כימיה לבגרות/חומצה בסיס

אינדיקאטור – חומר שעוזר לנו לגלות נוכחות של חומר מסוים או תכונה של חומר. האינדיקאטור של חומר מסוים, מגיב עמו וכתוצאה מכך יש שינוי מורגש באינדיקטור. לרוב השינוי באינדיקטור (תוצאת התגובה) הוא שינוי צבעו אך הוא יכול להתבטא גם בשחרור חומר מסויים.

סוגי אינדיקטורים לחומצה ובסיס :

1. נייר לקמוס.
2. נייר pH.
3. ברום תימול כחול
4. פנואל פתלאין.

חומצה (HA)

הגדרת החומצה

קימות שתי הגדרות לחומצה. שתי ההגדרות נכונות; כל אחת מתארת תהליך שונה שעוברת חומצה :

1. הגדרה של ארינוס: חומצה היא חומר מולקולארי בלבד היכולה לפלוט ⁺H, כיוון שהיא בעלת קוטב חיובי חזק (⁺δ) .
2. לפי לאורי ברנסטד (המקובלת): כאשר חומצה נמצאת במים מתקבל יון הידרוניום ($H_{3}O^{+}$).

איך לזהות חומצה?

לחומצות יש מספר תבניות קבועות והם :

1. HX_(g)‎ כאשר X הוא הלוגן.
2. HnXOn כאשר X הוא אל מתכת.

דוגמאות

חומצות חזקות : $H_{2}SO_{4}$,$HNO_{3}$, H₃, $H_{2}SO_{3}$, $HPO_{4}$

חומצות חלשות : $RCOOH$ (חומצה אורגנית)

סוגי חומצות

ישנם 3 סוגי חומצות :

1. חומצה חד פרוטי. למשל : HI.
2. חומצה דו פרוטית, למשל : H₂SO₃.
3. חומצה תלת פרוטית. קיימת רק אחת והיא : H₃PO₄

תגובה במים

הגדרנו את החומצה : כאשר חומצה נמצאת במים מתקבל יון הידרוניום ($H_{3}O^{+}$). לכן, עתה, נראה איך מנסחים תגובה של חומצה עם מים. בכדי להבין את השלבים, נראה את הניסוח עבור מספר חומצות.

הערה : כל חומצה בתמיסה מימית מוליכה חשמל כיוון שיש יונים חופשים בתמיסה.

תבנית ניסוח תגובה

ניסוח תגובה נראה כך: $AH+B\rightarrow A^{-}+BH^{+}$

המימן (H) של מולקולת החומצה "נוטש" אותה לטובת מולקולת המים (B) וכך, נוצר יון הדרוניום וחומצה מיוננת שלילית כיוון ש"עזב" אותה פרוטון (אטום מימן ללא אלקטרון).

דוגמאות

חומצה חד פרוטית

1. שלב א': רשימת החומצה + מים. $HNO_{3(l)}+H_{2}O_{(l)}$
2. שלב ב : המימן (H) של מולקולת $HNO_{3}$ "נוטש" אותה לטובת מולקולת המים וכך, נוצר יון הדרוניום. $HNO_{3(l)}+H_{2}O_{(l)}\rightarrow H_{3}O_{aq}^{+}+A^{-}$

1. שלב ג' : רושמים "מה נשאר מהחומצה" ומעליה הסימן מינוס. $HNO_{3(l)}+H_{2}O_{(l)}\rightarrow H_{3}O_{(aq)}^{+}+NO{_{3}}_{(aq)}^{-}$

שימו לב! : חומצה דו פרוטית

• שלב א' : רשימת החומצה + מים. $H_{2}SO_{4}+H_{2}O_{(l)}$
• שלב ב' : שני מימנים נוטשים את החומצה לטובת שני מולקולות מים! לכן :
  • יש לנו 2 מולקולות של יוני הדרוניום $2H_{3}O^{+}$ ו-2 מולקולות מים ($2H_{2}O$).
  • החומצה מסרה 2 אלקטרונים ולכן היא מסומנת : $SO_{4}^{2}-$.

כלומר : $H_{2}SO_{4}+2H_{2}O_{l}\rightarrow 2H_{3}O_{aq}^{+}+SO_{4aq}^{-2}$

על אותו עקרון של חומצה תלת פרוטית

• שלב א' : רשימת החומצה + מים. $H_{3}PO_{4}+H_{2}o_{(l)}$
• שלב ב' : שלושת המימנים מתחברים אל שלושה מולקולות מים ולכן הניסוח יראה כך :

H₃PO₄ + 3H₂O ---> 3H₃O⁺_(aq) + PO₄^-3

בסיס (B:)

הגדרת הבסיס

בסיס הוא חומר שקולט פרוטון H⁺ או שהוא חומר יוני המורכב מיוני הידרוקסיד OH^- כמו KOH.

