ACIZI BAZE SARURI
Acizi,Baze,Sãruri
Prezentare. Acizii sunt substante care (in stare pura sau in solutie apoasa) au gust
acru, descompun piatra de var cu degradare de bioxid de carbon, reactioneaza cu
unele metale cum este zincul degajand hydrogen si schimba din violet in rosu
culoarea unui colorant izolat din plante (anume din unii licheni) si numit
turnesol. Am
intalnit in capitolele precedente, cativa acizi, de exemplu: acidul clorhidric,
HCl, acidul percloric, HClO4, si acidul sulfuric, H2SO4. Din
experienta zilnica ne sunt cunoscuti unii acizi organici, ca de exemplu acidul
acetic, CH3COOH, din otet si acizii din fructele acre, de exemplu acidul citric
din lamaie.
Bazele
au gust lesietic, produc in solutie o senzatie grasa la pipait si schimba
culoarea turnesolului din rosu in albastru. Printre baze se numara hidroxizii metalelor
alcaline, cum sunt hidroxizii metalelor alcalino-pamantoase, de exemplu
hidroxidul de calciu (varul stins), Ca(OH)2, hidroxizii altor metale si
amoniacul, NH3.
Acizii reactioneaza cu
bazele, in anumite proportii definite. Cand un acid reactioneaza cu o baza,
dispar proprietatile sale caracteristice (gustul acru, proprietatea de a colora
turnesolul in rosu). De asemenea dispar proprietatile bazei (gustul lesietic si
proprietatea de a colora turnesolul in albastru). Din cauza pierderii acestor
proprietati se spune: acidul a fost neutralizat sau baza a fost neutralizata.
La neutralizarea unui acid printr-o baza ia nastere o sare.
Combinatiile diferitelor
elemente cu oxigenul, oxizii, sunt de doua feluri. Unii, cum sunt SO3 sau P2O5,
dau acizi cand se combina cu apa. Acesti oxizi se numesc anhidride de acizi.
Alti oxizi dau baze prin combinare cu apa. Printre acestia se numara oxizii
metalelor alcaline, ca oxidul de sodiu, Na2O, care da NaOH, oxizii metalelor
lacalino-pamantoase, ca oxidul de calciu, CaO, care da Ca(OH)2, si altii.
Dezvoltarea moderna a
teoriei chimice a dus la definitii exacte ale acizilor si bazelor.
Termenul de acid provine din
limba latina
Substantele cu propietati
opuse acizilor, care inalbastresc hartia de turnesol, au fost numite alcalii;
acest termen provine din limba araba: al kalium=cenusa de plante. S-a obsevat
inca din perioada iatrochimica faptul ca alcaliile neutralizeaza acizii,
rezultand saruri. Prin calcinarea sarurilor s-a constatat ca ,,partea acida” se
volatilizeaza, iar restul ce ramane este baza, un oxid si in anul 1774
chimistul francez Guillaume Francois Rouelle (1703-1770) a introdus termenul de
baza, ca fiind substante ce reactioneaza cu acizii si dau saruri.
Definitia acizilor si bazelor. Hidroxizii bazici sunt substante ionice. Ca exemple
vom considera intai urmatorii doi hidroxizi metalici, care pot fi formulati
astfel:
Na+HO- Ca2+(HO-)2
Hidroxid de sodiu
Hidroxid de calciu
Componenta comuna acestor
doua substante, cea care le confera lor proprietati asemanatoare, bazice, este
ionul hidroxil, HO-. Amoniacul este de asemenea bazic, cu toate ca este
electroneutru (molecula sa nu are o sarcina electrica). Ionul hidroxil si
amoniacul au insa, in comun, o proprietate caracteristica: ambii poseda
electroni neparticipanti (amoniacul o pereche, iar hidroxidul trei perechi de
electroni neparticipanti):
H
. . H - N :
H - O : -
‘ ‘
Ionul hidroxil
H
Amoniacul
Pe de alta parte, ca
trasatura comuna, toti acizi poseda cel putin un atom de hidrogen, pe care il
pot ceda unei baze, ca proton (ca ion sau nucleu de hidrogen). Deci:
Acizii sunt substante capabile de a ceda un proton (sau mai multi protoni).
Bazele sunt substante capabile de a accepta un proton (sau mai multi protoni).
Sa consideram intai reactia
unui acid, acidul clorhidric, cu doua baze, si anume cu doi hidroxizi metalici:
. . . .
. .
H - Cl : +
Na+H - O:- Na+Cl- +
H - O - H (1)
‘ ‘ ‘ ‘ ‘
‘
Acid clorhidric Hidroxid de sodiu Clorura de sodiu Apa
. .
. .
. .
2H -
Cl: + Ca2+ 2H - O:- Ca2+ 2Cl- + 2
H - O - H (2)
‘ ‘
‘ ‘
‘ ‘
Acidul Clorhidric
Hidroxid de calciu Clorura de
calciu Apa
Trebuie sa observam, in
primul rand, ca protonul cedat de acid se leaga de o pereche de electroni
neparticipanti ai bazei. In al doilea rand, in aceste reactii (si la fel in
toate reactiile hidroxizilor metalici cu acizii) se formeaza apa. La cele doua
reactii de mai sus participa si ioni metalici (Na+ sau Ca2+) si se formeaza
ioni de clor, Cl-, astfel ca iau nastere saruri, anume clorura de sodiu, NaCl
si clorura de calciu, CaCl2.
La combinarea amoniacului de
acid clorhidric, acidul cedeaza de asemenea un proton bazei si se formeaza o
sare, clorura de amoniu:
H H +
.
