חומצות ובסיסים מכון דוידסון קיץ 2016 מכון דוידסון קיץ 2016 הכינה אורית מולווידזון על בסיס מצגת של אילנה זהר

למה חומצות ובסיסים? חומצות ובסיסים הם סוגי החומרים השכיחים ביותר במעבדה ובחיי יומיום. בתאי צמחים ובתאי בעלי חיים קיים שיווי משקל בין חומצות, בסיסים ומים , שחיוני לקיומו של כל ייצור חי. שמירה על רמת החומציות המתאימה של המים בטבע ובמאגרים עירוניים חיונית לקיום חברות בני אדם והיא מגנה על המערכות האקולוגיות שלנו. אלו חומרים חשובים בחיי יומיום ובתעשיות שונות.

דוגמאות: מצבר הרכב מכיל חומצה גופרתית, משקה קולה מכיל חומצה זרחתית, בקיבה יש חומצת מימן כלורית מיץ לימון מכיל חומצה ציטרית. נתרן הידרוקסיד (סודה קאוסטית) , משמש בייצור נייר, כחומר ניקוי וגם כחומר לפתיחת סתימות ביוב. אמוניה היא בסיס המשמש בתעשיית הדשנים. תרופות המכילות בתוכן בסיס משמשות כתרופות להקלה במקרה של חומציות יתר במערכת העיכול.

הגדרות לחומצה ובסיס. הגדרת ארניוס 1884 בערך ראשוני הכימאים כינו בשם חומצות חומרים שטעמם חריף או חמוץ, ואת החומרים שהתאפיינו במגע סבוני כבסיסים. הגדרת ארניוס 1884 בערך הגדרת ברונסטד – לאורי בשנת 1923 הגדרת לואיס 1923

הגדרות לחומצה ובסיס. על פי הגדרת ארניוס (S.Arrhenius) כימאי שוודי : חומצה היא תרכובת המכילה אטומי מימן ובתמיסתה המימית נוכחים יוני הידרוניום H3O+ (aq). HCl (aq) + H2O (l) ----> H3O+ (aq) + Cl- (aq) 2. בסיס הוא תרכובת שבתמיסתה המימית נוכחים יוני הידרוקסיד OH-(aq). NaOH(s) ----> Na+ (aq) + OH- (aq) חסרון -הגדרת ארניוס מתייחסת רק לתמיסה מימית.

הגדרות לחומצה ובסיס - המשך 2. על פי הגדרת לאורי (T.Lowry) באנגליה וברונסטד (J. Bronsted ) בדנמרק : חומצה היא חלקיק (מולקולה או יון) התורם פרוטון (שמקורו באטום מימן מקוטב חיובית). בסיס הוא חלקיק (מולקולה או יון) הקולט פרוטון. (מכיל אטום עליו קוטב שלילי או מטען שלילי) החלקיק לא יכול לפעול כחומצה ללא נוכחות בסיס ולהפך.

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

חומצות במים - המים מתפקד כבסיס דוגמאות: חומצות במים - המים מתפקד כבסיס H+ 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 יימסר פרוטון ראשון אחכ’ השני וכו’

בסיס במים, המים מתנהגים כחומצה: דוגמאות: תרכובות עם אטומי חנקן : CH3NH2 + H2O(l)----> CH3NH3+(aq)+ OH-(aq) .. יון חמצן במים (מתחמוצות מתכתיות): O2-(aq)+ H2O(l) ----> 2OH-(aq) .. יון מימן במים (מהידריד מתכת:( H-(aq) + H2O(l) ---> H2(g) + OH-(aq) ..

H2O (l) + HCl(l) --------> H3O+(aq) + Cl -(aq) דוגמא- תגובה של מימן כלורי עם מים. H2O (l) + HCl(l) --------> H3O+(aq) + Cl -(aq) בסיס חומצה Cl - H O + + H O - H Cl המים מתפקדים כבסיס (תורמים זוג אלקטרונים ליצירת קשר קואורדינטיבי) וגם כממס.

דוגמא - תגובה של אמוניה במים. H2O(l) + :NH3 (g) --------> OH -(aq) + NH4+(aq) בסיס, יון הידרוקסי חומצה חומצה בסיס - + H N - H N H O + H O המים מגיבים כחומצה ( H מקבל זוג אלקטרונים ליצירת קשר קואורדינטיבי ) וגם כממס.

