חומצות ובסיסים

1. חומצות ובסיסים לתלמיד אילנה זהר מה”ד ירושלים

2. תגובות חומצה בסיס • תגובת חומצה בסיס - תגובה בה יש מעבר של+H מחומר אחד לשני. • בסיס - חומר הקושר+H בתגובה. (מכיל אטום עליו קוטב או מטען שלילי עם n.b ) • חומצה - חומר המסוגל לאבד+Hבתגובה. (רק בנוכחות בסיס). מכיל H עם קוטב חיובי חזק יחסית.

3. Cl H - + H H H O O Cl H H דוגמא- תגובה של מימן כלורי עם מים. H2O:(l) + H:Cl(l) --------> H3O+(aq) + :Cl -(aq) חומצה חומצה, יון הידרוניום בסיס בסיס + - המים מתפקדים כבסיס וגם כממיס.

4. O H H O H H H H N N H H H H דוגמא - תגובה של אמוניה במים. H2O(l) + :NH3 (g) --------> OH -(aq) + NH4+(aq) בסיס, יון הידרוקסי חומצה חומצה בסיס - + - + המים מגיבים כחומצה וכממיס.

5. Cl H H N H H דוגמא - תגובה בין אמוניה ומימן כלורי במצב גזי :NH3(g) + HCl(g) --------> NH4Cl(s) בסיס חומצה + - מבנה ענק יוני מוצק

6. ניסוח כולל לתגובת חומצה בסיס B: + H-X --------> B-H+ + X: - + - חומצה בסיס צמוד בסיס חומצה

7. הסבר: 1. חומצה - חומר המכיל H שעליו קוטב חיובי חזק. לא כל חומר שיכיל H יתנהג כחומצה. בסיס - חומר המכיל אטום בעל אלקטרו-שליליות גבוהה - עליו קוטב שלילי חזק, וזוג אלקטרונים לא-קושר. 2.במהלך תגובת חומצה בסיס, הבסיס בעל הקוטב השלילי ו- n.b נמשך לקוטב החיובי שעל המימן בחומצה ומושך ממנה יון מימן חיובי.

8. 3. המימן היוצא כ- H+משאיר את אלקטרוני הקשר ומתחבר בקשר קוולנטי לזוג האלקטרונים הלא-קושר של הבסיס. 4.הבסיס והחומצה מוגדרים באופן יחסי אחד לשני בהתאם לתגובה נתונה. המים מתנהגים לפעמים כחומצה לפעמים כבסיס, כך גם חומצות ובסיסים אחרים.

9. בסיסים וחומצות במים כאשר מתרחשות תגובות חומצה בסיס עם מים, המים יתנהגו או כבסיס או כחומצה. המים משמשים ממיס נפוץ ביותר ולכן נהוג להגדיר חומרים רבים כבסיס או כחומצה יחסית למים.

10. תמיסה חומצית - תמיסה מימית המכילה יוני הידרוניום: +H3O. היא מתקבלת כאשר המים מתנהגים כבסיס. (הכניסו חומצה יחסית למים, למים). H:A + H2O:(l) ----> A:-(aq)+ H3O+(aq) תמיסה בסיסית - תמיסה מימית המכילה יוני הידרוקסי: -OH. היא מתקבלת כאשר המים התנהגו כחומצה. (הכניסו בסיס יחסית למים, למים) B:-+ H2O(l) ----> HB(aq)+ OH-(aq)

11. אינדיקטור לחומצות ובסיסים אינדיקטור לחומצות ובסיסים - בוחן, מזהה. חומר המשנה את צבעו או משחרר גז בנוכחות יוני הידרוניום או יוני הידרוקסי. דוגמאות - נייר לקמוס, פנול פתלאין, כרוב סגול, מגנזיום, גיר.

12. סקלת ה- PH סקלה למדידת חומציות ובסיסיות - ריכוז יוני הידרוניום ויוני הידרוקסי. הסקלה מוגדרת לתמיסות מימיות בלבד. תחום מספרי הסקלה- בין 0 ל- 14 לתמיסות שריכוזן אינו עולה על 1 מולר. בריכוזים גבוהים יותר תחומה רחב יותר (מתחת ל- 0 ומעל ל- 14). יש לדעת להשתמש בסקלה כסרגל בלבד.