.
. .
H - Cl:
+ :N - H H - N - H +
:Cl: - (3)
‘ ’ ‘
‘
H H
Acidul Amoniac Ion de amoniu Ion de clorura
clorhidric
In toate reactiile dintre un
acid si o baza, formulate mai sus, are loc transferul unui proton de la acid la
baza. Acesta este procesul chimic esential care are loc in reactia dintre un
acid si o baza. Protonii sunt insa legati covalent atat in acizi, cat si in
baze; ei nu apar liberi in reactia dintre acizi si baze (sau in solutie).
Sarurile sunt compuse
intotdeauna, dupa cum reiese din exemplele de mai sus, din ioni si anume din
cationi si anioni, intr-o asemenea proportie incat numarul sarcinilor pozitive
sa fie egal cu numarul sarcinilor negative.
Hidracizi si oxiacizi. Unii acizi au molecula formata numai din hidrogen
si un element electronegativ, de exemplu HCl, HI, H2S. Acestia se numesc
hidracizi. Denumirea unui hidracid se formeaza de la numele elementului
electronegaitv la care se adauga sufixul hidric.
De exemplu, acidul H2S se numeste acid sulfhidric, iar HI acid iodhidric.
Numele sarurilor acestor acizi se alfa adaugand sufixul ura la numele elementului electronegativ. Astfel, sarea de potasiu
a acidului iodhidric, KI, se numeste iodura de potasiu.
Alti acizi, mai numerosi,
contin in molecula si oxigen alaturi de hidrogen si elementul electronegativ.
Acestia se numesc oxiacizi. Daca
elementul electronegativ din acid (atomul central) se afla intr-o valenta
superioara numele acidului se termina in ic,
iar cel al sarurilor corespunzatoare in at.
De exemplu, acidul HClO3 se numeste acid
cloric, iar sarea lui de sodiu, NaClO3, clorat de sodiu. Atunci cand atomul
central se gaseste intr-o valenta inferioara numele acidului are sufixul os, iar cel al sarii sufixul it. Astfel, acidul HClO2 este numit acid
cloros, iar sarea lui de sodiu, NaClO2, clorit de sodiu.
In general, oxiacizii pot
rezulta din reactia anhidridelor cu apa
SO3 + H2O H2SO4
Trioxid de sulf Acid
sulfuric
CO2 + H2O H2CO3
Bioxid de carbon Acid
carbonic
Acizi mono- si polibazici. Baze mono- si
poliacide. Unii acizii pot ceda bazelor un singur proton si de aceea se
numesc acizi monobazici; altii pot ceda doi, trei sau patru protoni si se
numesc acizi bi-, tri- sau tetrabazici:
HCl H2SO4 H3PO4 H4SiO4
Acid clorhidric Acid sulfuric Acid fosforic Acid silicic
(monobazic) (bibazic) (tribazic) (tetrabazic)
La acizii polibazici,
protonii sunt cedati pe rand. Intermediar se
formeaza saruri care mai contin hidrogen acid, numite saruri acide:
NaOH + H2SO4 Na+HSO4- + H2O
Hidroxid de
sodiu Acid sulfuric Sulfat acid de sodiu Apa
(sulfat monosodic)
NaOH + Na+HSO4- 2Na+SO42- +
H2O
Hidroxid de
sodiu Sulfat acid de sodiu Sulfat de sodiu Apa
(sulfat
monosodic) (sulfat disodic)
Acidul fosforic poate forma
in mod similar, trei saruri: fosfat monosodic, NaH2PO4, fosfat disoric, Na2HPO4
si fosfat trisodic, Na3PO4.
Exista de asemenea baze care
pot primi unul sau mai multi protoni, numite baze monoacide, biacide etc.
Reactiile acid-baza in solutie apoasa. Conform definitiei de mai
sus, un acid este o substanta capabila de a ceda un proton. Din exemplele
mentionate mai rezulta ca un acid nu poate ceda un proton decat unei baze; o
baza accepta un proton de la un acid.
Acizii lichizi pot reactiona
direct cu bazele solide, fara dizolvant. De foarte multe ori insa reactiile
acid-baza se petrec in solutii. Dizolvantul cel mai frecvent este apa. Vom
considera de aceea mai amanuntit reactiile acid-baza in solutie apoasa.
Hidroxizii metalici sunt compusi
din ioni, atat in stare solida cat si in stare topita sau in solutie. De
exemplul hidroxidul de sodiu este compus din ioni Na+ si HO- atat de stare
solida cristalizata cat si in solutie apoasa.
Acizii de tipul discutat mai
sus, ca HCl sau H2SO4, sunt, in stare pura, substante neionizate covalente. Se
produce ionizare abia la dizolvarea in apa si anume: la dizolvare are loc o
reactie intre acid si apa:
H H
. . .
.
H - Cl: +
:O - H O:+ + :Cl:- (4)
‘ ‘ ‘ ‘ / \ ‘ ‘
H H
Acid clorhidric Apa Ion de hidroniu Ion de clorura
Acidul clorhidric cedeaza un
proton unei molecule de apa: se formeaza un ion de hidroniu si un ion de
clorura. In aceasta reactie molecula de apa se comporta deci ca o baza.
