Hapot ja emäkset Happo-emästeoriat Protolyysivakiot
Neutraloituminen Hydrolyysi Puskuriliuokset

Hapot ja emäkset

Happo-emäs-teoriat

Happojen ja emästen määritelmiä on useita. Ne eivät ole ristiriitaisia vaan toisiaan täydentäviä. Keskeisin näistä on Brønstedin teoria, mutta kemian oppikirjoissa käytetään vielä Arrheniuksen teoriaa (tosin usein nimeltä mainitsematta) johdantona. Hapon ja emäksen käsitteiden laajennuksista mainitaan esimerkkinä Lewisin teoria.

  1. Arrheniuksen teoria
    Happo on aine, joka tuottaa vesiliuokseen vetyioneja. Emäs puolestaan on aine, joka tuottaa vesiliuokseen OH–-ioneja.. Teoria ei anna pohjaa happojen ja emästen suhteellisen voimakkuuden määrittelylle.

    Esimerkki
    Arrhenius-happoja HCl H2SO4 HNO3 CH3COOH
    Arrhenius-emäksiä NaOH Ca(OH)2 NH3 CH3NH2

  2. Brønstedin teoria
    Happo luovuttaa protonin. Emäs vastaanottaa protonin. Reaktio on nimeltään protolyysi. Se on tasapainoon päätyvä reaktio, jossa tasapainoaseman sijainti kuvaa hapon ja emäksen vahvuutta.

    Happo ja emäs määritellään niiden keskinäisen reaktion pohjalta, joten ne esiintyvät aina happo-emäspareina. Protolyysin tuloksena alkuperäisestä haposta jää jäljelle emäs (konjugaattiemäs) ja alkuperäisestä emäksestä syntyy uusi happo (konjugaattihappo). Niinpä onkin mahdollista, että jokin aine toimii sekä emäksenä että happona eli on amfolyytti (amfiproottinen aine).

    Esimerkki
    Brønsted-happoja HCl H2SO4 HNO3 CH3COOH H3O+ H2O
    Brønsted-emäksiä NH3 CH3NH2 CH3COO– OH– H2O
    NaOH ja Ca(OH)2 eivät ole Brønsted-emäksiä, mutta niiden sisältämä OH–-ioni on.

    Esimerkki
    HCl:n protolyysireaktio vedessä ja ammoniakin protolyysireaktio vedessä

    happo 1 emäs 2 happo 2 emäs 1
    HCl + H2O kaksoisnuoli H3O+ + Cl– Happo 1 ja emäs 1 ovat konjugaattihappo ja -emäs.
    Emäs 2 ja happo 2 ovat konjugaattiemäs ja -happo.
    emäs 1 happo 2 happo 1 emäs 2
    NH3 + H2O kaksoisnuoli NH4+ + OH– Emäs 1 ja happo 1 ovat konjugaattiemäs ja -happo.
    Happo 2 ja emäs 2 ovat konjugaattihappo ja -emäs.
    Protolyysireaktiossa toisena reagoivana aineena on usein vesi, ei kuitenkaan välttämättä aina. Vesi voi toimia sekä happona että emäksenä. Vesi on amfolyytti.

    H3O+ on oksoniumioni (engl. hydronium ion). OH– on hydroksidi-ioni (engl. hydroxide ion).

    Brønstedin teoria antaa mahdollisuuden happojen ja emästen voimakkuuksien vertailuun. Vahva happo (tai emäs) protolysoituu täydellisesti eli protolyysireaktion tasapaino on tuotteiden puolella (oikealla), heikko happo (tai emäs) vain osittain. Vahvan hapon konjugaattiemäs on siten aina erittäin heikko ja heikon kohtalaisen vahva. Hapon vahvuutta kuvataan protolyysireaktion tasapainovakiosta johdetulla happovakiolla, emäksen vastaavasti emäsvakiolla.

