‫הכימיה של חומצות ובסיסים‬
‫הגדרת ‪:Arrhenius‬‬
‫חומצה יוצרת יונים ‪ H+‬במים‪:‬‬
‫‬‫בסיס יוצר יונים ‪ OH‬במים‪NaOH, KOH, Ca(OH) :‬‬
‫‪HNO3,HCl, HClO4‬‬
‫‪2‬‬
‫הגדרת ‪:Bronsted‬‬
‫חומצה ‪ -‬תורמת פרוטון )‪(H+‬‬
‫בסיס ‪ -‬מקבל פרוטון‬
‫‪HCl, HNO3, HClO4‬‬
‫‪NH3‬‬
‫זה יותר שימושי מכיוון שזה לא מוגבל רק‬
‫לתמיסות מימיות או רק לבסיסים שמכילים‬
‫קבוצות ‪.OH-‬‬
Bronsted acids: HX (X = F, Cl, Br, I), H2SO4,
HNO3, HClO4, etc, H2O, H3O+, NH3, NH4+,
CH3OH, CH3CO2H
Bronsted bases: H2O, OH-, NH3, NH2-, CO32-,
HCO3-, SO42-, S2-, HS-, SO32-, HSO3-,
CH3OH, CH3CO2-
H2O, NH3, HCO3-, HSO3- ‫יצורים כגון‬
‫הם אמפיפרוטיים מכיוון שמסוגלים גם לקבל‬
‫וגם לתרום פרוטונים‬
‫תכונה של המים‪ -‬אוטויוניזציה‬
‫המים הם אמפיפרוטיים‪ ,‬הקשר ‪O-H‬‬
‫מספיק קוטבי בכדי לגרום למעבר פרוטון‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫‪OH-‬‬
‫‪+‬‬
‫‪H 3O +‬‬
‫‪2H2O‬‬
‫ידוע כאוטויוניזציה או אוטופרוטוליזה‪ ,‬וזה גורם למים‬
‫להוליך מעט חשמל‪.‬‬
‫התהליך לא יעיל‬
‫‪H3O+ + OH-‬‬
‫‪2H2O‬‬
‫‪Kw = [H3O+][OH-] = 1.0 x 10-14‬‬
‫לכן‪ ,‬במים טהורים‪:‬‬
‫‪[H3O+] = [OH-] = 1.0 x 10-7 M‬‬
‫ש"מ זה והקבוע ‪ ,Kw‬חשובים בהחלט ללימוד על‬
‫חומצות ובסיסים חלשים‪ ,pH ,‬ותמיסות בופר‪.‬‬
‫חומצות מצומדות לבסיסים בטור השמאלי‬
ClCH3OH
H2S
CNSO42(CH3)3N
PO43HNO3
NO
O2-
HCl
CH3OH2+
H3S+
HCN
HSO4(CH3)3NH+
HPO42H2NO3+
HNO+
HO-
.‫בסיסים מצומדים לחומצות בטור השמאלי‬
H
+
H-N-O-H
H
H3PO4
H3NOH+
H2S
HClO4
CH4
H2PO4CH3OH
HCO2H
PH3
HSO4-
H2PO4H2NOH
HSClO4CH3HPO42CH3OHCO2PH2SO42-
‫חומצות ובסיסים חלשים וחזקים‬
‫חוזק חומצות או בסיסים נקבע על פי קבועי שווי המשקל‬
‫‪: Kc >> 1‬חזק‬
‫‪H3O+ + A- HI :‬‬
‫בסיסי ארהניוס‪BH+ + OH- NaOH :‬‬
‫‪HA + H2O‬‬
‫‪B + H2O‬‬
‫חומצות אנאורגניות‬
‫‪: Kc << 1‬חלש‬
‫חומצות אורגניות‪HOAc :‬‬
‫בסיסי ברונסטד‪NH3 :‬‬
‫‪H3O+ + A‬‬‫‪BH+ + OH-‬‬
‫‪HA + H2O‬‬
‫‪B + H2O‬‬