Reactia (4) se aseamana mult
cu reactia (3) dintre amoniac si acid clorhidric, formulata mai inainte. Ionul
de hidroniu este un ion complex (adica un ion format din mai multi atomi)
analog ionului de amoniu. Ionul de hidroniu este insa mai putin stabil decat
ionul de amoniu, pentru ca apa este o baza mai slaba decat amoniacul. Se pot
insa izola, in anumite conditii, saruri de hidroniu cristalizate, de exemplu
percloratul de hidroniu, H2O+ ClO4-, care seamana mult cu percloratul de
amoniu, NH4+ ClO4-, dar este stabil numai la temperatura joasa.
Solutia de acid clorhidric
in apa nu contine molecule HCl (decat intr-o foarte mica masura neglijabila
pentru consideratiile de fata). Ecuatia chimica (1) scrisa mai inainte este
deci valabila numai pentru reactia: acid clorhidric anhidru (acid fara apa) si
hidroxid de sodiu. In solutie apoasa, formularea corecta va fi urmatoarea:
Cl- +
H3O + Na+
+ HO- Cl-
+ H2O +
Na+ + H2O
(5)
Ion de Ion
de Ion de
Ion Ion de Apa
Ion de Apa
clorura
hidroniu sodiu hidroxil clorura sodiu
In reactia (5) ionii Cl- si
Na+ apar atat in membrul drept cat si in membrul stang al ecuatiei. Ei nu iau
efectiv parte la reactie si deci pot fi omisi in ecuatie. Singura reactie
care are loc este:
H3O+ +
HO- H2O +
H2O
(6)
Ion de
Ion Apa Apa
Hidroniu hidroxil
Ionul hidroxil a fost
definit mai sus ca o baza. In reactia (6) ionul de hidroniu cedeaza un proton
unei baze. Conform definitiei, ionul de hidroniu este deci un acid.
Alti acizi, cum sunt acidul
sulfuric, acidul azotic, acidul fosforic si multi altii reactioneaza cu apa la
fel ca acidul clorhidric (in ecuatia 4). Solutiile acestor acizi contin, prin
urmare, ca singura componenta acida, ionul de hidroniu. La neutralizarea
acestor acizi cu hidroxid de sodiu, in solutie apoasa, singura reactie care are
loc este reactia (6). Cand se combina amoniacul, in solutie apoasa, cu un acid
de felul celor mentionati mai sus, reactia (principala) care are loc este
urmatoarea:
H3O+ +
NH3 H2O +
NH4+
(7)
Ion de Amoniac Apa Ion de
hidroniu
amoniu
Rezulta din aceasta reactie
ca amoniacul este o baza mai tare decat apa; el leaga mai puternic protonul
decat apa.
Amoniacul este un gaz foarte
usor solubuil in apa. In solutia de amoniac in apa, o mare parte din moleculele
NH3 sunt dizolvate fizic; o mica parte reactioneaza cu apa. Reactia amoniacului
cu apa este o reactie reversibila:
H2O +
NH3 HO- +
NH4+
(8)
Apa Amoniac Ion Ion de
hidroxil amoniu
Solutia de amoniac in apa
contine deci ioni hidroxil, dar in concentratie mica, sub 1%, depinzand de
concentratia amoniacului (si de temperatura). In reactia (8), apa se comporta
ca un acid (caci cedeaza un proton). Am vazut mai inainte, de exemplu in
reactia (4), ca apa poate reactiona si ca o baza. Constatam asltfel ca unele
substante se pot comporta in unele conditii ca acizi, iar altele ca baze.
Asemenea substante se numesc amfotere.
Daca tratam clorura de
amoniu cu hidroxid de sodiu, in solutie apoasa, se formeaza amoniac si clorura
de sodiu:
NH4+ +
Cl- + Na+
+ HO- NH3
+ Cl- +
Na+ + H2O
Putem simplifica aceasta
ecuatie, scriind numai reactantii (ionii) care iau parte efectiv la reactie.
Obtinem astfel:
NH4+ +
HO- NH3 +
H2O
(9)
Deducem din aceasta ecuatie
ca ionul hidroxil este o baza mai tare decat amoniacul, caci el extrage
(aproape in intregime) protonul din ionul de amoniu, formand apa si amoniac.
O alta concluzie importanta,
decurgand din cea de mai sus, este urmatoarea: oricarei baze ii corespunde un
acid (acidul conjugat bazei), de exemplu:
Baza: Proton: Acizii conjugati:
slaba
tare
H2O + H+
H3O+
Cl- + H+
HCl
(10)
NH3 + H+
NH4+
HO-
+ H+ H2O
tare
slab
Sarcina elctrica a acizilor
si bazelor nu este esentiala. Exista acizi neutri (HCl, H2SO4) si acizi
cationici (H3O+,NH4+); exista baze neutre (NH3) si baze anionice (HO-). Exista
si acizi anionici (de exemplu ionul de sulfat acid, HSO4-, in acest caz baza
conjugata este ionul de sulfat, SO2-4).
Prin reactia dintre un acid
si o baza se formeaza o sare si apa; este o reactie de neutralizare ce are loc
cu degajare de caldura. Deoarece reactiile de neutralizare au loc in mediu
apos, acidul, baza si sarea rezultata fiind deci ionizate, rezulta ca reactia
de neutralizare este reactia de legare a ionilor de hidrogen H+ de ionii
lidroxilici OH-, formandu-se apa:
H+ + Cl?
+ Na+ + OH?
? Na+
+ Cl? + H2O
Ion de
Ion de Ion de Ion
Ion de Ion de Apa
Hidrogen clorura sodiu
hidroxil sodiu clorura
Prin urmare, in reactia de
neutralizare intervin numai ionii cere vor forma molecule nedisociate,
respectiv apa. Aceasta apreciere are caracter de generalizare si este sustinuta
de determinari ale efectului termic in reactiile de neutralizare dintre acizii
tari si baze tari, obtinandu-se totdeauna ΔH=-57,36 kJ/mol.