תגובות חומצה בסיס תגובת חומצה בסיס - תגובה בה יש מעבר של H+ מחומר אחד לשני. תוצר התגובה מלח. NH3 (g) + HCl(g) -----> NH4Cl(s) H+

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

המשך תגובות חומצה בסיס סתירה - תגובת חומצה בסיס – תגובה בין יוני ההידרוניום ליוני ההידרוקסיד. תוצרי הסתירה הם מים ומלח קל תמס או מלח קשה תמס. ניסוח נטו לסתירה: H3O+(aq) + OH-(aq) 2H2O(l)

סתירה - תגובה בין תמיסה חומצית לתמיסה בסיסית בכל ערבוב של תמיסה חומצית עם תמיסה בסיסית יגיבו יוני ההידרוניום עם יוני ההידרוקסיל 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)

Ba2+(aq) +2OH-(aq)+ 2H3O+(aq) + SO42-(aq) ----> 4H2O(l) + BaSO4(s) 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)

חומרים המתנהגים כחומצות במים: נהוג, אבל לא מחייב, לרשום מימן חומצי משמאל ללא קשר למבנה המולקולרי. 1. HX - הלוגן -X HF , HCl , HBr , HI 2. HaXOb - מספר –a, b , Cl ,N אל מתכת כמו - X HNO3 , HClO4 , HBrO3, H2SO4 H3XOy, H2XOy HXOy - חומצות חד, דו ותלת פרוטיות HI, H2S, H2SO4 , H2SO3 , H2CO3 , H3PO4

חומצות נוספות 3. RCOOH - חומצות אורגניות HCOOH , CH3COOH :דוגמאות CH3COOH(l) + H2O (l) ----> CH3COO-(l) + H3O+(aq) אטום המימן החומצי רשום בצד ימין בקבוצה קרבוקסילית. הנוסחה הכללית של הקבוצה הפונקציונלית: חומצה בסיס C=O OH - +

תחמוצות של אל-מתכות: CO2 , SO2 , SO3 , Cl2O בהמסתם במים קודם מתרחש סיפוח מולקולת מים, אחכ’ יצירת יון ההידרוניום: CO2(g)+ H2O(l) ----> H2CO3(aq) H2CO3(aq)+ 2H2O: ---> CO32-(aq) + 2H3O+(aq) סיפוח: חומצה בסיס

חומרים המתנהגים כבסיסים במים: אמוניה .NH3 אמינים - RNH2 בסיסים אורגנים- מכילים חנקן עם זוג לא קושר יונים שליליים כדוגמת: O2- , H- , CO32- , HCO3- , OH- יונים אלו יופיעו בתרכובות יוניות אשר בשלב הראשון החומרים יתמוססו במים ובשלב השני יגיבו עימם תוך קשירת H+

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

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

סקלת ה- PH סקלה למדידת חומציות ובסיסיות – מדד לריכוז יוני הידרוניום ויוני הידרוקסיד. הסקלה מוגדרת לתמיסות מימיות בלבד. תחום הסקלה- בין 0 ל- 14, לתמיסות שריכוזן אינו עולה על 1 מולר. בריכוזים גבוהים יותר תחומה רחב יותר (מתחת ל- 0 ומעל ל- 14).

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

סימולציה (נחשון- מטח ) : סקלת ה- pH מהחומרים המופיעים בה ומוכרים לכם. ב. מיץ כרוב סגול יכול לשמש אינדיקטור לחומצה בסיס. בתוך הכוס משמאל למד ה-pH יש מיץ כרוב סגול. צרו סְקָלָה הקושרת בין צבע הכרוב ל-pH.(ייתכן שיש עיוות כלשהו של הצבעים). תשובה: סימולציה למדידת pH של חומרים שונים ב. א. החומר pH צבע תמצית כרוב סגול מיץ לימון 4 ורוד סודה לשתייה 8 ירוק אספירין 5 ורוד כהה אמוניה 10 סבון צהוב מים 7 סגול סבון לימון 6 סגול בהיר חומץ ורוד בהיר נוזל שרברבים 12 חום צהבהב צבע תמצית pH ורוד 4 ורוד כהה 5 סגול בהיר 6 סגול 7 ירוק 8-10 צהוב 10 צהוב-חום 12

שאלה : נתונה רשימת התמיסות הבאה: HI(aq) II. Mg(OH)2(aq) III. HNO3(aq) .IV NaCl(aq) V. CH3CH2OH(aq) VI. CH3CH2COOH(aq) רשמו בעבור כל אחת מהתמיסות הנ"ל את תחום ה-pH שלה: גדול מ-7 / קטן מ-7 / שווה 7.

שאלה דרגו את החומרים והתמיסות הבאים על סקלת ה-pH. מים טהורים II. H2SO4(aq) בריכוז 0.1M III. HCl(aq) בריכוז M0.1 IV . HCl(aq) בריכוז M0.01 V. Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1M VI. NaOH(aq) בריכוז 0.1M VII. NaOH(aq) בריכוז 0.01M רמז: שימו לב לריכוז וליחסי האיזון בתגובות ההמסה ובתגובות חומצה בסיס.