איך לזהות בסיס?

לבסיס יש תבניות קבועות :

• חומר יוני בסיסי : M)OH) כאשר M היא מתכת.
• חומר מולקולרי בסיסי : אמינים - RNH₂. "מקרים פרטים :" NH₃ (אמוניה).

תגובה במים

הגדרנו כי הבסיס הוא חומר יוני או מולקולרי אשר יכול לקשור ^-H כיוון שיש לו קוטב שלילי חזק (^-δ) או יון שלילי. עתה, נראה כיצד לנסח את התגובה.התגובה זהה לתגובת חומצה, רק שבמקום לקבל יוני הדרוניום נקבל ^-OH.

דוגמאות

חומר יוני במים מתפרק. לכן, חומר יוני בסיסי במים יתפרק לשני חומרים, אחד מתכת והשני ^-OH. המים ירשמו מעל לחץ. דוגמא : $NaOH_{(s)}\rightarrow Na^{+}+OH^{-}$

דוגמא לניסוח תגובה במים (המים נרשמים ליד החומר) של חומר מולקולרי : $NH_{3}+H_{2}O\rightarrow NH_{4aq}^{+}+OH^{-}$

אמפיפרוטנים - חומרים יונים המתפקדים כבסיס במים

ישנם חומרים המתפקדים כבסיס במים, חשוב לדעת אותם :

1. CO₃^-2
2. ^-H
3. ^2-O

דוגמא לתגובות :

דוגמא I

ינתן ניסוח ויבקשו לרשום תגובת סתירה: $CaO_{(s)}\rightarrow Ca_{(aq)}^{+2}+O^{2-}$ .

התגובה : $O^{-2}+H_{2}O_{(l)}\rightarrow 2OH^{-}$

דוגמא II

• $CaH_{2(s)}\rightarrow Ca^{+2}+2H{-}$
• $H^{-}+H_{2}O\rightarrow H_{2(aq)}+OH^{-}$

תגובת סתירה

תגובת סתירה זו תגובה בין בסיס לחומצה.

ניסוח : $H_{3}O^{+}+OH^{-}\rightarrow 2H_{2}O$
כאשר חומצה ובסיס נמצאים יחד, מתרחשת תגובה במהלכה נפלטות מולקולות מים.

סולם pH

סרגל

סולם pH הוא סרגל המודד את רמת החומציות בתמיסה. הסרגל נע בין הטווחים 1-14. כאשר :

• 1-6 : התמיסה חומצית. ערך 1 מסמל את רמת החומציות הגבוה ביותר.
• 7 : התמיסה נטרלית.
• 8-14 : התמיסה בסיסית.

במהלך תגובת הסתירה, רמת ה-pH משתנה, כיוון שמולקולות חומצה מגיבות עם מולקולות בסיס והופכות למים.
סתירה מלאה - אם כמות החומצה והבסיס שווים, נקבל בסופו של דבר תמיסה נטרלית, כלומר מים (PH=7). במהלך התגובות שנרשום, נתייחס תמיד לסתירה מלאה.

דוגמאות לניסוח

ניסוח התגובה בין בסיס KOH לחומצה $H_{2}SO_{4g}$ יתבצע כך :

• נרשום ניסוח עבור החומצה + מים : $H_{2}SO_{4(g)}+2H_{2}O_{(l)}\rightarrow 2H_{3}O^{+}+SO_{4(aq)}^{-2}$
• ניסוח הבסיס + מים : $KOH_{(s)}\rightarrow K^{+}+OH^{-}$ (מעל החץ יש מים).
• ביצוע תגובת סתירה :
  • איזון המשוואה - על פי ההגדרה, אמרנו שחייב להיות כמות זהה של חומצה ושל בסיס לקבלת סתירה מלאה. כיוון שיש לנו 2 מולקולות של יוני הדרוניום, אנו צריכים שני מולקולות של יוני הידרוכסיד (OH) . לכן, נוסיף יותר מהתמיסה השניה (בסיס ומים). כלומר נשים: $2KOH_{(s)}\rightarrow 2K^{+}+2OH^{-}$
  • $2H_{3}O^{+}+SO_{4(aq)}^{-2}+2K^{+}+2OH^{-}\rightarrow 4H_{2}O+2K^{+}+SO_{4aq}^{2-}$

תגובת סתירה וסטויכיומטריה

בדרך כלל, נושא זה משולב יחד עם נושא סטויכיומטריה. גם פה יכול להופיע נושא העודפים.