4.5 Flerprotiske syrer | Kjemi 2

Diprotiske og triprotiske syrer, Ka1, Ka2, Ka3, pH-beregninger.

65 min

16 oppgaver

Diprotiske syrerTriprotiske syrerKa1, Ka2, Ka3pH-beregninger for flerprotiske syrerH2SO4, H3PO4, H2CO3

Du leser den tradisjonelle versjonen

Din fremgang i kapitlet

0 / 16 oppgaver

Kapitlets plass i kurset

Bygger på

4.4Bufferløsninger

Brukes videre i

5.1Løselighet og løselighetsmåling

Fleirprotiske syrer

Fleirprotiske syrer (polyprotiske syrer) er syrer som kan gi frå seg meir enn eitt proton (H⁺).

Klassifisering

Monoprotic acid (einprotisk syre):
- Gir frå seg 1 proton
- Eksempel: HCl, CH₃COOH, HNO₃

Diprotic acid (diprotisk syre):
- Gir frå seg 2 proton
- Eksempel: H₂SO₄, H₂CO₃, H₂C₂O₄ (oksalsyre)

Triprotic acid (triprotisk syre):
- Gir frå seg 3 proton
- Eksempel: H₃PO₄ (fosforsyre), H₃C₆H₅O₇ (sitronsyre)

Generell form

For ei diprotisk syre HA₂:

Første dissosiasjon:
$\text{H}_2\text{A} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HA}^-$
$K_{a1} = \frac{[\text{H}^+][\text{HA}^-]}{[\text{H}_2\text{A}]}$

Andre dissosiasjon:
$\text{HA}^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{A}^{2-}$
$K_{a2} = \frac{[\text{H}^+][\text{A}^{2-}]}{[\text{HA}^-]}$

Viktig observasjon:

$\boxed{K_{a1} >> K_{a2}}$

Det er lettare å fjerne første proton enn andre proton.

Kvifor Ka1 > Ka2?

Første proton:
- Blir fjerna frå nøytralt molekyl H₂A
- Relativt lett

Andre proton:
- Blir fjerna frå negativt ion HA⁻
- Vanskelegare (elektrostatisk fråstøyting)
- Ka2 er mykje mindre enn Ka1

Typisk forhold:

$K_{a2} \approx \frac{K_{a1}}{10^4 - 10^5}$

✏️Eksempel 1: Svovelsyre (H₂SO₄)

Svovelsyre er ei diprotisk syre.

Skriv reaksjonslikningar for begge dissosiasjonane og oppgi Ka-verdiar.

Første dissosiasjon:

$\text{H}_2\text{SO}_4 \to \text{H}^+ + \text{HSO}_4^-$

Ka₁ ≈ 10³ (veldig stor - svovelsyre er sterk i første dissosiasjon)

Dissosierer fullstendig i vassløysing.

Andre dissosiasjon:

$\text{HSO}_4^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-}$

Ka₂ = 1,2 × 10⁻²

HSO₄⁻ er ei svak syre.

Forhold:

Ka₁ / Ka₂ ≈ 10⁵ (første dissosiasjon mykje sterkare!)

pH i H₂SO₄-løysingar:

For konsentrert H₂SO₄ kan vi ofte tilnærme:

[H⁺] ≈ 2 × c (dersom begge proton blir frigjorde)

For fortynna løysing må vi ta omsyn til at HSO₄⁻ berre delvis dissosierer.

Karbonsyre (H₂CO₃)

Karbonsyre er ei svak diprotisk syre som er viktig i mange naturlege system.

Dissosiasjonstrinn

Første dissosiasjon:
$\text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$

Ka₁ = 4,3 × 10⁻⁷ (pKa₁ = 6,37)

Andre dissosiasjon:
$\text{HCO}_3^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$

Ka₂ = 4,8 × 10⁻¹¹ (pKa₂ = 10,32)

Forhold:

Ka₁ / Ka₂ = 8,96 × 10³ ≈ 10⁴

Likevekt med CO₂

I vatn finst likevekta:

$\text{CO}_2(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3(aq)$

Berre ~1% av oppløyst CO₂ finst som H₂CO₃.

Praktisk konsekvens:

Ofte blir "H₂CO₃" brukt til å nemne summen av CO₂(aq) og H₂CO₃(aq).

Artar ved ulik pH

pH < 6: H₂CO₃ dominerer
pH ≈ 6-10: HCO₃⁻ (hydrogenkarbonat) dominerer
pH > 10: CO₃²⁻ (karbonat) dominerer

Kva det har å seie

Naturlege system:
- Buffersystemet i blodet (pH 7,4)
- Havvatnet (pH ~8,1)
- Kalkstein (CaCO₃)

Industrielt:
- Brus og karboniserte drikker
- CO₂-opptak i havet (forsuring)

✏️Eksempel 2: pH i karbonsyreløysing

Rekn ut pH i ei 0,10 M løysing av H₂CO₃.

