Ασθενή Οξέα και Βάσεις - Χημεία Κατεύθυνσης

Η θεωρία στο άρθρο αυτό προέρχεται από την ενότητα 2.1.3 του βιβλίου  «Γενική Χημεία Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης» - Κ. Καλαματιανός.   Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου, αποσπάσματά του και τρόποι αγοράς δίνονται στον ιστότοπο:

  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks 

  Το βιβλίο διατίθετα στον παραπάνω ιστότοπο σε ειδική προνομιακή τιμή.

  

Το βιβλίο διατίθεται στα παρακάτω βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων):  Ιανός (Σταδίου 24, Αθήνα  –  Αριστοτέλους 7, Θεσ/νίκη), Κορφιάτης  (Ιπποκράτους 6, Αθήνα) , Γρηγόρη (Σόλωνος 71, Αθήνα),  Ελευθερουδάκης,  Πατάκης,  Σαββάλας-Βιβλιορυθμός (Ζωοδ. Πηγής 18 & Σόλωνος, Αθήνα), "Βιβλιοεπιλογή" Γ.Χ.  Αναστασάκης (Σόλωνος 110, Αθήνα) , Σ. Μαρίνης (Σόλωνος 76, Αθήνα),  Βιβλιοχώρα (Χαριλάου Τρικούπη 49, Αθήνα), ΒΕΡΓΙΝΑ, ΨΑΡΑΣ (Θεσ/νίκη),  ΠΑΙΔΕΙΑ(Κανάρη 11, Λάρισα).

 Λεπτομερής περιγραφή του βιβλίου και αποσπάσματα του δίνονται στον παρακάτω ιστότοπο όπου είναι δυνατό να αγορασθεί και σε ειδική προνομιακή τιμή (περιορισμένος αριθμός βιβλίων).  Για τους τρόπους αγοράς του βιβλίου πατήστε εδώ.  Τα έξοδα αποστολής είναι δωρεάν εντός  Ελλάδας για απλό δέμα.

 https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks/

Έχει παρατηρηθεί ότι μερικά οξέα έχουν την τάση να δίνουν Η⁺ με μεγαλύτερη ευκολία  από ότι άλλα όταν διαλύονται στο νερό καθώς και ότι ορισμένες βάσεις έχουν την τάση να δέχονται Η⁺ με μεγαλύτερη ευκολία από άλλες. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η διάσταση ή ο ιοντισμός των ηλεκτρολυτών σε ιόντα δεν γίνεται πάντα στο ίδιο βαθμό.

Τα οξέα και οι βάσεις μπορούν να χωρισθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με την συμπεριφορά τους όταν διαλύονται στο νερό:

Ισχυρά οξέα και βάσεις (ισχυροί ηλεκτρολύτες) [1] είναι εκείνα που διίστανται πλήρως σε ιόντα όταν διαλύονται στο νερό.

Για παράδειγμα το HCl στο Σχήμα 2-4 στην σελίδα 217 είναι ένα παράδειγμα ισχυρού οξέος που διΐσταται πλήρως όταν διαλύεται στο νερό δίνοντας H₃O⁺ και Cl^-. To διάλυμα σε κατάσταση ιοντικής ισορροπίας πρακτικά δεν έχει καθόλου μόρια ΗCl (η συγκέντρωση του [ΗCl] είναι πρακτικά μηδενική). Παρατηρείστε ότι το γεγονός αυτό υποδηλώνεται στην χημική ισορροπία στο Σχήμα 2-4 με τον σχεδιασμό μεγαλύτερου βέλους για την αντίδραση από αριστερά προς τα δεξιά σε σχέση με το βέλος της αντίδρασης από δεξιά προς τα αριστερά. Μία απεικόνιση του ιοντισμού ενός τέτοιου ισχυρού οξέος στην γενική του μορφή δίνεται στο Σχήμα 2-8.

•  Ασθενή οξέα και βάσεις (ασθενείς ηλεκτρολύτες) είναι εκείνα που διίστανται μερικώς σε ιόντα όταν διαλύονται στο νερό.

