Syror och baser: Protolys

• Syror och baser är grundläggande kemiska koncept med breda tillämpningar

Protolys

• Protolys är en reaktion där en proton (H+) överförs från en syra till en bas
• En syra definieras som en protondonator, medan en bas är en protonacceptor
• Vatten kan fungera både som en syra och en bas, vilket kallas amfolyt
• Vattnets autoprotolys innebär att vattenmolekyler reagerar med varandra och bildar H3O+ och OH- joner
• pH-värdet är ett mått på koncentrationen av vätejoner (H+) i en lösning
• pH-skalan sträcker sig vanligtvis från 0 till 14, där pH < 7 indikerar en sur lösning, pH = 7 en neutral lösning och pH > 7 en basisk lösning
• pH definieras som den negativa logaritmen av vätejonkoncentrationen: pH = -log[H+]
• Starka syror och baser protolyseras fullständigt i vatten, medan svaga syror och baser endast protolyseras delvis
• För svaga syror och baser används syrakonstanten Ka respektive baskonstanten Kb för att beskriva protolysjämvikten
• Ju större Ka-värde, desto starkare är syran. Ju större Kb-värde, desto starkare är basen
• pKa är den negativa logaritmen av Ka: pKa = -log(Ka)
• pKb är den negativa logaritmen av Kb: pKb = -log(Kb)
• För ett korresponderande syra-baspar gäller att pKa + pKb = 14 vid 25°C
• Buffertlösningar består av en svag syra och dess korresponderande bas, eller en svag bas och dess korresponderande syra
• Buffertlösningar kan motstå förändringar i pH vid tillsats av små mängder syra eller bas
• Buffertkapaciteten är ett mått på hur väl en buffertlösning kan motstå pH-förändringar
• Henderson-Hasselbalch-ekvationen används för att beräkna pH i en buffertlösning: pH = pKa + log([A-]/[HA]), där [A-] är koncentrationen av den korresponderande basen och [HA] är koncentrationen av den svaga syran

Syra-bas Reaktioner

• En syra-bas reaktion innebär överföring av en eller flera protoner från en syra till en bas
• Vid en syra-bas reaktion bildas ett salt och vatten (om reaktionen sker i vattenlösning)
• Titrering är en metod för att bestämma koncentrationen av en syra eller bas genom att reagera den med en lösning av känd koncentration (titrator)
• Ekvivalenspunkten i en titrering är den punkt då syran och basen har reagerat i ekvivalenta mängder
• Indikatorer är ämnen som ändrar färg beroende på pH och används för att detektera ekvivalenspunkten i en titrering
• Starka syror och baser protolyseras fullständigt i vatten och reagerar fullständigt med varandra
• Svaga syror och baser protolyseras endast delvis och reagerar i en jämvikt
• Neutralisation är en reaktion mellan en syra och en bas som resulterar i en lösning med pH nära 7

PH-beräkningar

• pH-beräkningar innebär att man bestämmer pH-värdet i en lösning baserat på koncentrationen av syror och baser
• För starka syror gäller att [H+] ≈ syrakoncentrationen, och pH = -log[H+]
• För starka baser gäller att [OH-] ≈ baskoncentrationen, och pOH = -log[OH-]. pH kan sedan beräknas som pH = 14 - pOH
• För svaga syror måste man ta hänsyn till jämvikten. Ka = [H+][A-]/[HA]. Ofta kan man approximera [H+] ≈ √(Ka*[HA]) och pH = -log[H+]
• För svaga baser måste man ta hänsyn till jämvikten. Kb = [OH-][HB+]/[B]. Ofta kan man approximera [OH-] ≈ √(Kb*[B]) och pOH = -log[OH-]. pH kan sedan beräknas som pH = 14 - pOH
• Vid beräkning av pH i en buffertlösning används Henderson-Hasselbalch-ekvationen: pH = pKa + log([A-]/[HA])
• Vid tillsats av en stark syra till en buffertlösning reagerar syran med den korresponderande basen, vilket minskar pH-förändringen
• Vid tillsats av en stark bas till en buffertlösning reagerar basen med den svaga syran, vilket minskar pH-förändringen
• Vid beräkning av pH efter blandning av en syra och en bas måste man ta hänsyn till eventuell neutralisation och eventuell överskott av syra eller bas

Syra-bas Titrering

• Syra-bas titrering är en kvantitativ analysmetod som används för att bestämma koncentrationen av en syra eller bas i en lösning
• Titreringen utförs genom att tillsätta en lösning av känd koncentration (titrator) till den lösning som ska analyseras (analyten)
• Titratorn reagerar med analyten tills ekvivalenspunkten nås, vilket kan detekteras med hjälp av en indikator eller en pH-mätare
• Vid titrering av en stark syra med en stark bas är pH vid ekvivalenspunkten 7
• Vid titrering av en svag syra med en stark bas är pH vid ekvivalenspunkten högre än 7
• Vid titrering av en svag bas med en stark syra är pH vid ekvivalenspunkten lägre än 7
• Valet av indikator är viktigt för att bestämma ekvivalenspunkten korrekt. Indikatorns omslagsintervall bör ligga nära pH-värdet vid ekvivalenspunkten
• Titrerkurvan visar pH som funktion av tillsatt titratorvolym. Kurvans form beror på styrkan hos syran och basen
• Halvtitrerpunkten är den punkt då hälften av syran (eller basen) har neutraliserats. Vid halvtitrerpunkten är pH = pKa (eller pOH = pKb)
• Genom att analysera titrerkurvan kan man bestämma koncentrationen av analyten samt identifiera eventuella svaga syror eller baser i lösningen
• En diprotisk syra har två protolyserbara protoner, och titrerkurvan kommer att ha två ekvivalenspunkter