‫החומצות החזקות המסורתיות הן‪:‬‬
‫;)‪HClO4 (Ka=1010); HNO3(Ka=19.9);H2SO4 (Ka=1.6x105‬‬
‫)‪HCl (Ka=158) ;HBr (Ka=5x104); HI (Ka=1.6x105‬‬
‫קבוע שווי המשקל נע בין ‪1012 -102‬‬
‫במים החומצות האלו עוברות יוניזציה מלאה‪.‬‬
‫‪H3O+ + Cl-‬‬
‫‪100%‬‬
‫‪HCl + H2O‬‬
‫ככל שהחומצה היא חזקה יותר‪ ,‬הבסיס המצומד חלש יותר‬
‫סדר חומציות עולה במים‬
‫‪HCl > HSO4- > H3PO4 > HF > H2S > C6H5OH > H2O‬‬
‫סדר בסיסיות עולה במים‬
‫‪OH- > C6H5O- > HS- > F- > H2PO4- > SO42- > Cl-‬‬
Ka ‫חוזק החומצות מדוד ע"י‬
HA(aq) + H2O( l )
H3O+(aq) + A-(aq)
[H3O+][A-]
Ka =
[HA]
‫"חומצות‬
”‫חזקות‬
H 3O +
H2SO3
H3PO4
102 - 1012
55.5
1.2 x 10-2
7.5 x 10-3
HF
RCO2H
H2CO3
HCN
ROH
7.2 x 10-4
10-4 - 10-6
4.2 x 10-7
4.0 x 10-10
10-14 - 10-16
A-(aq) + H2O( l )
HA(aq) + OH-(aq)
[OH-][HA]
Kb =
[A-]
[OH-][HA] [H3O+][A-]
Kb x Ka =
[A-]
[HA]
Kb x Ka = [H3O+][OH-] = Kw
‫חומצות פוליפרוטיות‬
‫חומצות בעלות יותר מפרוטון אחד לא מוסרות אותם‬
.‫באותה מידה‬
Sulfuric Acid
H2SO4 + H2O
HSO4- + H2O
H3O+ + HSO4H3O+ + SO42-
Ka
‫גדול‬
1.2 x 10-2
Phosphoric Acid
H3PO4 + H2O
H2PO4- + H2O
HPO42- + H2O
H3O+ + H2PO4H3O+ + HPO42H3O+ + PO43-
7.5 x 10-3
6.2 x 10-8
3.6 x 10-13
Ka ‫ של הבסיס או‬Kb ‫חוזק הבסיסים מדוד ע"י הקבוע‬
.‫של החומצה המצומדת‬
BH+(aq) + OH-(aq)
B(aq) + H2O( l )
[BH+][OH-]
Kb =
[B]
BH+(aq) + H2O( l )
B(aq) + H3O+(aq)
[H3O+][B]
Ka =
[BH+]
Kb x Ka = [H3O+][OH-] = Kw
‫ערכים של קבועי ש"מ של חומצות ובסיסים‬
‫בסיס‬
NH3
CH3NH2
(CH3)3N
C6H5NH2
CO32CNS2PO43-
Kb
‫חומצה מצומדת‬
Ka
1.8 x 10-5
NH4+
5.6 x 10-10
5.0 x 10-4
CH3NH3+ 2.0 x 10-11
7.4 x 10-5
(CH3)3NH+ 1.4 x 10-10
4.0 x 10-10 C6H5NH3+ 2.5 x 10-5
2.1 x 10-4
HCO34.8 x 10-11
2.5 x 10-5
HCN
4.0 x 10-10
1.0 x 10+5 HS1.0 x 10-19
2.8 x 10-2
HPO423.6 x 10-13
Ka -‫קביעת הכיוון הספונטני ע"י שימוש ב‬
HCN + F4.0 x 10-10
HF + CN-
L
L
R
L
R
7.2 x 10-4