Στο διάλυμα στην χημική (ιοντική) ισορροπία υπάρχει κυρίως συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη και σε μικρότερο βαθμό των ιόντων που προκύπτουν από την διάσταση του. Για παράδειγμα όταν το HCN, πού είναι ένα ασθενές οξύ, διαλυθεί στο Η₂Ο διίσταται κατά ένα μικρό μέρος στα ιόντα του σύμφωνα με την αμφίδρομη αντίδραση:

 HCN   +    H₂O    =   H₃O⁺  +  CN^-

 Στην χημική (ιοντική) ισορροπία στο διάλυμα υπάρχουν οι παρακάτω ουσίες (ιόντα): κυρίως [HCN] και [H₂O] και λιγότερο [H₃O⁺] και [CN^-] (η χημική ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα αριστερά). Μία απεικόνιση του ιοντισμού ενός τέτοιου ασθενούς οξέος στην γενική του μορφή δίνεται στο Σχήμα 2-9.
Πώς εξηγείται όμως ότι ακόμη και ένα ασθενές οξύ, όπως το HCN για παράδειγμα, ιοντίζεται σε μικρό βαθμό όταν διαλυθεί στο νερό;

Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τα μόρια μέσα στο διάλυμα λόγω της θερμικής ενέργειας που έχουν κινούνται διαρκώς και συγκρούονται μεταξύ τους. Κάποιες από αυτές τις συγκρούσεις δίνουν σε ορισμένα μόρια του HCN αρκετή κινητική ενέργεια ώστε να μπορούν να αποβάλλουν ένα πρωτόνιο (Η⁺) το οποίο παίρνει το νερό και σχηματίζεται H₃O⁺. Όσο ισχυρότερο είναι ένα οξύ τόσο περισσότερα μόρια αποκτούν αρκετή κινητική ενέργεια ώστε να μπορούν να αποβάλλουν Η⁺.

Oπως ήδη έχει παρουσιασθεί παραπάνω τα οξέα και οι βάσεις έχουν διαφορετική τάση να δίνουν ή να δέχονται H⁺ αντίστοιχα και επομένως παρουσιάζουν διαφορές ως προς το πόσο ισχυρά ή ασθενή [2] είναι.

Πώς όμως μπορούμε να κατατάξουμε τα οξέα και τις βάσεις ως προς την ισχύ τους;  Ποιοι «δείκτες» μπορούν να χρησιμοποιηθούν;
Δύο από τους «δείκτες» που χρησιμοποιούνται για την κατάταξη των οξέων-βάσεων ως προς την ισχύ τους είναι:

• Ο βαθμός ιοντισμού (διάστασης) (α)

• Η σταθερά ιοντισμού (διάστασης) (k)

Ο βαθμός ιοντισμού [3] ενός ηλεκτρολύτη (α) ορίζεται ως το πηλίκο του αριθμού των mol (ή g ή μορίων) που ιοντίζονται προς τον συνολικό αριθμό των mol (ή g ή μορίων) του ηλεκτρολύτη. 

α = [διιστάμενα mol ηλεκτρολύτη στο H₂O / συνολικά mol του ηλεκτρολύτη στo Η₂Ο]        [2.1]


Ο βαθμός ιοντισμού (α) εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες[4]:

i) Φύση του ηλεκτρολύτη: Η μοριακή δομή του ηλεκτρολύτη (τρόπος που ενώνονται τα άτομα του) και κυρίως το μέγεθος και η ηλεκτραρνητικότητα του ατόμου που συγκρατεί το υδρογόνο στον ηλεκτρολύτη καθορίζουν σημαντικά την ισχύ του.

Για παράδειγμα: Το ΗΙ είναι ποιο ισχυρό οξύ από το ΗF γιατί η ατομική ακτίνα του Ι είναι μεγαλύτερη από του F και έτσι ο δεσμός Η-I είναι ασθενέστερος από του Η-F. Το αποτέλεσμα είναι το Η να αποσπάται ευκολότερα ως Η⁺ από το ΗΙ και έτσι το οξύ να είναι ισχυρότερο.

ii) Φύση του διαλύτη: Στο νερό τόσο το HCl όσο και το ΗClO₄ διίστανται πλήρως στα ιόντα τους και επομένως και τα δύο συμπεριφέρονται σαν ισχυρά οξέα. Εάν ως διαλύτης αντί του νερού χρησιμοποιηθεί διαιθυλεθέρας (C₂H₅OC₂H₅) το HCl διίσταται μερικώς στα ιόντα του (συμπεριφέρεται σαν ασθενές οξύ) ενώ το ΗClO₄ διίσταται πλήρως (συμπεριφέρεται σαν ισχυρό οξύ).

iii) Θερμοκρασία: Όσο αυξάνει η θερμοκρασία τόσο η τιμή του (α) αυξάνει καθώς η αντίδραση ιοντισμού είναι ενδόθερμη αντίδραση.

iv) Συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη: Όσο αυξάνει η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη τόσο η τιμή του (α) ελαττώνεται.

v) Παρουσία κοινού ιόντος: Η παρουσία κοινού ιόντος μειώνει την τιμή του (α).