H2SO4(aq) בריכוז 0.1M, ריכוז ההידרוניום 0.2 מולר תשובה ה-pH של התמיסה נקבע על ידי ריכוז יוני ההידרוניום או ההידרוקסיד שבה. מים טהורים 7 14 H2SO4(aq) בריכוז 0.1M, ריכוז ההידרוניום 0.2 מולר HCl(aq) בריכוז M0.01 HCl(aq) בריכוז M0.1 Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1M, ריכוז ההידרוקסיד 0.2 מולר NaOH(aq) בריכוז 0.01M NaOH(aq) בריכוז 0.1M

מוליכות חשמלית של תמיסות חומצה ובסיס חומצות ובסיסים יוצרים יונים ניידים במים ולכן תמיסותיהם המימיות מוליכות חשמל. המוליכות חשמלית תלויה בריכוז היונים בתמיסה. המוליכות החשמלית תגדל ככל שריכוז החומצות והבסיסים גבוה יותר.

שאלה דרגו את החומרים והתמיסות הבאים לפי מוליכות חשמלית גדלה. מים טהורים II. H2SO4(aq) בריכוז 0.1M III. HCl(aq) בריכוז M0.1 IV . HCl(aq) בריכוז M0.01 V. Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1M VI. NaOH(aq) בריכוז 0.1M VII. NaOH(aq) בריכוז 0.01M

תשובה המוליכות החשמלית תגדל ככל שריכוז היונים יגדל וככל שהמטענים החשמליים של היונים יגדלו. מים טהורים מוליכות חשמלית זניחה. H2SO4(aq) בריכוז 0.1M, ריכוז ההידרוניום 0.2 מולר, מטעני יונים גדולים HCl(aq) בריכוז M0.01 HCl(aq) בריכוז M0.1 Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1M, ריכוז הידרוקסיד 0.2 מולר, מטעני יונים גדולים NaOH(aq) בריכוז 0.01M NaOH(aq) בריכוז 0.1M מוליכות חשמלית גדלה

תגובת חומצה בסיס: סיכום פרוטון הוא אטום מימן ללא האלקטרון. בתגובת חומצה בסיס יש מעבר פרוטון, שמקורו באטום המימן. בסיסים וחומצות מוגדרים בתגובה נתונה זה לעומת זה. המים מתפקדים לפעמים כחומצה ולפעמים כבסיס. חומצות ובסיסים משחררים יונים בתמיסה מימית ולכן תמיסותיהם מוליכות חשמל מושגים חשובים: תגובת חומצה בסיס, בסיס, חומצה, pH, אינדיקטור, מוליכות חשמלית

מלח פחמתי בחומצה CO32-(aq)+ 2H3O+(aq)---> CO2(g)+ 3H2O(l) מלח קל תמס, כמו נתרן פחמתי, המכיל יונים פחמתיים יתמוסס בתמיסה חומצית תוך פרוק ליונים ותגובה של היונים הפחמתיים עם יוני ההידרוניום: CO32-(aq)+ 2H3O+(aq)---> CO2(g)+ 3H2O(l) ניתן להציג 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)

CaCO3(s)+ 2H3O+(aq)---> Ca2+(aq)+ CO2(g)+ 3H2O(l) גיר - סידן פחמתי בחומצה CaCO3(s)+ 2H3O+(aq)---> Ca2+(aq)+ CO2(g)+ 3H2O(l) סידן פחמתי, חומר קשה תמס, (מכיל בסיס צמוד של החומצה הפחמתית), יגיב כבסיס בנוכחות יוני ההידרוניום. 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).

פחמן דו חמצני בתמיסה בסיסית CO2(g)+ OH-(aq) ---> HCO3-(aq) פחמן דו חמצני במי סיד מי סיד - מים בהם מומס Ca(OH)2 . כאשר ממיסים במי סיד פחמן דו- חמצני, CO2 (g) מספח מים לקבלת חומצה פחמתית, הנסתרת ע”י יוניOH-(aq) . נוצר 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)

חוזק חומצות ובסיסים. חומצה חזקה עוברת דפרוטונציה מלאה בתמיסה. חומצה חלשה עוברת דפרוטונציה חלקית בלבד בתמיסה, תלוי בקבוע חומצה. בסיס חזק עובר פרוטונציה מלאה בתמיסה. בסיס חלש עובר פרוטונציה חלקית בלבד בתמיסה, תלוי בקבוע בסיס. מושגים: פרוטונציה – קבלת פרוטון דפרוטונציה – איבוד פרוטון

דוגמה לחומצות ובסיסים חזקים חומצות חזקות: HBr , HCl, HI, HNO3, HClO4, HClO3, H2SO4 בסיסים חזקים: הידרוקסיד של מתכות אלקליות, KOH, NaOH הידרוקסיד של מתכות אלקליות אפרוריות Sr(OH)2, Ca(OH)2, Ba(OH)2 , תחמוצות והידרידים של מתכות מטור 1 ומטור 2. כל השאר חלשים יחסית.