Efectul termic in aceste cazuri nu depinde de nature anionilor si cationilor,
ci numai de anionii hidroxilici si de ionii de hidrogen. In cazul neutralizarii
acizilor slabi cu baza slabe, efectul termic are diferite valori, inferioare celei
de mai sus.
Acizi tari si acizi slabi. Baze tari si baze slabe. Reactiile acizilor si
bazelor neutre (neionice) cu apa sunt reactii reversibile (in paginile
precedente aceste reactii au fost formulate ca reactii ireversibile, din motive
de simplitate). Vom considera aici doua exemple, reactiile acizilor clorhidric
si acetic cu apa:
H - Cl +
H2O H3O+ +
Cl- (11)
CH3COOH +
H2O H3O+ +
CH3COO- (12)
Desi formulate in mod
analog, cele doua reactii se deosebesc intr-un punct important. Echilibrul (11)
este complet deplasat sper dreapta; echilibrul (12) este mult deplasat spre
stanga. Solutiile de acid clorhidric contin ioni de hidroniu in concentratie
mare, cele de acid acetic contin ioni de hidroniu in concentratie mica.
Exista mai multe metode
pentru a masura concentratia ionilor in general si a ionilor de hidroniu
(numiti uneori, dupa o conceptie mai veche “ioni de hidrogen”) in special,
intr-o solutie. Una din aceste metode se bazeaza pe masurarea capacitatii
solutiei de a conduce curentul electric (conductibilitatea electrica a
solutiei).
Se numeste ionizare,
proprietatea unei substante de a forma ioni in solutie. Acidul clorhidric,
ionizeaza (practic) in intregime in solutie. Chiar in solutie mai concentrata,
ionizarea trece de 95%. In solutii mai diluate (de exemplu, o solutie de 0,001
moli/l) ionizarea acidului clorhidric trece de 99%. (In general, diluarea unei
solutii favorizeaza ionizarea.) La fel se comporta si alti acizi minerali, ca
acizii percloric, iodhidric, bromhidric, sulfuric si azotic. Acizii de acest
fel se numesc acizi tari.
Acidul acetic (si la fel
alti acizi organici), in concentratie de 0,1 moli/l, este ionizat numai in
proportie de 1,35% din totalul moleculelor prezente; in concentratie de 0,001
moli/l este ionizat in proportie de 12%, iar in concentratie de 0,0001 moli/l
este ionizat in proportie de 33% (la 180 C). Acidul acetic este un acid slab.
Dupa cum se vede, la acizii slabi ionizarea este cu atat mai avansata cu cat
concentratia este mai mica. Totusi, la acizii slabi, chiar la concentratie
foarte mica, ionizarea nu este completa. Se cunosc si acizi mai slabi decat
acidul acetic (de exemplu hidrogenul sulfurat, H2S) precum si acizi de tarie
intermediara intre acizii slabi si acizii tari.
Putem defini acizii tari ca
acizii care cedeaza usor protonul lor; in acizii tari protonul este deci slab
legat. In acizii slabi protonul este legat mai tare si de aceea el desparte mai
greu anionul respectiv.
O situatie analoga intalnim
si la baze, care se impart de asemenea in baze tari, cum sunt hidroxizii
metalelor alcaline (KOH, NaOH), baze de tarie mijlocie (LiOH, Ca(OH)2) si baze
slabe (NH3). Bazele tari sunt ionizate in intregime in ioni hidroxil si cation,
in timp ce bazele slabe (de ex. NH3) nu reactioneaza decat in mica masura cu
protonul cedat de apa si din cauza aceasta solutia lor contine ionul hidroxil
numai in concentratie mica.
Acizii tari deplaseaza
acizii slabi (pun in libertate acizii slabi) din sarurile lor. Daca, de
exemplu, se trateaza acetat de sodiu cu acid clorhidric sau sulfuric, in
solutie apoasa, solutia va contine numai acid acetic si clorura sau sulfat de
sodiu:
CH3COO-Na+ +
HCl CH3COOH + Na+ + Cl-
De fapt, cum acidul clorhidric
este complet ionizat in solutie apoasa, iar acidul acetic este numai foarte
putin ionizat, este mai corect sa se formuleza reactia de mai sus astfel:
CH3COO- +
H3O+ CH3COOH + H2O
In mod similar, bazele tari
deplaseaza bazele slabe din sarurile lor, de exemplu:
Na+HO- +
NH4+Cl- Na+ + H2O +
NH3 + Cl-
sau:
HO- +
NH4+ H2O + NH3
Cand cei doi acizi sunt
aproape de aceeasi tarie, se stabileste un echilibru chimic si reactia nu
inainteaza pana la transformarea completa a substantelor. Un exemplu este
reactia dintre clorura de sodiu si acidul sulfuric, care decurge incomplet:
Na+Cl- +
H2SO4 NaHSO4 + HCl
Cum insa acidul clorhidric
care se formeaza este un gaz (reactia se efectueaza cu acid sulfuric concentrat
in absenta apei), el paraseste amestecul de reactie. Prin aceasta se strica
echilibrul. Pentru restabilirea echilibrului, o noua portie de clorura de sodiu
reactioneaza cu acid sulfuric, dand iarasi acid clorhidric care de asemenea
paraseste sistemul. Pana la urma reactia decurge in intregime de la stanga la
dreapta.
