3. Happamuus
3.2. Hapot ja emäkset
Hapot ja emäkset ovat tuttuja arkipäiväisiä käsitteitä. Useat aineet, joita käytetään päivittäin, ovat happamia tai emäksisiä. Sitruuna on erinomainen esimerkki happamalta maistuvasta ruoka-aineesta, koska sitruuna sisältää sitruunahappoa. Hapoilla voidaan usein liuottaa monia metalleja. Emäksisien aineiden tyypillisiä ominaisuuksia ovat muun muassa niiden karvas maku ja liukkauden tuntuma.
Hapot ja emäkset reagoivat toistensa kanssa ja happojen sekä emästen vesiliuokset johtavat sähköä.
Hapot ja emäkset sekoittuessa toisiinsa neutraloivat toisiaan. Emäksen neutralointi onnistuu lisää-mällä siihen happoa ja vastaavasti hapon voi neutraloida lisäälisää-mällä siihen emästä.12
16
Happo muodostaa vesiliuokseen (R6) hydroniumionia, (𝐻3𝑂+), emäs vastaanottaa vedestä (R7) ve-tyioneja, jolloin veteen muodostuu hydroksidi-ioneja (𝑂𝐻−). Kun veteen liuotetaan emästä, vesi luo-vuttaa protonin emäkselle, jolloin vesi toimii happona. Vastaavasti vesi toimii emäksenä happoliuok-sessa, jolloin vesi vastaanottaa protonin hapolta. Ainetta, joka pystyy toimimaan happona ja emäk-senä kutsutaan amfolyytiksi eli amfoteeriseksi aineeksi. Vesi on yksi amfoteerinen aine, koska se voi muodostaa, hydroksidi- sekä hydroniumioneja autoprotolyysireaktiona. Vedessä tämän seurauksena tapahtuu autoprotolyysireaktiota. Hydroniumionien konsentraatio on vedellä lämpötilariippuvainen, mutta puhtaalla vedellä normaali arvo on silti likimain 7,0, mikä on myös neutraalin aineen pH-arvo. Autoprotolyysireaktiolle (R8) voi laskea veden ionitulo (16), joka on vakio. Koska vesi ei ole voimakkaasti itse ionisoituva yhdiste, veden konsentraatio pysyy lähes vakiona. Veden tasapainova-kion arvoa merkitään 𝐾𝑊 termillä.12
𝐻2𝑂(𝑙) + 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝐻3𝑂+(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) (R8)
𝐾 = [𝐻3𝑂+][𝑂𝐻−]
[𝐻2𝑂][𝐻2𝑂] 𝐾𝑊(250𝐶) = [𝐻3𝑂+][𝑂𝐻−] = 1,008 ∗ 10−14 (16) Happoja esiintyy ympäröivässä luonnosta, kuten marjoissa, kasviksissa ja hedelmissä, joissa happo toimii niiden luontaisena säilöntäaineena. Happojen tyypillinen ominaisuus on vedyn, 𝐻 sisältämi-nen. Hapon yleisen määritelmän mukaan, happo on aine, joka pystyy luovuttamaan yhden tai useam-man vetyionin (𝐻+). Tällöin happomolekyylille jää negatiivinen varaus. Tämän osoitti ensimmäisenä vuonna 1810 Svante Arrhenius. Hän esitti suolahapon liukenevan veteen, samalla hapon luovuttavan vetyionin vedelle, jolloin muodostuu hydroniumioni (𝐻3𝑂+).2
Arrheniuksen esittävällä teorialla on useita rajoituksia. Arrheniuksen teoria ei sovellu orgaanisissa liuoksissa toimiville emäksille ja hapoille. Teoria soveltui vain vesiliuoksiin ja emäksiksi sopivat yhdisteet muodostivat vesiliuoksessa hydroksidi-ioneja.12
Vuonna 1923 Arrheniuksen teoriaa täydensivät tanskalainen Johannes Nicolaus Brønsted ja englan-tilainen Thomas Martin Lowry. He esittivät nykyisin käytettävän mallin, missä happo pystyy luovut-tamaan protonin ja emäs puolestaan vastaanotluovut-tamaan protonin. Emäksenä (R6) toimii vesi, (𝐻2𝑂) ja happona suolahappo, eli 𝐻𝐶𝑙. Tämä teoria on nimetty keksijöiden mukaan Brønsted-Lowryn happo-emästeoriaksi.2
Hapot ja emäkset tarvitsevat aina vastaparin muodostuakseen. Happo tarvitsee aina emäksen, koska happo ei pysty luovuttamaan protoniaan, ellei reaktiossa läsnä ole protonia vastaanottavaa emästä.
