9.3 Svake syrer og baser

Syrer som nøler

En sterk syre gir fra seg protonet sitt uten å nøle -- i saltsyre har hvert eneste HCl-molekyl protolysert. En svak syre er mer tilbakeholden: bare en liten del av molekylene gir slipp, og resten blir værende som de er. Det innstiller seg en likevekt, og derfor skriver vi protolysen med likevektspil:
$$\text{HA} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{A}^- + \text{H}_3\text{O}^+$$
der $\text{HA}$ er den svake syren og $\text{A}^-$ den konjugerte basen. Likevekten ligger langt til venstre: i en eddiksyreløsning er det langt mer $\text{CH}_3\text{COOH}$ enn $\text{CH}_3\text{COO}^-$.

Svake syrer møter vi overalt. Eddiksyre gir eddiken den sure smaken, metansyre (maursyre) finnes i maurstikk, og karbonsyre dannes hver gang $\text{CO}_2$ løses i vann. Fluorhydrogensyre $\text{HF}$ og ammoniumionet $\text{NH}_4^+$ er også svake syrer. For HF blir protolysen $\text{HF} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{F}^- + \text{H}_3\text{O}^+$. Tabeller oppgir ofte styrken som en syrekonstant $K_a$ -- jo større $K_a$, desto sterkere syre.

Sterk er ikke det samme som konsentrert

To begrepspar blandes lett. Sterk og svak forteller hvor stor andel av syremolekylene som protolyserer -- det er en egenskap ved stoffet. Konsentrert og fortynnet forteller hvor mye syre som er løst per liter -- det er et valg vi gjør når vi lager løsningen. Iseddik er derfor svak og konsentrert, mens 0,001 mol/L saltsyre er sterk og fortynnet.

Sammenlikner vi syrer med samme konsentrasjon, kommer forskjellen tydelig fram. 0,10 mol/L HCl har pH 1,0, mens 0,10 mol/L eddiksyre har pH 2,9. Den sterke syren leder også strøm mye bedre, fordi løsningen inneholder flere ioner, og den reagerer raskere med magnesium.

Hvor mye av eddiksyren har egentlig protolysert? Det kan vi finne fra den målte pH-verdien: $[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-2{,}9} = 1{,}3 \cdot 10^{-3}$ mol/L. Deler vi på syrekonsentrasjonen, får vi $\displaystyle \frac{1{,}3 \cdot 10^{-3}}{0{,}10} = 0{,}013$ -- bare 1,3 % av molekylene har gitt fra seg protonet sitt.

Svake baser og salter som ikke er nøytrale

Svake baser speiler svake syrer. Ammoniakk tar opp protoner fra vann bare delvis: $\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^-$. En løsning av 0,10 mol/L ammoniakk har pH 11,1, så $\text{pOH} = 14{,}0 - 11{,}1 = 2{,}9$ og $[\text{OH}^-] = 10^{-2{,}9} = 1{,}3 \cdot 10^{-3}$ mol/L -- omtrent 80 ganger mindre enn i 0,10 mol/L NaOH.

Når vi vet hvilke ioner som er svake syrer og baser, kan vi forutsi om en saltløsning blir sur eller basisk. Acetationet er en svak base, så natriumacetat gir en basisk løsning: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^-$. Ammoniumionet er en svak syre, så ammoniumklorid gir en sur løsning. Natriumklorid er nøytralt, fordi verken $\text{Na}^+$ eller $\text{Cl}^-$ reagerer med vann.

Den svake syren vi møter oftest, faller rett ned fra himmelen. $\text{CO}_2$ fra lufta løses i regndråpene og danner karbonsyre, og derfor har helt rent regnvann pH omtrent 5,6. Regn som er surere enn det, har fått sterke syrer fra forurensning.

Soda, natron og syrene som tærer på tennene

Soda, Na₂CO₃, er basisk fordi karbonationet er en svak base, og natron, NaHCO₃, er svakt basisk og bruser når det møter syre: $\text{HCO}_3^- + \text{H}_3\text{O}^+ \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$.

Den samme kjemien foregår i munnen. Tannemaljen er hydroksylapatitt, Ca₅(PO₄)₃OH, og hydroksidionet og fosfationene i den er baser. Når bakteriene i tannbelegget bryter ned sukker til syre, synker pH fra omtrent 7 til omtrent 5. Det er hundre ganger mer H₃O⁺, og under omtrent pH 5,5 begynner emaljen å løses. Spyttet inneholder hydrogenkarbonat som nøytraliserer syren, men det trenger tid. Fluorid, F⁻, fra tannkremen bytter ut OH⁻ og gir fluorapatitt, og fordi F⁻ er en mye svakere base enn OH⁻, tåler den syre bedre.

Oppsummering

Svake syrer og baser protolyserer bare delvis, og protolysen skrives med likevektspil: $\text{HA} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{A}^- + \text{H}_3\text{O}^+$ og $\text{B} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{BH}^+ + \text{OH}^-$. Sterk/svak beskriver andelen som protolyserer, konsentrert/fortynnet mengden syre per liter.

Ved lik konsentrasjon har en sterk syre lavere pH, bedre ledningsevne og reagerer raskere enn en svak. Fra målt pH finner vi $[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}}$ og kan se hvor liten andel av en svak syre som har protolysert. Salter med et ion som er en svak base (acetat) gir basiske løsninger, salter med et ion som er en svak syre (ammonium) gir sure.