13. H3O+ H3O+ H3O+ OH- OH- OH- סקלת ה- PH מתייחסת לתמיסות מימיות בריכוז עד 1 מולר תמיסה נייטרלית תמיסה חומצית תמיסה בסיסית 0 14 7 חומציות עולה ריכוז יוני הידרוניום עולה בסיסיות עולה ריכוז יוני הידרוקסי עולה

14. חומרים המתנהגים כחומצות במים: • נהוג אבל לא מחויב לרשום מימן חומצי משמאל ללא קשר למבנה המולקולרי. • 1. HX - הלוגן -X HF , HCl , HBr , HI • 2. HXOY- Cl ,N אל מתכת כמו - X ,מספר -Y HNO3 , HClO4 , HBrO3 • 3. H2X, H2XOy - חומצות דו פרוטיות, תלת פרוטיות H2S, H2SO4 , H2SO3 , H2CO3 , H3PO4

15. דוגמאות: חומצות במים - המים כבסיס • HBr(l) + H2O(l) ----> Br -(aq)+ H3O+(aq) • HNO3(aq)+ H2O(l) ----> NO3-(aq)+ H3O+(aq) • H2SO4(l) + 2H2O(l) ----> SO42-(aq)+ 2H3O+(aq) חומצה דו-פרוטית חומצות דו ותלת פרוטיות מגיבות עם המים בשלבים, קודם המימן הראשון בכל המולקולות אחכ’ השני וכו’

16. מוליכות חשמלית של תמיסות חומצה ובסיס • חומצות ובסיסים משחררים יונים במים ולכן תמיסותיהם המימיות מוליכות חשמל. • המוליכות חשמלית תגדל ככל שריכוז היונים בתמיסה יגדל. • המוליכות החשמלית תגדל ככל שריכוז החומצות והבסיסים גבוה יותר.

17. - C=O + OH חומצות נוספות • RCOOH - חומצות אורגניותHCOOH , CH3COOH :דוגמאותCH3COOH(l) + H2O:(l) ----> CH3COO-(l) + H3O+(aq) • המימן החומצי רשום מימין. • הנוסחה של הקבוצה הפונקציונלית: חומצה בסיס

18. תחמוצות של אל-מתכות:CO2 , SO2 , SO3 , Cl2Oקודם מתרחש סיפוח מולקולת מים, אחכ’ שחרור יון הידרוניום: CO2(g)+ H2O(l) ----> H2CO3(aq) H2CO3(aq)+ 2H2O: ---> CO32-(aq) + 2H3O+(aq) יש לדעת לנסח רק את התגובות של התחמוצות: CO2 , SO2 , SO3 סיפוח: חומצה בסיס

19. חומרים המתנהגים כבסיסים במים: • 1. אמוניה - NH3 • 2. אמינים - RNH2 (בסיסים אורגנים- מכילים חנקן עם זוג n.b ) • 3. יונים שליליים כדוגמת: O2- , H- , CO32- ,HCO3- , -OH(יונים אלו יופיעו בתרכובות יוניות אשר בשלב הראשון יתמוססו במים ובשלב השני יגיבו עימם תוך קשירת H+)

20. תרכובת עם חנקן (עליו n.b) במים: CH3NH2 + H2O(l)----> CH3NH3+(aq)+ OH-(aq) .. יון חמצן במים מתחמוצות מתכתיות: O2-(aq)+ H2O(l) ----> 2OH-(aq) .. יון מימן במים מתרכובת מתכת ומימן: H-(aq) + H2O(l) ---> H2(g) + OH-(aq) .. בסיס במים, המים מתנהגים כחומצה: דוגמאות:

21. יון פחמתי במים: CO32-(aq) + H2O(l) ----> HCO3-(aq)+ OH-(aq) מקורם במלחים בסיסיים כמו Na2CO3 . רוב המולקולות המים מוותרות רק על מימן אחד. רשימה של מספר בסיסים חזקים במיוחד: O2- , OH- , H- , N3- , NH2-

22. תרגילים לדוגמא: נסח את התגובות במים של המוצקים הבאים: KH , K2O , (נייטרלי במים) K2SO4 , (בסיסי במים) K2CO3 כל החומרים הנ”ל הם חומרים יונים קלי תמס לכן בשלב הראשון יש לנסח את תגובת ההמסה במים ובשלב השני את תגובת האניון עם המים במידה ויש תגובה כזו.