Happo-emäsreaktioissa protoneja siirtyy hapolta emäkselle, tällöin reaktiota kutsutaan protolyysire-aktioksi. Hapot voivat toimia myös emäksinä, kun hapon ionit voivat vastaanottaa protonin. Esimer-kiksi 𝐻𝐶𝑙:stä irtoaa ensin 𝐻+, jolloin 𝐶𝑙−-ioni voi uudelleen vastaanottaa protonin, eli toimii vasti-nemksenä.12
Hapot luokitellaan heikkoihin ja vahvoihin happoihin. Määritelmän mukaan heikoksi hapoksi kutsu-taan ainetta, jonka protolyysireaktio ei tapahdu täydellisesti. Vastoin vahvaksi hapoksi luokitellaan
17
aine, jonka vetyionien tuotantoreaktio eli protolyysi tapahtuu loppuun asti.2 Heikkojen happojen ja emästen protolysoitumista kuvaa protolysoitumisaste. Se kuvaa protolysoitumisen täydellisyyttä, kuinka suuri osa prosentuaalisesti emäs- tai happomolekyyleistä ovat protolysoituneet. Se ilmaisee konsentraatioiden suhteet protolysoituneen osan verrattuna alkuperäiseen konsentraatioon.12
Happo- ja emäsvakioarvot kertovat, kuinka suuri osa aineesta protolysoituu. Vakion arvo osoittaa, kuinka vahva emäs tai happo on kyseessä. Heikot hapot eivät protolysoidu täydellisesti. Kyseinen protolysoitumisasteen voi laskea (yhtälöt 17,18) happovakion 𝐾𝑎 avulla. 𝐻𝐴, 𝐻𝐵+ kuvaavat happoja, emästä kuvaavat 𝐴− ja 𝐵. Osa hapoista ja emäksistä voi luovuttaa ja vastaanottaa useamman, kuin yhden protonin. Näitä kutsutaan moniarvoisiksi hapoiksi ja - emäksiksi. Nämä protolysoituvat use-ammassa, kuin yhdessä vaiheessa. Jokaiselle protolysoitumis vaiheelle täytyy määritellä oma happo- ja emäsvakionsa, koska yhden protonin irrottua seuraava ei irtoa enää yhtä helposti.12
𝐾 = [𝐻3𝑂+][𝐴−]
[𝐻𝐴][𝐻2𝑂] (17) 𝐾[𝐻2𝑂] = [𝐻3𝑂+][𝐴−]
[𝐻𝐴] = 𝐾𝑎 (18) 𝐾𝑏 = [𝐵𝐻+][𝑂𝐻−]
[𝐵] (19) Happo- ja emäsvakiot ovat sidoksissa toisiinsa. Emäksen ja veden reaktiossa muodostuu aina konju-goitunut happo ja vastaavasti hapon reagoidessa emäksen kanssa muodostuu konjukonju-goitunut emäs.
Esimerkiksi heikon emäksen, ammoniakin (𝑁𝐻3), reaktiossa veden kanssa (R7) muuttuu ammoni-akki konjugoituneeksi hapoksi, ammoniumioniksi (𝑁𝐻4+), joka vastaavasti on vahva happo. Ammo-niakin reaktiosta veden kanssa saadaan määritettyä emäsvakion (19) arvo 𝐾𝑏.12
𝑁𝐻3(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝑁𝐻4+(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) (R9)
𝑁𝐻4+(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝑁𝐻3(𝑎𝑞) + 𝐻3𝑂+(𝑎𝑞) (R10) Ammoniumionin reaktio veden kanssa (R10) muodostaa takaisin ammoniakki molekyylin. Hapon eli ammoniumionin reaktiosta saadaan vastaavasti märiteltyä happovakion arvo 𝐾𝑎. Happo- ja emäsva-kioiden arvojen tulona saadaan veden ionitulo (20).12
Emäsvakion 𝐾𝑏 avulla voidaan laskea (19) heikon emäksen protolysoitumisaste. Sekä 𝐾𝑎 että 𝐾𝑏
arvot ovat yksiköltään 𝑚𝑜𝑙/𝑑𝑚3. Protolysoitumisasteet ovat riippuvaisia lämpötilasta, jonka takia
18
laskuissa tulee huomioida vallitsevat olosuhteet. Kyseisiä arvoja vertailemalla saadaan pääteltyä hap-pojen ja emästen keskinäisiä vahvuuksia. Mitä suurempi protolysoitumisaste on, sitä vahvempi on protolyytti ja tasapainotila on painottunut reaktiotuotteiden puolelle.12
𝑝𝐾𝑎 ja 𝑝𝐾𝑏 (yhtälöt 21,22) arvot ovat sidottuja kymmenkantaisen logaritmin vastalukuihin käyttäen emäs- ja happovakioita. Mitä suurempi arvo on 𝑝𝐾𝑎 ja 𝑝𝐾𝑏, sitä heikompi happo tai emäs on ky-seessä.12
𝑝𝐾𝑎 = −𝑙𝑜𝑔𝐾𝑎 ⇒ 𝐾𝑎 = 10−𝑝𝐾𝑎 (21) 𝑝𝐾𝑏 = −𝑙𝑜𝑔𝐾𝑎 ⇒ 𝐾𝑏= 10−𝑝𝐾𝑏 (22)
Esimerkki 3. Hydroniumionin konsentraation laskeminen.