    Moniarvoinen (polyproottinen) eli useita vetyjä sisältävä happo protolysoituu asteittain.
    H2SO4 + H2O kaksoisnuoli H3O+ + HSO4– vetysulfaatti-ioni
    HSO4– + H2O kaksoisnuoli H3O+ + SO42– sulfaatti-ioni
    Vetysulfaatti-ioni HSO4–on amfolyytti.

  3. Lewisin teoria
    Emäs on aine, jolla on vapaa elektronipari. Happo on aine, joka voi sitoutua vapaaseen elektronipariin. Lewisin teorian mukaan esimerkiksi vesi on emäs, mutta oksoniumioni ei ole happo vaan erään Lewis-hapon kantaja. Varsinainen L-happo on protoni. Lewisin teorian mukaan hapon ei tarvitse sisältää vetyä. Esimerkiksi seuraava reaktio tapahtuu L-hapon ja L-emäksen välillä
    CO2 + OH– kaksoisnuoli HCO3– vetykarbonaatti-ioni
    L-happo L-emäs

Svante Arrhenius (1859 - 1927 ) oli ruotsalainen kemisti, Johannes Brønsted (1879 - 1947) tanskalainen, Gilbert Lewis (1875 -1946) amerikkalainen.

Kysymykset

  1. Kirjoita seuraavien yhdisteiden vesiliuoksessa tapahtuvat protolyysireaktiot. Mikä yhdiste /ioni kulloinkin toimii happona, mikä emäksenä?
    a) HNO3 (typpihappo) c) CH3NH2 (metyyliamiini)
    b) H3PO4 (fosforihappo) d) CO32–
  2. Tarkastele happo-emäs-teorioiden kannalta seuraavaa kaasufaasissa tapahtuvaa reaktiota, jonka varmaan tunnet salmiakin valmistuksesta.

    NH3(g) + HCl(g) nuoli NH4Cl(s)

    Muistanet, että vierekkäin jätettyjen avonaisten suolahappopullon ja ammoniakkipullon välille alkaa pian kehittyä valkoista savua eli pienen pieniä salmiakkikiteitä. Jos haluat kokeilla reaktiota, kannattaa ottaa pienet määrät reagessia kahteen kapeaan lasiputkeen pakattuun pumpulituppoon. Kun viet putket lähekkäin, reaktio alkaa. Tumma tausta auttaa havaitsemaan savun paremmin.

Vastaukset

  1. Protolyysireaktiot vedessä
    a) happo1 emäs 2 happo 2 emäs1
    HNO3 + H2O kaksoisnuoli H3O+ + NO3–
    b) happo emäs happo emäs
    H3PO4 + H2O kaksoisnuoli H3O+ + H2PO4– Divetyfosfaatti-ioni H2PO4–
    ja vetyfosfaatti-ioni
    HPO42– ovat amfolyyttejä.
    H2PO4– + H2O kaksoisnuoli H3O+ + HPO42–
    HPO42– + H2O kaksoisnuoli H3O+ + PO43–
    c) emäs happo emäs happo
    CH3NH2 + H2O kaksoisnuoli OH– + CH3NH4+
    d) emäs happo emäs happo
    CO32– + H2O kaksoisnuoli H2O + HCO3–
  2. Reaktioon ei voida soveltaa Arrheniuksen teoriaa, koska reaktio tapahtuu kaasufaasissa eikä vesiliuoksessa.

    Brønstedin teorian mukaan tulkiten vetykloridi HCl luovuttaa protonin ammoniakille NH3. HCl on siten happo ja NH3 emäs. Ammoniumioni (ammoniakin konjugaattihappo) ja kloridi-ioni (vetykloridin konjugaattiemäs) muodostavat ioniyhdisteen ammoniumkloridin (salmiakin). Koska syntyvä yhdiste on kiinteä, se siirtyy pois kaasufaasista. Tämän seurauksena reaktion taspaino on oikealla.

    Lewisin teorian mukaan ammoniakki on emäs, koska sillä on vapaa elektronipari typpiatomissa. Vetykloridista irtova protoni on happo, joka sitoutuu typen elektronipariin.

Sivun alkuun