Systematyka nieorganiczna
Zasady i wodorotlenki amfoteryczne
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: VII.7
Klasy związków nieorganicznych i ich reakcje
Tlenki klasyfikuje się jako zasadowe, kwasowe, amfoteryczne lub obojętne na podstawie reakcji. Tlenki metali na niskich stopniach często są zasadowe, a niemetali na wysokich — kwasowe.
Wodorotlenki mocnych zasad dysocjują prawie całkowicie, słabo rozpuszczalne tworzą równowagi. Związki amfoteryczne reagują zarówno z kwasami, jak i z mocnymi zasadami, często tworząc kompleksy hydroksylowe.
Sole mogą powstawać w reakcjach zobojętniania, metalu z kwasem, tlenków z kwasami lub zasadami oraz wymiany. Przebieg w roztworze jest napędzany powstaniem osadu, gazu lub słabego elektrolitu.
- Al₂O₃ i Al(OH)₃ są amfoteryczne.
- CO i NO są przykładami tlenków obojętnych w typowych warunkach szkolnych.
- Kwaśne sole zawierają wodór zdolny do dalszej dysocjacji.
- W równaniu jonowym należy uwzględniać rzeczywistą formę cząstek.
Podstawa programowa: VII.8
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: VII.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 tlenek metalu jest zasadowy”
Poprawnie: Tlenki części metali na wysokich stopniach są kwasowe lub amfoteryczne.
„Amfoteryczny oznacza obojętny”
Poprawnie: Związek amfoteryczny reaguje zarówno z kwasem, jak i zasadą.
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. Amfoteryczność Al(OH)₃
Zapisz reakcje Al(OH)₃ z HCl i NaOH w formie jonowej skróconej.
- 1.Z kwasem: zobojętnienie grup OH.
- 2.Z zasadą: utworzenie kompleksu hydroksylowego.
- 3.Zbilansuj ładunek i atomy.
Odpowiedź
Al(OH)₃+3H⁺→Al³⁺+3H₂O; Al(OH)₃+OH⁻→[Al(OH)₄]⁻.
4. 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.
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.
- Al₂O₃ i Al(OH)₃ są amfoteryczne.
- CO i NO są przykładami tlenków obojętnych w typowych warunkach szkolnych.
- Tlenki klasyfikuje się jako zasadowe, kwasowe, amfoteryczne lub obojętne na podstawie reakcji. Tlenki metali na niskich stopniach często są zasadowe, a niemetali na wysokich — kwasowe.
- Ozon jest silniejszym utleniaczem niż O₂.
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.
- Amfoteryczność
- Zdolność do reakcji zarówno z kwasami, jak i zasadami.
- Tlenek kwasowy
- Tlenek reagujący z zasadą i zwykle odpowiadający kwasowi tlenowemu.
- Sól kwaśna
- Sól zawierająca wodór w anionie kwasowym.
- Pasywacja
- Ochrona metalu przez zwartą warstwę produktu.
- Dysproporcjonowanie
- Jednoczesne utlenienie i redukcja tego samego pierwiastka.