Incalzind clorura de sodiu
cu acid fosforic se degaja in mod similar acid clorhidric, desi acidul fosforic
este un acid mai slab decat acidul sulfuric sau acidul clorhidric mai volatil.
Am vazut mai sus, in cazul
ionizarii acidului acetic, ca luand mai multa apa, adica diluand solutia sau
micsorand concentratia acidului, se mareste ionizarea acidului. Punctul la care
se stabileste un echilibru chimic depinde deci de concentratiile reactantilor.
Sarurile se deosebesc de
acizi si de bazele ca amoniacul prin aceea ca sunt (in marea lor majoritate)
complet ionizate in solutie. Chiar sarurile acizilor slabi cu baze tari (ca
CH3COO-Na+) sau ale bazelor slabe cu acizi tari (ca NH4+Cl-) sunt complet
ionizate in solutie.
Ionizarea apei. Am vazut mai sus ca apa se comporta fata de unele substante ca o baza
(un acceptor de protoni), fata de altele
ca un acid (donor de protoni). Se poate deci prevedea ca, in apa pura, va avea
loc o reactie de transfer de protoni intre doua molecule de apa, ducand la un
echilibru:
H2O
+ H2O H3O
+ HO-
(13)
Aceasta reactie are
intr-adevar loc, insa numai in proporite foarte mica. Echilibrul este mult
deplasat spre stanga. Prin masurarea conductibilitatii electrice a apei foarte
pure si prin alte metode s-a stabilit ca, in apa foarte pura, concentratia
ionilor de hidroniu, la temperatura camerei (220), este foarte mica, anume:
10-7 moli de ioni de hidroniu se formeaza un mol ioni hidroxil. Concentratia
ionilor hidroxil, in apa pura, este deci tot 10-7 moli/l. Concentratiile
acestea, desi extrem de mici, sunt importante supa cum vom vedea.
Legile echilibrelor chimice
arata ca intr-o solutie produsul intre concentratia ionilor de hidroniu si a
ionilor hidroxil este o constanta (prin paranteze patrate se indica
concentratiile substantelor exprimate in moli la litru):
K = [H3O+] [HO-] = 10-7 x 10-7 =
10-14
Constanta K se numeste
produsul ionic al apei.
O solutie apoasa este acida
atunci cand concentratia ionilor de hidroniu, [H3O+], este mai mare de 10-7. In
aceasta solutie concentratia ionilor hidroxil, [HO-], scade astfel incat
produsul ionic al apei, K, sa ramana constant, 10-14. In mod similar, intr-o
solutie bazica, in care concentratia ionilor HO- este marita, concentratia
ionilor H3O+ este miscsorata in proportie corespunzatoare.
Intr-o solutie neutra concentratia ionilor de hidroniu [H3O+] este
egala cu a ionilor hidroxil [HO-], fiecare din ele fiind 10-7 moli/l.
Se cunosc diferite metode
pentru masurarea concentratiei ionilor de hidroniu dintr-o solutie apoasa.
Cunoasterea concentratiei ionilor de hidroniu prezinta mare importanta pentru
diferite lucrari chimice si biologice.
Hidroliza sarurilor. La neutralizarea unui acid tare (de ex. HCl), a
carui solutie apoasa diluata contine ioni de hidroniu, H3O+, in concentratie
mare, cu o cantitate echivalenta dintr-o baza tare (de exemplu NaOH), carei
solutie apoasa diluata contine, in concentratie mare, ioni hidroxil, HO-,
singura reactie care are loc este:
H3O+ +
HO- 2 H2O
Prin cantitati echivalente
de acid si de baza se inteleg cantitati care contin un numar egal de ioni H3O+
si respectiv HO-.
Dupa neutralizare, in
solutie raman ioni H3O+ si HO- numai in concentratiile care corespund punctului
neutru al apei, adica fiecare din acesti ioni se gaseste in concentratie de
10-7 moli/l.
Solutia sarii unui acid slab
cu o baza tare contine anionul acidului slab. Acesta, potrivit celor spus mai
sus, este o baza tare. Se produce deci o reactie a anionului cu apa. Vom
considera o solutie de acetat de sodiu in apa, care contine ionul acetat:
CH3COO- + H2O CH3COOH + HO-
Solutia contine o cantitate
mica de ioni hidroxil si este deci slab bazica.
In general: solutiile
sarurilor acizilor slabi cu baze tari sunt slab bazice. Invers: solutiile
sarurilor acizilor tari cu baze slabe sunt slab acide. Ca exemplu mentionam
solutia clorurii de amoniu, in care are loc reactia paritala (echilibrul este
deplasat spre stanga):
NH4+ +
H2O NH3 + H3O+
In solutia sarii unui acid
slab cu o baza slaba, atat anionul cat si cationul sufera hidroliza, in modul
indicat mai sus. Ionii H3O+ si HO-, care iau nastere in aceste reactii, se
combina intre ei dand in cea mai mare parte H2O. De aceea: solutia sarii unui
acid slab cu o baza slaba este aproape neutra, dar ea contine acid si baza
libere, in cantitati echivalente.
Electroliza solutiilor apoase diluate. Sarurile, acizii si bazele,
in solutie apoasa, sufera electroliza sub influenta curentului electric, sunt
electroliti. In orice electroliza, se produc doua tipuri de procese distincte:
transportul electricitatii de la un electrod la altul prin ionii din solutie si
reactiile ionilor la electrolizi.