סיכום חומצות ובסיסים חלשים חומצות ובסיסים חלשים אינם מגיבים במים עד תום. מתרחשות תגובות הפיכות, לכן אפשר למצוא בתום התגובה מגיבים ותוצרים יחד. המוליכות החשמלית של חומצות ובסיסים חלשים במים נמוכה לעומת המוליכות החשמלית של החומצות והבסיסים החזקים בריכוז זהה. ה-pH של חומצה חלשה גבוה משל חומצה חזקה בריכוז זהה. ה-pH של בסיס חלש נמוך משל בסיס חזק בריכוז זהה. תמיסה חומצית מגיבה עם תמיסה בסיסית בתגובת סתירה. מיהול במים של תמיסות חומציות ובסיסיות יקרב את ה-pH שלהן ל-7, אך לא יגיע אליו. מיהול יקטין את המוליכות החשמלית של תמיסות חומציות ובסיסיות כאחד.

חישובים סטכיומטרים בתגובות סתירה

חישובים סטכיומטרים בתגובות סתירה H3O+(aq) + OH-(aq)---> 2H2O(l) תרגיל לדוגמא: ערבבו 100 מ”ל תמיסה מימית של H2SO4 בריכוז M 0.1 עם 100 מ”ל תמיסה מימית של NaOH בריכוז M 0.1 . מה יהיה תחום ה- pH של התמיסה בתום התהליך? בשתי התמיסות ריכוז ונפח התמיסות שווה, לכן גם מספר המולים של המומס שווה - 0.01 מול. אבל: פתרון: NaOH ---> Na+ + OH- 0.01 מול 0.01 מול H2SO4 +2H2O ---> SO42- + 2H3O+ 0.01 מול 0.02 מול H3O+(aq) + OH-(aq)---> 2H2O(l) יש עודף של יוני הידרוניום לכן ה- pH בתום התגובה יהיה חומצי. 0.02 מול 0.01 מול

תרגיל : ערבבו 200 מ”ל תמיסת H2SO4 בריכוז M0.1 עם 100 מ”ל תמיסת Ba(OH)2 בריכוז M 0.1. א. חשבו את מסת המשקע שהתקבל. ב. האם בתום התהליך התמיסה תהיה חומצית/ בסיסית/ ניטרלית. 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 א. מסת המשקע בגרמים: 0.01 X מסה מולרית. ב. יש עודף של יוני הידרוניום לכן התמיסה תהיה חומצית בתום התהליך.

טיטרציה- טיטור טיטור היא שיטה לקביעת הריכוז של מומסים בתמיסה. בטיטור מתבססים על תגובה כימית (חמצון –חיזור, סתירה, שיקוע...) שמתבצעת בנוכחות אינדיקטור. החומר שאת ריכוזו בתמיסה רוצים לגלות נקרא אנליט והוא מצוי בתמיסה בריכוז לא ידוע. לתוך תמיסת הנעלם מוסיפים בהדרגה תמיסה של חומר בריכוז ידוע וקבוע. חומר זה נקרא טיטרנט. מקובל להשתמש באינדיקטור לזיהוי הנקודה שבה התגובה הסתיימה (לא נותרו עוד שיירי אנליט). בנקודה זו, המכונה "נקודת סוף טיטרציה", ניתן לחשב את ריכוז הנעלם על ידי מציאת מספר המולים שהגיבו (מתוך ידיעת הנפח והריכוז המדויקים של הטיטרנט).

ניסוי: 2 1 טיטרציה של חומצה עם בסיס בנוכחות אינדיקטור. 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 http://library.advanced.org/3310/lographics/experiments/index.html בירטה End point - שינוי צבע חומצה בריכוז נעלם 2 1

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

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 מול מולי יוני ההידרוניום שהיו- 0.004 מול ריכוז יוני ההידרוניום- 0.004 מול ב- 0.02 ליטר תמיסה - 0.2 מולר.

ניסויים: טיטור מיצים ומשקאות קלים, חלב טרי או חמוץ טיטרציה ממוחשבת מהו מנטרל טוב- 2 חלקי קביעת אחוז חומצות שומן בשמן זית סדנת ציור עם מי קרוב