Chemie · Střední škola · kapitola 5
Kyseliny, zásady a redoxní děje
Dva velké typy reakcí stojí za většinou chemie kolem nás. Při acidobazických reakcích se přenáší proton H⁺, při redoxních reakcích elektrony. Od žaludeční šťávy přes baterii v mobilu po rezavějící most.
1Teorie kyselin a zásad
| Teorie | Kyselina | Zásada |
|---|---|---|
| Arrhenius (1887) | ve vodě odštěpuje H+ | ve vodě odštěpuje OH− |
| Brønsted–Lowry (1923) | donor protonu H+ | akceptor protonu H+ |
| Lewis (1923) | akceptor elektronového páru | donor elektronového páru |
Podle Brønstedovy teorie tvoří kyselina a zásada konjugované páry, které se liší o jeden proton:
HCl + H2O ⇌ Cl− + H3O+ (kyselina 1 + zásada 2 ⇌ zásada 1 + kyselina 2)
Voda je amfoterní (amfiprotní) – s kyselinou se chová jako zásada, se zásadou (NH3) jako kyselina. Amfoterní jsou i hydroxidy některých kovů (Al(OH)3, Zn(OH)2).
2Síla kyselin a zásad
Silné kyseliny jsou ve vodě disociované prakticky úplně: HCl, HBr, HI, HNO3, H2SO4, HClO4. Slabé kyseliny jen částečně: CH3COOH, H2CO3, HF, H2S. Míru udává disociační konstanta Ka (nebo pKa = −log Ka; čím menší pKa, tím silnější kyselina). U kyslíkatých kyselin roste síla s počtem kyslíků nevázaných na vodík: HClO < HClO2 < HClO3 < HClO4. Čím silnější kyselina, tím slabší je její konjugovaná zásada.
Silné zásady: hydroxidy alkalických kovů a těžších kovů alkalických zemin (NaOH, KOH, Ba(OH)2). Slabá zásada: amoniak.
3Autoprotolýza vody a pH
Voda samovolně v nepatrné míře reaguje sama se sebou: 2 H2O ⇌ H3O+ + OH−. Iontový součin vody při 25 °C:
Kw = [H3O+] · [OH−] = 1,0 · 10−14 · pH = −log [H3O+] · pH + pOH = 14
- Silná jednosytná kyselina: [H3O+] = c. HCl o c = 0,01 mol/l → pH = 2.
- Silná zásada: NaOH o c = 0,001 mol/l → pOH = 3 → pH = 11.
- Slabá kyselina (přibližně): pH = ½ (pKa − log c). Kyselina octová (pKa = 4,76), c = 0,1 mol/l → pH ≈ 2,9.
- Zředění silné kyseliny 10× zvýší pH o 1.
Hydrolýza solí: sůl silné kyseliny a silné zásady (NaCl) reaguje neutrálně; sůl slabé kyseliny a silné zásady (Na2CO3, CH3COONa) zásaditě; sůl silné kyseliny a slabé zásady (NH4Cl) kysele.
Pufry (tlumivé roztoky) – směs slabé kyseliny a její soli (nebo slabé zásady a její soli) – udržují pH téměř stálé i po přidání malého množství kyseliny či zásady. pH pufru: Hendersonova–Hasselbalchova rovnice pH = pKa + log (csůl/ckys). Krev udržuje pH 7,35–7,45 hlavně hydrogenuhličitanovým pufrem.
4Neutralizace a titrace
Acidobazická titrace je odměrná metoda: k roztoku se známým objemem a neznámou koncentrací přidáváme z byrety odměrný roztok o přesné koncentraci, dokud indikátor nezmění barvu (bod ekvivalence). Indikátory: fenolftalein (přechod pH 8,2–10, z bezbarvé na fialovou), methyloranž (3,1–4,4, z červené na oranžovožlutou). Z objemu spotřebovaného roztoku spočítáme koncentraci: n(kyseliny) = n(zásady) · poměr koeficientů.
5Oxidace a redukce
Oxidace = ztráta elektronů, oxidační číslo roste. Redukce = přijetí elektronů, oxidační číslo klesá. Oxidační činidlo se samo redukuje (KMnO4, K2Cr2O7, O2, Cl2, HNO3, H2O2), redukční činidlo se oxiduje (kovy, H2, C, CO). Některé látky se mohou samy oxidovat i redukovat – disproporcionace (2 H2O2 → 2 H2O + O2).
Vyčíslování redoxních rovnic
- Určíme oxidační čísla a najdeme prvky, které je mění.
- Sestavíme dílčí rovnice oxidace a redukce s počtem elektronů.
- Najdeme nejmenší společný násobek vyměněných elektronů a dílčí rovnice jím vynásobíme.
- Doplníme koeficienty ostatních látek, nakonec vodík a kyslík (kontrola nábojů u iontových rovnic).
Cu + HNO3(zřeď.) → Cu(NO3)2 + NO + H2O. Cu0 → CuII (−2 e−) ×3; NV → NII (+3 e−) ×2. Výsledek:
3 Cu + 8 HNO3 → 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O
6Elektrochemie
Standardní elektrodový potenciál E° porovnává ochotu látek přijímat elektrony vůči standardní vodíkové elektrodě (0 V). Seřazením kovů podle E° vzniká Beketovova (elektrochemická) řada napětí kovů:
Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Cd Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au
Kovy se záporným potenciálem (vlevo od H, neušlechtilé) vytěsní vodík z neoxidujících kyselin; kov vlevo vyredukuje z roztoku soli kov vpravo.
- Galvanický článek – samovolná redoxní reakce dává proud. Daniellův článek: Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu, napětí 1,10 V. Anoda (oxidace) je zde záporná, katoda (redukce) kladná. Použití: suché články, alkalické baterie, olověný akumulátor v autě, Li-ion baterie, palivové články.
- Elektrolýza – vnější proud vynutí nesamovolnou reakci. Na katodě (−) probíhá redukce, na anodě (+) oxidace. Příklady: výroba hliníku z taveniny Al2O3, chloru a NaOH z roztoku NaCl, rafinace mědi, galvanické pokovování. Množství vyloučené látky popisují Faradayovy zákony: m = M · I · t / (z · F), F = 96 485 C/mol.
- Koroze – elektrochemická oxidace kovů; ochrana nátěry, pokovením (zinek chrání železo i po poškrábání – obětovaná anoda), legováním, katodickou ochranou potrubí.
Komentáře a dotazy
Načítám komentáře…