Ka₁ = 4,3 × 10⁻⁷, Ka₂ = 4,8 × 10⁻¹¹

Tilnærming:

Sidan Ka₁ >> Ka₂, kan vi sjå bort frå andre dissosiasjon ved pH-utrekning.

Første dissosiasjon:

H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

ICE-tabell:

[H₂CO₃]	[H⁺]	[HCO₃⁻]
Start	0,10	0	0
Endring	-x	+x	+x
Likevekt	0,10-x	x	x

Likevektslikning:

K_{a1} = \frac{x^2}{0{,}10 - x}

Sjekk tilnærming:
c/Ka₁ = 0,10 / (4,3 × 10⁻⁷) = 2,3 × 10⁵ >> 100 ✓

Vi kan tilnærme: 0,10 - x ≈ 0,10

$4{,}3 \times 10^{-7} = \frac{x^2}{0{,}10}$

$x^2 = 4{,}3 \times 10^{-8}$

$x = 2{,}07 \times 10^{-4} \, \text{M}$

pH:

pH = -log(2,07 × 10⁻⁴) = 3,68

Merk: Andre dissosiasjon bidreg neglisjerbart til [H⁺] sidan Ka₂ << Ka₁.

Fosforsyre (H₃PO₄)

Fosforsyre er ei triprotisk syre med tre dissosiasjonstrinn.

Dissosiasjonstrinn

Første dissosiasjon:
$\text{H}_3\text{PO}_4 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{H}_2\text{PO}_4^-$

Ka₁ = 7,5 × 10⁻³ (pKa₁ = 2,15)

Andre dissosiasjon:
$\text{H}_2\text{PO}_4^- \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HPO}_4^{2-}$

Ka₂ = 6,2 × 10⁻⁸ (pKa₂ = 7,21)

Tredje dissosiasjon:
$\text{HPO}_4^{2-} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{PO}_4^{3-}$

Ka₃ = 4,8 × 10⁻¹³ (pKa₃ = 12,32)

Forhold mellom Ka-verdiar:

- Ka₁ / Ka₂ ≈ 1,2 × 10⁵
- Ka₂ / Ka₃ ≈ 1,3 × 10⁵

Kvar påfølgjande dissosiasjon er ~10⁵ gonger svakare!

Artar ved ulik pH

pH < 2: H₃PO₄ dominerer
pH 2-7: H₂PO₄⁻ (dihydrogenfosfat) dominerer
pH 7-12: HPO₄²⁻ (hydrogenfosfat) dominerer
pH > 12: PO₄³⁻ (fosfat) dominerer

Buffersystem

Fosforsyre gir opphav til to viktige buffersystem:

Buffer 1: H₃PO₄ / H₂PO₄⁻ (pH ~2)
- pKa₁ = 2,15

Buffer 2: H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻ (pH ~7)
- pKa₂ = 7,21
- Viktig biologisk buffer!

Buffer 3: HPO₄²⁻ / PO₄³⁻ (pH ~12)
- pKa₃ = 12,32
- Sjeldan brukt (høg pH)

Bruksområde

Biologisk:
- ATP (adenosintrifosfat) - energimolekyl
- DNA/RNA - ryggrad
- Bufring i celler

Industrielt:
- Gjødsel (fosfat)
- Tannkrem (fluorfosfat)
- Matvarer (E338)

✏️Eksempel 3: Dominerande art ved gitt pH

For fosforsyre (H₃PO₄):
- pKa₁ = 2,15
- pKa₂ = 7,21
- pKa₃ = 12,32

Kva art dominerer ved:
a) pH = 1
b) pH = 5
c) pH = 9
d) pH = 13

Regel:

Samanlikn pH med pKa-verdiar:

a) pH = 1 < pKa₁ (2,15)

pH er lågare enn første pKa → H₃PO₄ dominerer

Svar: H₃PO₄

b) pH = 5

pKa₁ (2,15) < pH = 5 < pKa₂ (7,21)

pH ligg mellom pKa₁ og pKa₂ → H₂PO₄⁻ dominerer

Svar: H₂PO₄⁻

c) pH = 9

pKa₂ (7,21) < pH = 9 < pKa₃ (12,32)

pH ligg mellom pKa₂ og pKa₃ → HPO₄²⁻ dominerer

Svar: HPO₄²⁻

d) pH = 13 > pKa₃ (12,32)

pH er høgare enn tredje pKa → PO₄³⁻ dominerer

Svar: PO₄³⁻

Generell regel:

For ei triprotisk syre H₃A:

- pH < pKa₁: H₃A dominerer
- pKa₁ < pH < pKa₂: H₂A⁻ dominerer
- pKa₂ < pH < pKa₃: HA²⁻ dominerer
- pH > pKa₃: A³⁻ dominerer

pH-utrekningar for fleirprotiske syrer

Strategi

Hovudregel:

For pH-utrekning av fleirprotiske syrer, fokuser på første dissosiasjon sidan Ka₁ >> Ka₂ >> Ka₃.