23. פתרון: KH(s) ----> K+(aq) + H-(aq) H-(aq) + H2O(l) ---> H2(g) + OH-(aq) K2O(s) ----> 2K+(aq)+ O2-(aq) O2-(aq) + H2O(l) ----> 2OH-(aq) נתון שהמלח נייטרלי במים ולכן: K2SO4(s) ----> 2K+(aq)+ SO42-(aq) נתון שהמלח בסיסי במים ולכן: K2CO3(s) ----> 2K+(aq)+ CO32-(aq) CO32-(aq) + H2O----> HCO32-(aq) + OH-(aq)

24. סתירה - תגובה בין תמיסה חומצית לתמיסה בסיסית בכל ערבוב של תמיסה חומצית עם תמיסה בסיסית יגיבו יוני ההידרוניום עם יוני ההידרוקסי בתגובת סתירה ויתקבלו מים. אם היונים הנלווים יוצרים מלח קל תמס ניתן לרשום ניסוח נטו. כמו במקרה בו מערבבים תמיסה של מימן כלורי עם נתרן הידרוקסיד. H3O+(aq) + Cl-(aq)+ Na+(aq)+ OH-(aq)----> 2H2O(l)+ Na+(aq)+Cl-(aq) OH-(aq)+ H3O+(aq) -----> 2H2O(l)

25. אם היונים הנלווים יוצרים מלח קשה תמס יש לנסח תגובת סתירה כוללת, כמו בדוגמא בה מערבבים תמיסת בריום הידרוקסיד עם תמיסת חומצה גופרתית: Ba2+(aq) +2OH-(aq)+ 2H3O+(aq) + SO42-(aq) ----> 4H2O(l) + BaSO4(s)

26. חישובים סטכיומטרים בתגובות סתירה תרגיל לדוגמא: ערבבו 100 מ”ל תמיסה מימית של H2SO4 בריכוז0.1 מולר עם 100 מ”ל תמיסה מימית של NaOH בריכוז 0.1 מולר. מה יהיה ה- pH של התמיסהבתום התהליך? בשתי התמיסות ריכוז תרכובת שווה - 0.01 מול. פתרון: NaOH---> Na++ OH- 0.01 מול 0.01 מול H2SO4 +2H2O ---> SO42- + 2H3O+ 0.01 מול 0.02 מול יש עודף של יוני הידרוניום לכן ה- pHבתום התגובה יהיה חומצי. H3O+(aq) + OH-(aq)---> 2H2O(l) 0.02 מול 0.01 מול

27. תרגיל 2: ערבבו 200 מ”ל תמיסתH2SO4בריכוז 0.1 מולר עם 100 מ”ל תמיסתBa(OH)2 בריכוז 0.1 מולר. א. חשבו את מסת המשקע שהתקבל. ב. האם בתום התהליך התמיסה תהיה חומצית/ בסיסית/ נייטרלית. נמקו. פתרון: 0.01 מול 0.02 מול 0.04 מול 0.02 מול Ba2+(aq)+2OH-(aq)+2H3O+(aq)+SO42-(aq) ---->4H2O(l) + BaSO4(s) 0.01 מול 0.01 מול 0.02 מול א. מסת המשקע בגרמים: 0.01 X מסה מולרית. ב. יש כמות גדולה יותר של יוני הידרוניום מיוני הידרוקסי לכן התמיסה תהיה חומצית בתום התהליך.

28. End point - שינוי צבע חומצה בריכוז נעלם טיטרציה של חומצה עם בסיס בנוכחות אינדיקטור. ניסוי: לתוך ארלנמאייר מכנסים נפח מדוד של חומצה ידועה בריכוז לא ידוע. מוסיפים לחומצה כמה טיפות אינדיקטור. לתוך בירטה מוסיפים בסיס ידוע בריכוז ידוע. מוסיפים בהדרגה את הבסיס לחומצה. עם שינוי צבע האינדיקטור מפסיקים את ההוספה. מנפח הבסיס הנדרש לתגובה מלאה ומריכוזו ניתן לחשב את ריכוז החומצה. קשור לאתר הניסוי בירטה http://library.advanced.org/3310/lographics/experiments/index.html 2 1

29. כפתור קישור לאתר סימולציה של טיטרציה לחץ כאן כדי להתחבר לאתר http://chemistry.fullerton.edu/~chemdev/director/ דרושה תוכנת shokewave כדי לראות את הסימולציה. ניתן להורידה באתר הנ”ל.

