Reakcje w roztworach wodnych
Teorie kwasowo-zasadowe (Arrhenius, Brønsted, Lewis)
Wiązania chemiczne i wzory Lewisa
Wiązanie jonowe wynika z elektrostatycznego przyciągania kationów i anionów w sieci krystalicznej. Wiązanie kowalencyjne powstaje przez uwspólnienie pary elektronowej, a metaliczne przez oddziaływanie kationów metalu ze zdelokalizowanymi elektronami.
Wzór Lewisa pokazuje elektrony walencyjne, pary wiążące i wolne. Poprawny zapis minimalizuje uzasadnione ładunki formalne i spełnia regułę dubletu dla H oraz najczęściej oktetu dla pierwiastków drugiego okresu.
Wiązanie koordynacyjne różni się sposobem pochodzenia pary elektronowej, lecz po utworzeniu jest zwykłym wiązaniem kowalencyjnym. Rezonans oznacza, że rzeczywista struktura jest hybrydą kilku równoważnych zapisów.
- Różnica elektroujemności pomaga przewidzieć polaryzację, ale nie stanowi ostrej granicy typów wiązań.
- Kryształ jonowy nie składa się z pojedynczych cząsteczek NaCl.
- Ładunek formalny: elektrony walencyjne − niewiążące − 1/2 wiążących.
- Rezonans nie oznacza szybkiego przechodzenia między strukturami.
Schemat: Wiązania chemiczne i wzory Lewisa
Budowa cząsteczki połączona z jej właściwościami.
Podstawa programowa: VI.7
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: VI.8
Najczęstsze błędy
„Związek jonowy tworzą oddzielne cząsteczki”
Poprawnie: Tworzy rozległą sieć jonów; wzór podaje najprostszy stosunek jonów.
„Struktury rezonansowe istnieją naprzemiennie”
Poprawnie: Są zapisami granicznymi jednej zdelokalizowanej struktury.
„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.
Zadania z odpowiedziami
1. Wzór Lewisa CO₂
Zbuduj wzór Lewisa CO₂ i oceń ładunki formalne.
- 1.Policz 16 elektronów walencyjnych.
- 2.Ustaw C w centrum i połącz z O.
- 3.Utwórz dwa wiązania podwójne, aby spełnić oktety.
Odpowiedź
O=C=O, na każdym O są dwie pary wolne; wszystkie ładunki formalne wynoszą 0.
2. 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.
3. 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⁻.
Podsumowanie
- Różnica elektroujemności pomaga przewidzieć polaryzację, ale nie stanowi ostrej granicy typów wiązań.
- Kryształ jonowy nie składa się z pojedynczych cząsteczek NaCl.
- Wiązanie jonowe wynika z elektrostatycznego przyciągania kationów i anionów w sieci krystalicznej. Wiązanie kowalencyjne powstaje przez uwspólnienie pary elektronowej, a metaliczne przez oddziaływanie kationów metalu ze zdelokalizowanymi elektronami.
- 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.
Słownik pojęć
- Wiązanie koordynacyjne
- Wiązanie, w którym początkowo oba elektrony pary pochodzą od jednego atomu.
- Ładunek formalny
- Umowny ładunek atomu przy równym podziale elektronów wiążących.
- Rezonans
- Opis delokalizacji za pomocą kilku struktur granicznych.
- 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.