Neutraloituminen

• Kun hapanta ja emäksistä liuosta sekoitetaan, tapahtuu neutraloituminen, jos seokseen tulee happoa ja emästä ekvivalentti määrä. Ekvivalentilla määrällä tarkoitetaan ainemäärää, joka on tasapainotetun reaktioyhtälön mukainen. Reaktion seurauksena liuoksen pH muuttuu.
  
  Esimerkki
  Titrattaessa vetykloridihappoliuosta natriumhydroksidiliuoksella tapahtuu reaktio:
  

  HCl(aq) + NaOH(aq)

  NaCl(aq) + H2O

  Tarkastellaanpa tilannetta Brønstedin teorian valossa:

  a)	HCl:n vesiliuoksessa on H3O+- ja Cl–-ioneja.
  b)	NaOH-liuoksessa on Na+- ja OH–-ioneja.
  c)	Kun liuokset yhdistetään, H3O+- ja OH–-ionit reagoivat keskenään muodostaen vettä. Liuoksen pH on 7 ekvivalenttikohdassa. H3O+ + OH– 2 H2O
  d)	Na+- ja Cl–-ionit ovat "sivustakatsojia". Ne jäävät vesiliuokseen ja muodostavat NaCl-kiteitä vasta, kun vesi haihdutetaan pois.

  
  
• Varsinainen neutraloitumisreaktio on siten veden autoprotolyysireaktion käänteisreaktio. Se tapahtuu, koska tasapaino on erittäin vahvasti ehjien vesimolekyylien puolella. Muistathan, että veden ionitulo K_won 1,01 · 10^–14 mol^–2l^–2. Neutraalissa liuoksessa voi siis olla vain 10 ^–7 mol H₃O⁺-ionia litrassa liuosta ja saman verran hydroksidi-ioneja.

  2 H2O

  H3O+ + OH–

  Veden autoprotolyysi

Tehtävät

1. a) Kirjoita reaktioyhtälö, joka kuvaa laimean rikkihappoliuoksen täydellistä neutraloimista kaliumhydroksidin vesiliuoksella KOH (aq). Kaliumsulfaatti liukenee jossakin määrin veteen.
   b) Kuinka suuri tilavuus 0,2 M KOH-liuosta tarvitaan neutraloimaan täysin 20 ml 0,15 M H₂SO₄-liuosta?
   
   
2. a) Kirjoita reaktioyhtälö, joka kuvaa etikkahapon vesiliuoksen neutraloimista sammutetulla kalkilla eli kalsiumhydroksidilla. Kalsiumhydroksidi on kiinteä aine. Kalsiumasetaatti liukenee kohtalaisen hyvin veteen. b) Laske, paljonko kalsiumhydroksidia tarvitaan neutraloimaan 500 ml 0,5 M etikkahappoliuosta.
   
   
3. Kalkkikivilaji voidaan helposti tunnistaa tiputtamalla muutama pisara laimeahkoa HCl-liuosta kiven pinnalle. Kalkkikivilaji tarkoittaa, että kiviaineksessa on mukana Kalsiumkarbonaattia. Kirjoita reaktioyhtälö, ja kerro mihin tunnistaminen perustuu.
   
   
4. a) Neutraloituminen on oksonium- ja hydroksidi-ionin välinen reaktio. Mikä merkitys "sivustakatsojaioneilla" on? Tarkastele esimerkkeinä Ca(OH)₂:n ja HCOOH:n (muurahaishapon) sekä NaOH:n ja H₃PO₄:n välistä reaktiota.
   
   b) HCl on vahva happo ja NaOH ionisoituu vesiliuoksessa täydellisesti, joten on helppoa ymmärtää, että myös neutraloituminen tapahtuu täydellisesti. Miten selität, että heikko happo (esim. HCOOH) voi myös neutraloitua täydellisesti?
   
   
5. Litiumhydroksidi reagoi vesiliuoksessa vetyjodidin kanssa. Tuotteena syntyy litiumjodidia ja vettä. Kirjoita reaktioyhtälö. Onko reaktio neutraloitumisreaktio? Jos on, niin mikä yhdiste toimii happona, mikä emäksenä? Mihin reaktion tasapaino asettuu?
   
   
6. Mikä ero on käsitteillä protolyysireaktio ja neutraloitumisreaktio? Selitä ero käyttäen esimerkkinä seuraavia vesiliuoksissa tapahtuvia reaktioita:
   

   1	HCl + H2O		H3O+ + Cl–
   2	HCl + NaOH		NaCl + H2O

Vastaukset

1. a) Reaktioyhtälöön ei ole välttämätöntä merkitä aineiden olomuotoja. Tässä niin on kuitenkin tehty esimerkin vuoksi.