Apa contine ioni de
hidroniu, H3O+ si ioni hidroxil, HO-. In cursul electrolizei ionii H3O+
calatoresc spre catod, iar ionii HO- spre anod. La electrozi se produc
urmatoarele reactii:
La catod cationul primeste
un electron si are loc reactia:
H3O+ + e- H
+ H2O (14)
2H H2
La anod anionul cedeaza un
electron si are loc reactia:
. . . .
H - O: -
H - O + e-
‘ ‘ ‘ ‘
. . . .
2 H - O
H2O + :O
(15)
‘ ‘ ‘ ‘
. .
2 O:
O2
‘ ‘
La catod se degaja deci H2,
iar la anod O2, in proportie de 2 moli la 1 mol.
In apa pura, concentratiile
de ioni H3O+ si HO- sunt foarte mici si de aceea conductibilitatea electrica
este extrem de redusa; electroliza apei pure nu duce, in timp util, la
cantitati apreciabile de hidrogen si oxigen. De aceea, pentru a obtine hidrogen
si oxigen prin electroliza de sodiu. Aceste solutii diluate conduc bine
curentul electric deoarece contin concentratii relativ mari de ioni.
Solutia diluata de acid
sulfuric contine, in majoritatea, ionii H3O+ si HSO4-, rezultati din reactia:
H2SO4 +
H2O H3O+ +
HSO4-
Acesti ioni asigura
transportul curentului. La catod se petrece reactia (14) si se degaja hidrogen.
La anod nu se descarca ionii HSO4-, care au transportat curentul, ci ionii HO-
rezultati din ionizarea apei conform ecuatiei (13) si deci se petrece reactia (15),
din care rezulta oxigen, O2. Pe masura ce ionii HO-, din jurul anodului, se
consuma, se formeaza alti ioni HO- prin ionizarea apei conform ecuatiei (13).
Reactia (13) fiind reversibila, cand se indeparteaza unul din reactantii din
membrul drept al ecuatiei, echilibrul se restabileste prin deplasare de la
stanga la dreapta. O data cu ionii HO- nou formati iau nastere in cantitate
echivalenta, si ioni H3O+. Acestia din urma migreaza spre catod unde se decarca
conform ecuatiei (14).
Faptul ca la anod se descarca
ionii HO- ai apei, si nu ionii HSO4-, se explica astfel: fiecare ion se
descarca la electrod (se depune) la un anumit potential de depunere. Acesta
este potentialul electric minim care trebuie sa se aplice electrodului ca sa
produca o descarcare a ionilor din jurul sau. Daca solutia contine mai multi
ioni sarcini de acel semn (cationi in jurul catodului sau anioni in jurul
anodului) se depun intai ionii cu potentialul cel mai scazut. Ionii HO-
necesita un potential mai scazut decat ionii HSO4- si de aceea ei sunt singurii
care se descarca. Ionii HSO4- raman in solutie asigurand, in continuare,
transportul electricitatii. Concentratia acidului sulfuric din solutie ramane
constanta.
Un fenomen similar se
produce la electroliza unei solutii diluate de hidroxid de sodiu. Acesta
contine ioni HO- in concentratie mare si ioni Na+. Ionii HO- se descarca la
anod in locul lor se descarca ionii H3O+ ai apei, care necesita un potential de
depunere mai scazut. O data cu disparitia ionilor H3O+ iau nastere ioni HO- in
cantitate echivalenta cu ionii Na+ din jurul catodului. Concentratia
hidroxidului de sodiu din solutie ramane astfel constanta.
La electroliza unei solutii
de clorura de sodiu, Na+Cl-, se petrece la catod aceeasi reactie ca la
electroliza hidroxidului de sodiu. Daca solutia este concentrata la anod se
formeaza clor gazos, deoarece se descarca ionii Cl-. Simultan se descarca in
proportie mica, si ioni HO-, conform ecuatiei (15), caci ionii Cl- au un
potential de depunere numai putin mai mic decat ionii HO-. Se degaja deci,
alaturi de clor, si putin oxigen. Cu cat solutia este mai diluata, se decarca
mai putini ioni Cl- si mai multi ioni HO-. La electroliza unei solutii foarte
diluate de NaCl se degaja la anod aproape numai O2.
Teoria transferului de protoni. Se cunosc multe substante cu caracter bazic care nu
contin ioni OH- precum si substante cu caracter acid care nu contin ionii H+;
prin urmare, teoria disociatiei electrolitice nu este suficient de
cuprinzatoare; ea nu poate explica aciditatea, respectiv bazicitatea tuturor
substantelor. Aceasta teorie considera ca ionul de hidrogen H+ poate exista
singur, ceea ce nu este in acord cu realitatea. Acest ion este totdeauna atras
de particule chimice cu densitatea electrolitica mare, inclusiv de moleculele de
apa:
H+ +
H2O H3O+
Aceasta reactie de hidratare
este puternic exoterma, iar constanta de echilibru are o valoare foarte mare;
astfel la 298oK:
K = H3O+ /(H+ x H2O) = 10200
rezulta ca achilibrul este deplasat complet spre
formarea cationului de hidroniu.
S-a pus in evidenta ca
acizii disociaza si in medii neapoase, ca in etanol anhidru sau in amoniac
lichid, cand ionul de hidrogen formeaza cu aceste molecule cationii C2H5 -
OH2+, respectiv NH4+. In aceste medii pot ioniza si bazele.
Acidul este donor de
protoni, iar baza este acceptor de protoni. Baza si acidul formeaza o pereche
conjugata acid-baza.