H σταθερά ιοντισμού (k_a) είναι η σταθερά ισορροπίας [5] για την αμφίδρομη αντίδραση του ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος στο νερό και είναι ίση με την τιμή του κλάσματος:

k_a = [H₃O⁺] [A^-] / [HA]  [5]          [2.2]

για την γενική αντίδραση διάστασης ασθενούς οξέος  HA + H₂O  =  H₃O⁺ + A^-  και

k_b = [HB⁺] [OH^-] / [B]           [2.3]

για την γενική αντίδραση διάστασης ασθενούς βάσης  Β + H₂O  =   ΗΒ⁺ + ΟΗ^-
(όπου [H₃O⁺], [A^-], [HA], [HB⁺], [OH^-], [B] οι συγκεντρώσεις των ουσιών/ιόντων H₃O, A^-, HA, HB⁺, OH^-, B αντίστοιχα, εκφρασμένες σε mol/ℓ).
H σταθερά ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος (k_a) ή ασθενούς βάσης (k_b) σε αραιά υδατικά διαλύματα εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία [6]. Συγκεκριμένα, αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας καθώς η αντίδραση ιοντισμού είναι ενδόθερμη.

Oρισμένα οξέα έχουν περισσότερες από μία σταθερές ιοντισμού γιατί ιοντίζονται σε δύο ή περισσότερα βήματα. Tα οξέα αυτά ονομάζονται γενικά πολυπρωτικά οξέα. Όσα από αυτά ιοντίζονται σε δύο βήματα ονομάζονται διπρωτικά, όσα σε τρία τριπρωτικά κλπ. Για παράδειγμα το  ανθρακικό οξύ Η₂CO₃ είναι ένα διπρωτικό οξύ και ιοντίζεται σε δύο βήματα ως εξής:

Η₂CO₃ (aq)         =          Η⁺(aq) + HCO₃^- (aq)       k_a1 = 4,3 . 10^-7

  HCO₃^- (aq)  =   Η⁺(aq) + CO₃^-2 (aq)       k_a2 = 5,6 . 10^-11

Tιμές για τις σταθερές ιοντισμού γνωστών οξέων και βάσεων στους 25 °C δίνονται στον Πίνακα 2-7 στην σελίδα 260.

Μέτρο («δείκτης») της ισχύος των ηλεκτρολυτών είναι:
►  Ο βαθμός ιοντισμού ενός ηλεκτρολύτη (α) ο οποίος εξαρτάται από την θερμοκρασία, την φύση του διαλύτη, την φύση και την συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη.
►   Η σταθερά ιοντισμού k η οποία σε αραιά διαλύματα εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία

Για να δείτε πώς παρουσάζεται στο βιβλίο η θεωρία για τα ασθενή οξέα και τις ασθενείς βάσεις πατήστε εδώ.

---

[1] Ισχυροί ηλεκτρολύτες είναι τα άλατα, τα υδροξείδια των μετάλλων [(NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂, CsOH, Sr(OH)₂] και μερικά οξέα [HCl, HBr, HI, HClO₄, HNO₃, H₂SO₄ (1^η διάσταση)].
[2] Μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τα ισχυρά οξέα είναι εκείνα που έχουν ασθενή δεσμό με το Η τους (τείνουν εύκολα να το χάσουν). Τα ασθενή οξέα είναι εκείνα που έχουν ισχυρό δεσμό με το Η τους (τείνουν δύσκολα να το χάσουν).

[3] Ο βαθμός ιοντισμού αποτελεί μέτρο («δείκτη») της ισχύος των ηλεκτρολυτών αρκεί να γίνεται αυτή η σύγκριση των ηλεκτρολυτών στον ίδιο διαλύτη, στην ίδια θερμοκρασία, στην ίδια συγκέντρωση και χωρίς να υπάρχει κοινό ίον. Οι ισχυροί ηλεκτρολύτες έχουν α=1 ενώ οι ασθενείς α<1.

[4] Ο βαθμός ιοντισμού είναι ένα μέτρο της ισχύος των ηλεκτρολυτών αλλά εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Ενας καλλίτερος δείκτης της ισχύος των ηλεκτρολυτών είναι η σταθερά ιοντισμού k.

[5]  Σύντομη επανάληψη των βασικών αρχών και σχέσεων που  ισχύουν σε κατάσταση χημικής ισορροπίας δίνονται στο Ενθετο 4.

[6]  Για σταθερή θερμοκρασία βλέπουμε ότι η σταθερά ιοντισμού k_a και η k_b δεν αλλάζει ενώ ο βαθμός ιοντισμού (α) αλλάζει. Για τον λόγο αυτό μέτρο της ισχύος των ηλεκτρολυτών είναι κυρίως η σταθερά ιοντισμού. Οσο μεγαλύτερη είναι η σταθερά ιοντισμού τόσο ποιο ισχυρό είναι το οξύ ή η βάση και επομένως τοσο σε μεγαλύτερο βαθμό διίσταται στα ιόντα του στο νερό.

---