   H2SO4(aq) + 2 KOH(aq)

   K2SO4(s, aq) + 2 H2O (l)

   b) Reaktioyhtälön perusteella saadaan seuraavat arvot:

   n(KOH) = 2 n(H2SO4)	n(H2SO4) = 20 ml · 0,15 M = 3,0 mmol
   c(KOH) = 0,2 M (mol/l)	n(KOH) = 6,0 mmol
   V(KOH) = n(KOH) : c(KOH) = 0,2 M (mol/l)
   = 6,0 mmol : 0,2 mol/l = 30 ml

   
   
   
2. a) Muistithan, että karboksyylihappojen suolojen kaavoissa metalli-ioni kirjoitetaan anionin jälkeen. Reaktioyhtälö (olomuotojen merkitseminen ei ole välttämätöntä):

   2 CH3COOH (aq) + Ca(OH)2(s)

   (CH3COO)2Ca (aq) + 2 H2O (l)

   b) Reaktioyhtälöstä seuraa:

   n(Ca(OH)2) = 0,5 n(CH3COOH)	n(CH3COOH) = 500 ml · 0,5 M = 250 mmol
   c(KOH) = 0,2 M (mol/l)	n(Ca(OH)2) = 125 mmol
   M(Ca(OH)2) = 74,09 g/mol
   m(Ca(OH)2) = 125 mmol · 74,09 g/mol = 9,3 g

   
   
   
3. Reaktioyhtälö

   CaCO3+ 2 HCl (aq)

   CaCl2 + CO2(g) + H2O (l)

   Reaktiossa vapautuu CO₂-kaasua, joka kuplii (miltei vaahtoaa). Kalkki eli CaCO₃ on emäksinen aine.
   
   
4. a) "Sivustakatsoja-ionit" vaikuttavat stoikiometriaan: ne ovat mukana yhdisteissä, joista protonit ja hydroksidi-ionit irtoavat. "Sivustakatsoja-ionien" varausten täytyy kumoutua, koska liuos on ulospäin sähkötön. Muurahaishapossa on vain yksi irtoava protoni H⁺, joten neutraloitumiseen tarvitaan vain yksi hydroksidi-ioni OH^– jokaista HCOOH-molekyyliä kohti, mutta yhdestä yksiköstä Ca(OH)₂:a vapautuu kaksi OH^–-ionia. Siis HCOOH:a kuluu kaksi molekyyliä yhtä Ca(OH)₂-yksikköä kohti. Fosforihapossa puolestaan on kolme irtoavaa protonia, joten tarvitaan aina kolme OH^–-ioneja kolme NaOH-yksikköä yhtä molekyyliä kohti.

   	2 HCOOH + Ca(OH)2		(HCOO)2Ca + 2 H2O
   	H3PO4+ 3 NaOH		Na3PO4 + 3 H2O

   
   b) Suurin osa muurahaishaposta (ja muistakin heikoista hapoista) on vesiliuoksessaan ehjinä molekyyleinä. Emäksen lisäys kuluttaa liuoksesta H₃O⁺-ioneja, joita Le Châtelier'n periaatteen mukaisesti täytyy muodostua lisää. Näin voi jatkua niin kauan kuin HCOOH-molekyylejä riittää.
   
   
5. Reaktioyhtälö on: LiOH(aq) + HI(aq) LiI(aq) + H₂O(l)
   reaktio on neutraloitumisreaktio, jossa OH^–-ioni (emäs) reagoi HI:sta (happo) irtoavan protonin kanssa muodostaen vettä. Reaktion tasapaino on lähes täydellisesti tuotteiden puolella, joten reaktioyhtälöön voitaisiin kirjoittaa vain yksi nuoli.
   
   
6. Protolyysireaktio on reaktio, jossa protoni siirtyy hapolta emäkselle. Molemmat reaktiot ovat protolyysireaktioita, mutta vain reaktio 2 on neutraloitumisreaktio. Reaktiossa 1 HCl luovuttaa protonin vedelle, jolloin muodostuu H₃O⁺- ja Cl^–-ioneja. Koska liuokseen muodostuu H₃O⁺-ioneja, liuos on hapan. Reaktiossa 2 tapahtuu myös protolyysi: HCl toimii jälleen happona ja luovuttaa protonin emäkselle, joka on OH^–-ioni. Tuotteena syntyy vettä ja liuokseen muodostuu yhtä paljon H₃O⁺- ja OH^–-ioneja veden autoprotolyysin seurauksena, joten liuos on neutraali.