Deoarece protonul nu poate
exista singur, reactiile de eliberare a protonului de catre un acid (ca cele de
mai sus) se petrec in medii de solventi a caror molecule pot lega protonii,
jucand deci rol de baza; cel mai frecvent acest rol il joaca apa:
CH3 - COOH + H2O CH3 - COO- + H3O+
in partea dreapta a reactiei a aparut o alta baza
(CH3 - COO-) si un alt acid (H3O+).
Molecula apei joaca si rol
de acid, de exemplu:
NH3 + H2O NH4+ + OH-
in aceasta reactie, HN3 este baza, H2O este acid,
NH4+ este acid, iar OH- este baza. In prezenta ionului acetat, apa de asemenea
are rol de acid:
CH3 - COO- + H2O CH3 - COOH + HO-
Datorita proprietatilor
sale, apa are caracter amfoter sau amfiprotic, ceea ce rezulta si din reactia
de autoprotoliza:
H2O + H2O H3O+ + OH-
Generalizand, rezulta
urmatoarea schema:
Acid + Baza Baza + Acid
Un acid nu poate ceda un
proton decat unei baze, care se transforma in acidul ei conjugat, iar acidul
initial se tarnsforma in baza sa
conjugata.
Tipuri de acizi si de baze. In conformitate cu teoria lui Bronsted - Lowry,
exista trei tipuri de acizi si trei tipuri de baze:
1. Acizii neutri sunt acele
molecule care eliberand protonii, trec in baze conjugate anionice. Din aceasta
categorie fac parte: HCl, H2SO4, CH3 - COOH, HNO3, H2O si altii:
H2SO4 HSO-4 + H+
CH3 - COOH
CH3 - COO- + H+
2. Acizii cationici sunt
cationii care prin eliberare de protoni trec in baze conjugatem care sunt
molecule neutre. Din aceasta categorie fac parte cationii de hidroniu, amoniu,
alchiloxoniu:
H3O+ H2O + H+
NH4+
NH3 + H+
R - OH2+
R - OH + H+
3. Acizii anionici sunt toti
anionii monovalenti (cu o singura sarcina negativa) care provin din acizii
polibazici (acizi care pot elibera mai multi protoni). Acesti acizi anionici au
drept baze conjugate, baze dianionice sau polianionice:
HSO4-
SO43- + H+
H2PO4-
HPO42- + H+
HPO42-
PO43- + H+
COO- COO-
R R + H+
COOH COO-
Rezumand, rezulta ca moleculele neutre, cationi si
anioni pot fi acizi, iar baze pot fi toti anionii indiferent de numarul
sarcinilor si moleculele neutre, care poseda electroni neparticipanti si pot
lega coordinativ protoni.
Toate reactiile care au loc
prin transfer de protoni se numesc reactii protolitice:
HCl + H2O H3O+ + Cl-
Acizi si baze tip Lewis. In acelasi timp cu Bronsted, Gilbert Newton Lewis
(1875 - 1946) a formulat asa numita teorie electronica a acizilor si bazelor,
conform careia acidul este o molecula sau un ion car epoate accepta o pereche
de electroni, iar baza este o molecula sau un ion care poate dona o pereche de
electroni sau mai multe. Se intelege ca dupa aceasta teorie baza este
nucleofila iar acidul este electrofil si in reactiile acido-bazice se formeaza
legaturi coordinative. In reactia de mai jos:
CH3 F CH3 F
CH3 N: +
B - F CH3 - N:B - F
CH3 F CH3 F
trimetil - amina este o baza, iar trifluorura de bor
este un acid; intre azot si bor apare o legatura coordinativa. Reactia se
explica prin lipsa se electroni a atomului de bor, incat molecula neutra BF3,
cu un orbital vacant pe atomul de bor, functioneaza ca un acid de tip Lewis.
Trimetil-amina are rol de baza, azotul avand o pereche de electroni
neparticipanti, care pot fi donati, fenomen favorizat si de efectul +I al
grupelor metil. Se apreciaza ca reactia de mai sus este o reactie de
neutralizare. De asemenea in reactia:
H+ + H2O
H3O+ protonul este un acid, iar apa este o baza; oxigenul avand doua
perechi de electroni liberi, poate accepta un proton. Clorura de aluminiu
anhidra este un acid tip Lewis; ea poate lega un anion datorita lipsei de
electroni pe atomul de aluminiu: AlCl3 + Cl- AlCl4-. In procesele catalititce din
chimia organica clorura de aluminiu functioneaza ca un acid, ca si bromura de
aluminiu.
Se cunosc cazuri cand un
acid Lewis accepta si doua perechi de electroni, ca reactia de formare a
anionului hexafluo-silicic, dupa schema:
SiF4 +
2 F- SiF62-
Acid Lewis Baza Lewis
Dupa aceasta teorie, proprietatile acide apar si la
substante care nu au hidrogen in molecula, iar bazele trebuie sa aiba electroni
neparticipanti.
Reactii de neutralizare. Asa precum s-a mai spus, reactia dintre un aicd si
o baza este o reactie de neutralizare. Tinand seama de faptul ca reactantii
sunt disociati, se poate reprezenta neutralizarea dintre acidul cel mai
puternic din solutia apoasa si baza cea mai puternica:
H3O+ +
OH- 2 H2O
Reactiile de neutralizare
pot avea loc intre:
- un acid tare si o baza
tare; - un acid tare si o baza slaba; - un acid slab si o baza tare si un acid
slab si o baza slaba.
Exemplu clasic de
neutralizare a unui acid tare cu o baza tare il ofera reactia: HCl + NaOH =
NaCl + H2O.
