חומצות ובסיסים

1. חומצות ובסיסים אילנה זהר מה”ד ירושלים

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

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

4. Cl H H H H O O Cl H H דוגמא- תגובה של מימן כלורי עם מים. H2O:(l) + HCl(l) --------> H3O+(aq) + Cl: -(aq) בסיס חומצה צמודה בסיס צמוד חומצה המים מתפקדים כבסיס וגם כממיס.

5. 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 צמוד חומצה צמודה חומצה בסיס המים מגיבים כחומצה וכממיס.

6. ניסוח כולל לתגובת חומצה בסיס B: + H-X --------> B-H+ + X: - בסיס צמוד חומצה צמודה 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.תוצרי התגובה שהתקבלו יכולים לתפקד כבסיס וכחומצה. ניתן להוסיף בשלב זה שיווי משקל חומצה בסיס ( לא בתכנית הלימודים) 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 מכניסים חומצה (יחסית למים) למים. אז המים מתנהגים כבסיס. HA + 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. 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, תלתפרוטיות 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) חומצות דו ותלת פרוטיות מגיבות עם המים בשלבים.

16. חומצה חלשה - לא בתכנית הלימודים משחררת+H במידה מועטה במים. לא כל המולקולות תמסורנה פרוטונים למים. התהליך הפיך. דוגמא: HF(aq)+ H2O(aq) <====> F-(aq) + H3O+(aq) בסיס צמוד של חומצה חלשה חומצה חלשה בסיס -F מתחרה עם H2O על ה- +H. בהוספת נתרן פלואורי למים תתקבל תמיסה בסיסית: 1. NaF(s) ----> Na+(aq)+ F-(aq) 2. F-(aq) + H2O(l) <===> HF(aq)+ OH-(aq)

17. חומצות חזקות: • HCl , HBr , HI • H2SO4 • HNO3 , HClO4 • כל היתר חלשות תרגיל: מי הם הבסיסים הצמודים של החומצות הבאות: HNO3 , HI , H3PO4 , H2PO4- , HPO42- , H2O

18. בסיס צמוד של חומצה חלשה יחסית למים יתנהג במים כבסיס. בסיס צמוד של חומצה חזקה יהיה נייטרלי במים(כמו-Cl-, SO42). חוזק חומצות ובסיסים לא נמצא בתכנית הלימודים. כדי להבין היטב נושא זה כדאי ללמד קודם עקרונות של שיווי משקל כימי. ללא חוזק חומצות ובסיסים לא ניתן להסביר את התופעה של בסיסים וחומצות צמודים.

19. חומצות נוספות • RCOOH - חומצות אורגניותHCOOH , CH3COOH :דוגמאותCH3COOH(l) + H2O(l) ----> CH3COO-(l) + H3O+(aq) חומצות צמודות חלשות, התהליך הפיך. NH4+(aq)+ H2O(l) <==> NH3(aq)+ H3O+(aq) מקורם במלחים חומציים כמו NH4Cl

20. תחמוצות של אל-מתכות:CO2 , SO2 , SO3 , Cl2Oקודם מתרחש סיפוח מולקולת מים, אחכ’ שחרור יון הידרוניום: CO2(g)+ H2O(l) ----> H2CO3(aq) H2CO3(aq)+ H2O ---> HCO3-(aq) + H3O+(aq) יש לדעת לנסח רק את התגובות של התחמוצות: CO2 , SO2 , SO3

21. חומרים המתנהגים כבסיסים במים: • 1. אמוניה - NH3 • 2. אמינים - RNH2 • 3. בסיסים צמודים של חומצות - יונים שליליים כדוגמת: O2- , H- , CO32- , HS- , HPO42- , -OH (יונים אלו יופיעו בתרכובות יוניות אשר בשלב הראשון יתמוססו במים ובשלב השני יגיבו איתם)

22. 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:

23. בסיסים צמודים (של חומצות חלשות) CO32-(aq) + H2O(l) ----> HCO3-(aq)+ OH-(aq) מקורם במלחים בסיסיים כמו Na2CO3 . רוב המולקולות המים מוותרות רק על מימן אחד (חומצה חלשה). רשימת מספר בסיסים חזקים במיוחד: O2- , OH- , H- , N3- , NH2- אמוניה ואמינים הם בסיסים חלשים.

24. תרגילים לדוגמא: נסח את התגובות במים של המוצקים הבאים: KH, K2O , K2S , K2SO4 , 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. האניון יגיב אם הוא בסיס צמוד של חומצה חלשה. לגבי בסיסים צמודים של חומצות דו ותלת פרוטיות חלשות קובעים אם הם בסיסים או חומצות לפי ה- PH שלהם במים.

25. 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. OH-(aq)+ H3O+(aq) -----> 2H2O(l)

26. H2SO4 2NaOH 100 מ”ל 100 מ”ל 0.1 מולר 0.1 מולר 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 ריכוז יוני ההידרוניום בתום התהליך? פתרון: 0.02 מול 0.01 מול 2H3O+(aq) + SO42-(aq)+ 2Na+(aq)+ 2OH-(aq)---> 2H2O(l) + SO42-(aq)+ 2Na+(aq) יש עודף של 0.01 מול יוני הידרוניום ב- 200 מ”ל תמיסה. ריכוז יוני ההידרוניום: 0.05 מולר.

27. 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. בירטה חומצה בריכוז נעלם End point - שינוי צבע

28. 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.

29. 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.

30. מסר 2 אלקט’ 2 מימנים קבלו 2 אלקט’ מתכת בתמיסה חומצית 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.

31. 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 חומצה פחמתית שממשיכה להגיב עד התפרקותה לפחמן דו חמצני ומים (התגובה ההפיכה לסיפוח מים לתחמוצת). מלח פחמתי בחומצה מספק יונים פחמתיים כמו הגיר. יגיב באופן דומה: CO32-(s)+ 2H3O+(aq)---> Ca2+(aq)+ CO2(g)+ 3H2O(l)

32. 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)

33. ניסויים: • המזרקה • חומצות ובסיסים, אינדיקטורים - מחיי יום יום ובמעבדה. • נתרן במים, מגנזיום בחומצה. • טיטרציה חומצה בסיס לקביעת ריכוז חומצה נעלמת. • מלחים חומציים ובסיסיים במים - בדיקת PH • להעשרה מאמרים בנושא - גשם חומצי, מערת הנטיפים.

34. הסילבוס לפרק חומצות ובסיסים • הגדרת בסיס וחומצה לפי ברונסטד ולאורי. • תגובת בסיס חומצה. • המים כבסיס וכחומצה. • תמיסה חומצית, תמיסה בסיסית • אינדיקטורים • pHכמדד איכותי בלבד לאופי התמיסה: חומצית, נייטרלית, בסיסית.

35. תגובות שיש לדעת בנושא: תגובות עם מים: • מתכת אלקלית במים. • הידריד מתכתי במים. • תחמוצת מתכתית במים. • תחמוצת אל מתכתית במים.

36. תגובות של תמיסה חומצית ובסיסית: • תמיסה חומצית עם מתכת. • תמיסה חומצית עם מלח פחמתי מסיס. • תמיסה חומצית עם גיר. • תמיסה חומצית עם תחמוצת מתכתית. • תמיסה חומצית עם תמיסה בסיסית- סתירה. • תגובות של תמיסה בסיסית: עם CO2g : • CO2g + מי סיד צלולים.