CH3CO2- + HNO2
4.5 x 10-4
HCl + SO42large
R
CH3CO2H + NO21.8 x 10-5
Cl- + HSO4-
1.2 x 10-2
pH ‫מים וסולם‬
2H2O
H3O+ + OH-
Kw = [H3O+][OH-] = 1.0 x 10-14
[H3O+]=[OH-]=1.0 x 10-7 : ‫במים טהורים‬
[H3O+]=
1.28 x
10-12
[OH-]= 7.8 x 10-3M
‫ביוכימאי בשם ‪ Sorensen‬הבחין ש‪[H3O+]-‬‬
‫בתמיסות מימיות משתנה מ‪10-14M---100M-‬‬
‫לשם הנוחיות הוא המציא את סקלת ‪pH‬‬
‫)‪(pH-potential of hydrogen‬‬
‫)]‪[H3O+] = 10 -n, pH = n = -log([H3O+‬‬
pH Scale
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14
Milk of
Magnesia
1M HCl
Stomach Acid
Lemons
Soft Drinks
Tomatoes
Rain Water
Household
Ammonia
Urine
Pure Water
Blood
1M NaOH
pH Scale
[H3O+]= 1M
[H3O+]= 10-7M
[H3O+]= 10-14M
[OH-]= 10-14M
[OH-]= 10-7M
[OH-]= 1M
pOH ‫ניתן להגדיר‬
pOH = -log([OH-])
pH + pOH = 14 [H3O+][OH-] = 10-14
‫חישוב ‪ pH‬של תמיסות חומציות חלשות ובסיסיות חלשות‬
‫לחשב את ה‪ pH-‬של תמיסת חומצה אצטית )‪(HOAc‬‬
‫בריכוז ‪ .1.00 M‬נתון‪Ka = 1.8 x 10-5 :‬‬
‫‪H3O+ + OAc‬‬‫‪0M‬‬
‫‪0M‬‬
‫‪x‬‬
‫‪x‬‬
‫‪HOAc + H2O‬‬
‫‪ 1.00 M‬התחלה‬
‫‪ 1.00 - x‬ב‪-‬ש"מ‬
‫)‪(@ 1.00‬‬
‫‪2‬‬
‫]‪[H3O+][OAc-‬‬
‫‪x‬‬
‫= ‪Ka‬‬
‫= ‪1.8 x 10 -5‬‬
‫]‪[HOAc‬‬
‫‪1‬‬
‫‪x = [H3O+] = (1.8 x 10 -5)1/2 = 4.2 x 10 -3 M‬‬
‫‪pH = -log(4.2 x 10 -3) = 2.4‬‬
‫ניתן להבחין מהמשוואה המאוזנת שע"י הוספת מים‬
‫(מיהול) לתמיסה‪ ,‬ש"המ יסטה לכיוון ימין‪.‬‬
‫‪H3O+ + OAc-‬‬
‫‪ %‬פירוק‬
‫‪0.42‬‬
‫‪1.3‬‬
‫‪4.2‬‬
‫‪13.‬‬
‫‪34.‬‬
‫‪HOAc + H2O‬‬
‫‪[H3O+]equil.‬‬
‫‪4.2 x 10-3‬‬
‫‪1.3 x 10-3‬‬
‫‪4.2 x 10-4‬‬
‫‪1.3 x 10-4‬‬
‫‪3.4 x 10-5‬‬
‫]‪[HOAc‬‬
‫‪1.0‬‬
‫‪0.10‬‬
‫‪0.010‬‬
‫‪0.0010‬‬
‫*‪0.00010‬‬
‫* לא ניתן להשתמש בקירוב כאן‬
HOAc + H2O
‫ התחלה‬0.00010 M
‫ ב ש"מ‬0.00010 - x
H3O+ + OAc-
0M
x
0M
x
2
[H3O+][OAc-]
x
Ka =
1.8 x 10 -5 =
0.00010 - x
[HOAc]
x2 = 1.8 x 10 -9 - 1.8 x 10 -5x
x2 + 1.8 x 10 -5x - 1.8 x 10 -9 = 0
