Teorija o kiselinama i bazama, kiseline i baze

Uvod

Mnoge biljke, odnosno biljni pigmenti, u prirodi djeluju kao indikatori kiselosti ili lužnatosti. Biljni pigmenti koji se najčešće nalaze u staničnim organelima su klorofil A i B (zeleni), ksantofili (žuti), karotenoidi (narančasti), flavonoidi i antocijanini (crveni, plavi i ljubičasti).

Antocijanini koju daju boju nekim plodovima ponašaju se kao indikatori pH-vrijednosti, što znači da promjenom pH-vrijednosti otopine mijenjaju boju. Tako su u kiseloj otopini crveni, a u alkalnoj plavi. U živoj stanici promjena boje antocijanina uglavnom se ne zbiva samo kao posljedica promjene pH-vrijednosti citoplazme, već ovisi i o prisutnosti iona metala u tlu.

Teorije o kiselinama i bazama

Svante Arrhenius definirao je kiseline kao tvari koje u vodenoj otopini povećavaju koncentraciju vodikovih iona, H+. Baze je definirao kao tvari koje u vodenoj otopini povećavaju koncentraciju hidroksidnih iona, OH−.

[latex]HCl\left(g\right)\stackrel{H_2O}{\longrightarrow }H^+\left(aq\right)+Cl^-\left(aq\right)[/latex]

[latex]NaOH\left(s\right)\stackrel{H_2O}{\longrightarrow }Na^+\left(aq\right)+OH^-\left(aq\right)[/latex]

Gilbert Newton Lewis definirao je kiseline kao elektron-akceptore ili čestice koje primaju elektronski par. Baze je definirao kao elektron-donore ili čestice koje daju elektronski par za nastajanje kovalentne veze.

Johannes Nicolaus Brønsted i Thomas Martin Lowry su neovisno jedan o drugome definirali kiseline kao proton-donore, a baze kao proton-akceptore. Prema toj teoriji pretpostavili su postojanje konjugiranoga para. Kiselina otpuštanjem protona postaje konjugirana baza, a baza primanjem protona konjugirana kiselina.

Kiseline

Brojne su podjele kiselina. Jedna on podjela je na anorganske i organske.

Klorovodična ili solna kiselina upotrebljava se u domaćinstvima za uklanjanje kamenca, a možemo ju svrstati u anorganske kiseline. 

Mliječna kiselina je organska kiselina, a dobila je ime po mlijeku iz kojega je izolirana. Sustavno ime joj je 2-hidroksipropanska kiselina.

To je gusta, uljasta i bezbojna tekućina dobro topljiva u vodi.

Upotrebljava se u prehrambenoj, tekstilnoj i kozmetičkoj industriji. Sastojak je krema protiv bora jer uzrokuje ljuštenje kože.

Dobivanje kiselina

Kiseline se mogu dobiti sintezom iz elementarnih tvari, primjerice reakcijom klora i vodika nastaje klorovodik, a uvođenjem klorovodika u vodu nastaje klorovodična kiselina.

[latex]H_2(g)+Cl_2(g)\longrightarrow2HCl(g)[/latex]

[latex]HCl(g)\stackrel{H_2O}{\longrightarrow}HCl(aq)[/latex]

 Kiseline nastaju i reakcijom odgovarajućega nemetalnog oksida s vodom.

Navedeni oksidi anhidridi su odgovarajućih kiselina, primjerice fosforov(V) oksid, P4O10, anhidrid je fosforne kiseline, H3PO4.

Ionizacija kiselina i njihova jakost

Česta podjela kiselina jest prema broju atoma vodika u molekuli i prema načinu na koji u vodenoj otopini ioniziraju. Tako razlikujemo monoprotonske, diprotonske i triprotonske kiseline te jake kiseline koje su u vodi potpuno ionizirane i srednje jake i slabe kiseline koje su u vodi djelomično ionizirane.

Ugljična kiselina slaba je diprotonska kiselina koja u vodi ionizira u dva stupnja.

