodatnią próbę Tollensa, propanon nie reaguje w tych warunkach.
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.
- Alkohol I-rzędowy → aldehyd → kwas; II-rzędowy → keton.
- Fenol reaguje z NaOH, ale typowy alkohol nie.
- 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.
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.
- Grupa karbonylowa
- Grupa C=O obecna m.in. w aldehydach i ketonach.
- Estryfikacja
- Odwracalna reakcja kwasu karboksylowego z alkoholem.
- Zmydlanie
- Zasadowa hydroliza estru prowadząca do soli kwasu.