x = -1.8 x 10-5+- (1.8 x 10 -5)2-(4x1x-1.8 x 10 -9)
2
x = (-1.8 x 10 -5 +- 8.67 x 10 -5) / 2 = 3.4 x 10 -5 M
% dissoc. = 100 x 3.4 x 10 -5 / 1.0 x 10 -4 = 34
0.15M CH3NH2 M
‫ של תמיסה‬pH-‫לחשב את ה‬
Kb is 5.0 x 10-4
CH3NH2 + H2O
‫ התחלה‬0.15 M
‫בש"מ‬
0.15 - x
(@ 0.15)
CH3NH3+ + OH-
0M
x
0M
x
+][OH-]
2
[CH
NH
x
3
3
Kb = 5.0 x 10 -4 =
=
[CH3NH2]
0.15
x = (7.5 x 10 -5)1/2 = 8.7 x 10 -3 M = [OH-]
pOH = -log(8.7 x 10 -3) = 2.1
pH = 14.0 - 2.1 = 11.9
‫הידרוליזה‬
‫הידרוליזה היא תגובה של יון עם מים כדי ליצור‬
‫‪ H3O+‬או ‪OH-‬‬
‫‪NH3 + H3O+‬‬
‫‪HCO3- + OH-‬‬
‫‪NH4+ + H2O‬‬
‫‪CO32- + H2O‬‬
‫זה מתרחש כאשר הקטיון הוא החומצה המצומדת של‬
‫בסיס חלש או כאשר האניון הוא הבסיס המצומד של‬
‫חומצה חלשה‪.‬‬
‫מלח שנובע מהתרכבות בין חומצה חזקה‪HI-‬‬
‫ובסיס חלש‪ (Kb<1) NH3‬יהיה חומצי (‪ ,)pH<7‬ייווצרו‬
‫יותר ‪ H3O+‬מאשר ‪.OH-‬‬
‫)‪(Ka>1‬‬
‫המלח הוא ‪NH4I‬‬
‫הבסיס המצומד של החומצה החזקה לא יגיב עם ‪ ,H2O‬לעומת זאת החומצה‬
‫המצומדת של הבסיס החלש תגיב עם ‪ H2O‬כדי לייצר ‪H3O+‬‬
‫מלח שנובע מהתרכבות בין חומצה חלשה‬
‫)‪ HOAc - (Ka<1‬ובסיס חזק ‪ (Kb>1) NaOH-‬יהיה‬
‫בסיסי (‪ ,)pH<7‬ייווצרו יותר ‪ OH-‬מאשר ‪H3O+‬‬
‫המלח הוא ‪NaOAC‬‬
‫החומצה המצומדת של הבסיס החזק לא תגיב עם ‪ ,H2O‬לעומת זאת הבסיס‬
‫המצומד של החומצה החלשה יגיב עם ‪ H2O‬כדי לייצר ‪OH-‬‬
‫האם התמיסות המימיות של המלחים הבאים יהיו‬
‫חומציות‪ ,‬בסיסיות או ‪?neutrals‬‬
‫‪NH3 + H3O+‬‬
‫‪HS- + OH-‬‬
‫‪ NH4+ + H2O‬חומצית‬
‫‪NH4I‬‬
‫‪ S2- + H2O‬בסיסית‬
‫‪Neutral‬‬
‫‪K2S‬‬
‫‪LiNO3‬‬
‫‪Ba(ClO4)2 Neutral‬‬
‫‪HF + OH-‬‬
‫‪- + H O‬‬
‫‪F‬‬
‫בסיסית‬
‫‪2‬‬
‫‪NaF‬‬
0.050M NH4Cl ‫ של תמיסת‬pH-‫לחשב את ה‬
KbNH3 = 1.8 x 10-5
NH4+ + H2O
H3O+ + NH3
‫ התחלה‬0.050 M
0M 0M
‫בש"מ‬
0.050 - x
x
x
[H3O+][NH3]
x2
Ka = Kw / Kb =
=
+
0.050
[NH4 ]
x2
5.56 x 10 -10 =
x = (2.78 x 10-11)1/2
0.050
x = [H3O+] = 5.27 x 10-5 M
pH = -log(5.27 x 10 -5) = 4.3