Daca se titreaza un volum de
50 ml solutie 1n de acid clorhidric cu o solutie 1n de hidroxid de sodiu, se
vor consuma pentru neutralizare exact 50 ml solutie NaOH. In acest caz apare
punctul de echivalenta, iar solutia in vasul de titrare are pH = 7.
Determinandu-se pH-ul solutiei in timpul titrarii acidului cu baza si
inscriindu-se rezultatele intr-un grafic se obtine curba de titrare, care
reflecta variatia pH-ului functie de aciditate si de bazicitate.
In cazul reactiei de mai
sus, s-au obtinut urmatoarele date: (se indica volumul solutiei de NaOH
introdus peste volumul de 50ml HCl si valoarea corespunzatoare a pH-ului).
ml NaOH
pH ml NaOH
pH
49 3 50 7
49,5 3,3 50,05 9,7
49,9 4,0 50,1 10,0
49,95 4,3 51,0 11
Punctul de echivalenta apare
la pH = 7, deci in mediu neutru. Cu ajutorul acestor date, s-a obtinut curba
1,figura.
Se observa ca in jurul
punctului de echivalenta, pentru variatii foarte mici ale volumului de solutie
de acid sau baza, pH-ul se schimba foarte mult. In apropierea acestui punct,
curba apare aproape paralela la ordonata. Aceasta ofera posibilitatea folosirii
mai multor indicatori pentru punerea in evidenta a punctului de echivalenta.
Daca in loc de acid
clorhidric, se foloseste acid acetic 1n, pentru realizarea aceluiasi pH,
volumele de hidroxid de sodiu difera mult fata de cazul precedent. In cazul
unui acid slab cu o baza tare (curba 2) curba de titrare nu mai este simetrica
fata de punctul neutru, iar echivalenta se stabileste in mediu bazic, la pH =
8,72. In acest caz, se vor folosi pentru titrare indicatori care vireaza la pH
bazic, cum este fenoftaleina.
Curba de titrare 2 arata ca
inaintea punctului de echivalenta, pH-ul variaza putin pe masura ce progreseaza
neutralizarea. Pana la punctul de echivalenta se gaseste in solutie acid acetic
si sarea sa, acetatul de sodiu. Acetatul de sodiu hidrolizeaza si creeaza
mediul bazic, ceea ce explica aparitia punctului de echivalenta in mediu bazic.
Dupa punctul de echivalenta pH-ul variaza brusc, ca si in cazul neutralizarii
anterioare, iar curbele aproape se suprapun.
La titrarea unui acid tare
cu o baza slaba, ca de exemplu:
HCl + NH4OH
NH4Cl + H2O (cruba 3) in regiunea acida curba de titrare se suprapune
practic peste curba 1. Punctul de echivalenta fiind in mediu acid, se vor
folosi indicatori care vireaza in mediu acid, ca rosu de metil. Dupa punctul de
echivalenta curba 3 se abate de la curba 1, adica pH-ul variaza foarte putin.
La neutralizarea unui acid
slab cu o baza slaba, pH-ul variaza foarte putin intre 4 si 8, echivalenta se
stabileste la pH = 7, dar acest punct nu poate fi observat usor di in
consecinta reactia nu poate servi la determinari cantitative.
Indicatori. Indicatorii sunt substante organice cu caracter slab acid, sau slab
bazic, care au proprietatea de a-si schimba culoarea intr-un anumit domeniu de pH.
Schimbarea culorii indicatorului se numeste viraj. Virajul se datoreste unor
schimbari structurale ale moleculelor indicatorilor, fiind determinat de
prezenta acizilor sau bazelor, motiv pentru care ei se numesc indicatori
acido-bazici.
Se poate deci afla pH-ul
unei solutii folosind un indicator cu pKi cunoscut (aceasta caracteristica se
poate determina) si evaluand pe cale colorimetrica valoarea raportului culoarea
In-/culoarea HIn. Se foloseste in practica un indicator cu pKi apropiat ca
ordin de marime de valoarea pH-ului ce urmeaza sa fie calculat.
Indicatorii folositi in
practica trebuie sa fie perfect solubili in apa sau in alcool, sa fie sensibili
la variatii de pH schimbandu-si in mod notabil culoarea. Ei se folosesc in
cantitati foarte mici si au un domeniu de pH in care isi schimba culoarea,
numit interval de viraj.
Cativa
dintre indicatorii mai importanti si intervalul de viraj se prezinta mai jos:
Indicator Culoarea in mediu Indicator de viraj (pH)
acid baza
Metilviolet verde violet 0 - 2
Metiloranj rosu galben
3,1 - 4,4
Rosu de metil rosu
galben 4,2 - 6,3
Albastru de brom timol galben albastru 6 - 8
Rosu cresol galben
rosu 7,2 - 8,8
Turnesol rosu albastru 5 - 8
Fenoftaleina incolor
roz 8,3 - 10
Timolftaleina incolor albastru 9,3 - 10,5
Galben de alizarina incolor galben 10,1 -
12,1
Pentru a determina
caracterul acid sau bazic al unei solutii, in practica se folosesc hartii
indicatoare, impregnate cu un singur indicator.
Folosindu-se
amestecuri de indicatori cu care se impregneaza hartii speciale, indicatorii
astfel alesi incat hartia sa imbrace anumite colorantii pentru un anumit pH, se
obtine hartie indicator universal. Coloratia dobandita de aceasta hartie
introdusa intr-o solutie, se compara cu o scara de culori, fiecare nuanta
indicand o valoare a pH-ului.
Comentarii
Trimiteți un comentariu