Ammoniumkloridi (𝑁𝐻4𝐶𝑙) eli salmiakki liukenee veteen, jolloin ammoniumioni toimii heik-kona happona. Hydroniuminionin konsentraatio saadaan laskettua, kun tiedetään liuotetun ammo-niumkloridin määrä (1,0 𝑔) ja lopputilavuus (100 𝑚𝑙 = 0,100 𝑑𝑚3), ja tunnetaan 𝐾𝑎(𝑁𝐻4+) = 5,6 ∗ 10−10 𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3
.
Ensin lasketaan konsentraatio (4) ammoiunmkloridille.
𝑐(𝑁𝐻4𝐶𝑙) =𝑛
𝑉= 𝑚
𝑀 ∗ 𝑉= 1,0 𝑔 53,492 𝑔
𝑚𝑜𝑙 ∗ 0,100 𝑑𝑚3
= 0,187𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑚3
Ammoniumionin protolysointireaktiosta (R11) nähdään, että 𝑐(𝑁𝐻4+) = 𝑐(𝑁𝐻4𝐶𝑙) = 0,187𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3.
𝑁𝐻4+(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝑁𝐻3(𝑎𝑞) + 𝐻3𝑂+(𝑎𝑞) (R11) Taulukon avulla saadaan kirjoitettua happovakion lauseke (18). Taulukkoon merkitään tunnetut konsentraatiot, jolloin saadaan ratkaistua tuntematon muuttuja 𝑥. Veden konsentraatiolla ei ole merkitystä reaktion kannalta, jonka takia sitä ei tarvitse käsitellä.12
19
Taulukko 1. Hydroniumionin konsentraation ratkaisu.
𝑵𝑯𝟒+(𝒂𝒒) 𝑯𝟐𝑶(𝒍) 𝑵𝑯𝟑(𝒂𝒒) 𝑯𝟑𝑶+(𝒂𝒒)
𝒄𝒂𝒍𝒌𝒖 (𝒎𝒐𝒍
𝒅𝒎𝟑) 0,187 0 0
𝒎𝒖𝒖𝒕𝒐𝒔 (𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒎𝟑)
−𝑥 +𝑥 +𝑥
𝒄𝒕𝒂𝒔𝒂𝒑𝒂𝒊𝒏𝒐 (𝒎𝒐𝒍
𝒅𝒎𝟑) 0,187 − 𝑥 𝑥 𝑥
Lukuarvot sijoitetaan yhtälöön (19) ilman yksiköitä, mutta lopullinen ratkaisu saa yksiköksi
𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑚3
.
12𝐾𝑎 =[𝑁𝐻3][𝐻3𝑂+]
[𝑁𝐻4+] = 5,6 ∗ 10−10 = 𝑥 ∗ 𝑥 0,187 − 𝑥
𝑥1 = 0,001023 = 1,023 ∗ 10−3
𝑥2 = −0,001023 = −1,023 ∗ 10−3
Ratkaisuksi saadaan kaksi arvoa, joista negatiivinen hylätään.
Ratkaisuksi saadaan 𝑥 = 1,023 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3⇒ [𝐻3𝑂+] = 1,023 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙
𝑑𝑚3