30. חישוב לדוגמא • לשם סתירה מלאה של 20 מ”ל HCl בריכוז לא ידוע נדרשו 40 מ”ל NaOH בריכוז 0.1 מולר. מהו ריכוז תמיסת ה- HCl ? • פתרון:החומרים מגיבים ביחס 1:1 מולי NaOH שנדרשו לסתירה - 0.004 מולמולי יוני ההידרוניום שהיו- 0.004 מולריכוז יוני ההידרוניום- 0.004 מול ב- 0.02 ליטר תמיסה - 0.2 מולר.

31. ויתר על אלקט’ משך אלקטרון מתכת במים Na(s)+ H2O(l) -----> Na+(aq)+1/2 H2(g)+ OH-(aq) זו תגובת חימצון חיזור. המימן החומצי של המים עליו קוטב חיובי, מושך אלקטרונים מענן האלקט’ של הנתרן. התגובה חזקה מאד. רק מתכות פעילות, במיוחד מטור I תגבנה עם מים.

32. מסר 2 אלקט’ 2 מימנים קבלו 2 אלקט’ מתכת בתמיסה חומצית חומצה במים תשחרר תמיד יוני הידרוניום אשר יגיבו עם המתכת בתגובת חימצון חיזור: Mg(s)+ 2H3O+(aq) -----> Mg2+(aq)+H2(g)+ 2H2O(l) המימן החומצי של יון ההידרוניום מושך אלקטרונים מהמתכת. מאחר ומימן זה יותר חומצי, יותר חיובי מהמימן של המים גם מתכות פעילות פחות תגבנה, תלוי בריכוז יוני ההידרוניום.

33. מלח פחמתי בחומצה מלח קל תמס כמו נתרן פחמתי המכיל יונים פחמתיים יתמוסס בתמיסה חומצית כמו במים ואחכ’ יגיבו היונים הפחמתיים עם יוני ההידרוניום: CO32-(s)+ 2H3O+(aq)---> CO2(g)+ 3H2O(l) ניתן לחשוב על התהליך הנ”ל כמתרחש בשני השלבים הבאים: א. היון הפחמתי מתנהג כבסיס וקושר שני יוני מימן מיון ההידרוניום. מתקבלת חומצה פחמתית: CO32-(s)+ 2H3O+(aq)---> H2CO3(aq)+2H2O(l) ב. החומצה הפחמתית המתקבלת מתפרקת בתהליך הפוך לסיפוח למים ולפחמן דו חמצני: H2CO3(aq)---> CO2(g)+H2O(l)

34. גיר - סידן פחמתי בחומצה CaCO3(s)+ 2H3O+(aq)---> Ca2+(aq)+ CO2(g)+ 3H2O(l) סידן פחמתי, קשה תמס מכיל בסיס צמוד של החומצה הפחמתית. לכן יגיב כבסיס בנוכחות יוני הידרוניום. התגובה מתרחשת בעוצמה (תלוי בריכוז יוני ההידרוניום). נוצרת גם כאן חומצה פחמתית שממשיכה להגיב עד התפרקותה לפחמן דו חמצני ומים (התגובה ההפיכה לסיפוח מים לתחמוצת).

35. פחמן דו חמצני בתמיסה בסיסית CO2(g)+ OH-(aq) ---> HCO3-(aq) ניתן להתייחס לתהליך זה כאל סיפוח מים ל- CO2 לקבלת חומצה פחמתית ומיד אחכ’ סתירת החומצה עם בסיס. פחמן דו חמצני במי סיד מי סיד הם מים בהם מומס Ca(OH)2 . ה-CO2 המומס בהם מספח מים לקבלת חומצה פחמתית, הנסתרת ע”י הבסיס ויוצרת משקע קשה תמס עם יוני הסידן שבתמיסה. המשקע הוא סידן פחמתי - גיר שצבעו לבן. זו הסיבה שמי הסיד הופכים עכורים. CO2(g)+ Ca2+(aq)+ 2OH-(aq)---> CaCO3(s)+ H2O(l)