1. [latex]H_2CO_3(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+HCO^-_3(aq)[/latex]  hidrogenkarbonatni ion

2. [latex]HCO^-_3(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+CO^{2-}_3(aq)[/latex]  karbonatni ion

Fosforna kiselina je srednje jaka triprotonska kiselina koja u vodi ionizira u tri stupnja.

1. [latex]H_3PO_4(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+H_2PO^{-}_4(aq)[/latex] dihidrogenfosfatni ion

2. [latex]H_2PO^-_4(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+HPO^{2-}_4(aq)[/latex] hidrogenfosfatni ion

3. [latex]HPO^{2-}_4(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+PO^{3-}_4(aq)[/latex] fosfatni ion

Konstanta ravnoteže ionizacije slabe kiseline

Ionizacija neke slabe kiseline može se prikazati izrazom:

[latex]HA+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++A^-[/latex]

Vrijednost konstante ionizacije kiseline, kao i svaka konstanta ravnoteže, ovisi o temperaturi. Izraz za konstantu ionizacije slabe kiseline HA je:

[latex]K_a=\frac{\lbrack H_3O^+\rbrack\lbrack A^-\rbrack}{\lbrack HA\rbrack}[/latex]

neke jake kiseline:

  • HClO4, perklorna
  • HI, jodovodična
  • HBr, bromovodična
  • HCl, klorovodična
  • H2SO4, sumporna
  • HNO3, dušična

neke slabe kiseline:

  • CH3COOH, octena
  • H2CO3, ugljična
  • H2S, sumporovodična
  • HClO, hipoklorasta
  • HCN, cijanovodična

Baze

Poput kiselina i lužine imaju primjenu u domaćinstvu. Nalaze se u sastavu sredstava za čišćenje, posebice onih koja se koriste za odmašćivanje. Sapun, izbjeljivač, soda bikarbona neki su od proizvoda koje koristimo u kućanstvu, a imaju lužnata svojstva.

Dobivanje lužina

Pogledajte videozapis Lužina – vodena otopina baza i odgovorite na pitanja.

Lužina – vodena otopina baza

Metalne okside koji u reakciji s vodom daju odgovarajuće hidrokside nazivamo bazičnim oksidima. Lužine su vodene otopine hidroksida koji se dobro otapaju u vodi te u reakciji s vodom jako disociraju povećavajući koncentraciju hidroksidnih iona u vodi.

Ionizacija baza i njihova jakost

Prema broju hidroksidnih iona i načinu na koji u vodenoj otopini ioniziraju razlikujemo monohidroksidne i dihidroksidne baze te jake i slabe baze.

Neke jake i monohidroksidne baze su CsOH, RbOH, KOH i NaOH.

Jake i dihidroksidne baze su Ba(OH)2 i Ca(OH)2. Slabe baze su amonijak i organske baze, primjerice metilamin, CH3NH2.

Konstanta ravnoteže ionizacije slabe baze

U reakciji amonijaka s vodom ravnoteža je pomaknuta prema reaktantima, što znači da mali broj molekula amonijaka reagira s vodom, pri čemu nastaju amonijevi i hidroksidni ioni. 

 

Izraz za konstantu ionizacije ove slabe baze jeste:

[latex]K_b=\frac{\lbrack NH^+_4\rbrack\lbrack OH^-\rbrack}{\lbrack NH_3\rbrack}[/latex]

Završetak

Klorovodik možemo prirediti reakcijom kuhinjske soli i koncentrirane sumporne kiseline, a otapanjem klorovodika u vodi nastaje klorovodična kiselina. Poznato vam je da je glavni sastojak želučane kiseline klorovodična kiselina. U ovom istraživačkom zadatku pokušajte dati odgovore na sljedeća pitanja:
  • Kako želudac proizvodi klorovodičnu kiselinu?
  • Je li ta proizvodnja energijski zahtjevna?
  • Koliko želučane kiseline dnevno želudac proizvede?
  • Na koji način se regulira kiselost u želucu?
  • Gdje se neutralizira želučana kiselina?

Istraživanje odradite u skupinama, a rezultate prikažite grafički, primjerice kao umnu mapu, koristeći se kolaboracijskim online alatom Conceptboard.