Tilnærmingar

1. Første dissosiasjon dominerer:

Dersom Ka₁ >> Ka₂ (minst 10³ gonger større):

$[\text{H}^+] \approx \sqrt{K_{a1} \cdot c}$

Sjå bort frå andre og tredje dissosiasjon.

2. Svak syre-tilnærming:

Dersom c/Ka₁ > 100:

$[\text{H}^+] \approx \sqrt{K_{a1} \cdot c}$

3. Eksakt løysing:

Dersom tilnærmingane ikkje held, bruk ICE-tabell og løys andregradslikning.

Eksempel: Diprotisk syre

For H₂A med Ka₁ = 1,0 × 10⁻⁴ og Ka₂ = 1,0 × 10⁻⁸:

Konsentrasjon 0,10 M:

Første dissosiasjon:

H₂A ⇌ H⁺ + HA⁻

[H⁺] ≈ √(Ka₁ × c) = √(1,0 × 10⁻⁴ × 0,10) = 3,16 × 10⁻³ M

pH = 2,50

Andre dissosiasjon:

Bidreg berre:

[H⁺]_ekstra ≈ Ka₂ = 1,0 × 10⁻⁸ M (neglisjerbart!)

Spesialtilfelle: Amfolyttar

For artar som kan både gi frå seg og ta opp proton (t.d. HA⁻ i H₂A-systemet):

$\text{pH} \approx \frac{\text{pKa}_1 + \text{pKa}_2}{2}$

Eksempel:

For NaHCO₃ (hydrogenkarbonat):

pKa₁ = 6,37, pKa₂ = 10,32

pH ≈ (6,37 + 10,32) / 2 = 8,35

✏️Eksempel 4: pH i amfolyttløysing

Rekn ut pH i ei 0,10 M løysing av Na₂HPO₄ (natriumhydrogenfosfat).

HPO₄²⁻ er ein amfolytt.

pKa₂ = 7,21 (for H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻)
pKa₃ = 12,32 (for HPO₄²⁻ ⇌ H⁺ + PO₄³⁻)

HPO₄²⁻ er amfotert:

Kan fungere som base (ta opp H⁺):
$\text{HPO}_4^{2-} + \text{H}^+ \to \text{H}_2\text{PO}_4^-$

Kan fungere som syre (gi frå seg H⁺):
$\text{HPO}_4^{2-} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{PO}_4^{3-}$

For amfolyttar:

$\text{pH} = \frac{\text{pKa}_2 + \text{pKa}_3}{2}$

Utrekning:

pH = (7,21 + 12,32) / 2

pH = 19,53 / 2

pH = 9,77

Svar: pH ≈ 9,8

Merk: Denne tilnærminga fungerer godt når konsentrasjonen er moderat (0,01-1 M) og Ka-verdiane er ulike nok.

Oksalsyre (H₂C₂O₄)

\text{H}_2\text{C}_2\text{O}_4 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HC}_2\text{O}_4^-

📝Oppgave 4-69

Kva er ei diprotisk syre? Gi to eksempel.

Kva er ei diprotisk syre?

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-70

Kvifor er Ka₁ alltid større enn Ka₂ for ei diprotisk syre?

Kvifor er Ka₁ alltid større enn Ka₂?

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-71

Skriv likningane for begge dissosiasjonane av H₂CO₃ og oppgi Ka₁ og Ka₂.

Kva er Ka₁ for H₂CO₃?

Kva er Ka₂ for H₂CO₃?

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-72

Kva art (H₂CO₃, HCO₃⁻ eller CO₃²⁻) dominerer ved pH = 8? pKa₁ = 6,37, pKa₂ = 10,32.

Kva art dominerer ved pH = 8?

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-73

Rekn ut pH i ei 0,050 M løysing av H₂CO₃. Ka₁ = 4,3 × 10⁻⁷, Ka₂ = 4,8 × 10⁻¹¹.

Rekn ut pH i 0,050 M H₂CO₃

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-74

For fosforsyre (H₃PO₄): pKa₁ = 2,15, pKa₂ = 7,21, pKa₃ = 12,32. Kva art dominerer ved pH = 10?

Kva art dominerer ved pH = 10?

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-75

Estimer pH i ei løysing av NaHCO₃ (natriumhydrogenkarbonat). pKa₁ = 6,37, pKa₂ = 10,32.

Estimer pH i NaHCO₃-løysing

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-76

Rekn ut pH i 0,10 M H₃PO₄. Ka₁ = 7,5 × 10⁻³, Ka₂ = 6,2 × 10⁻⁸, Ka₃ = 4,8 × 10⁻¹³.

Rekn ut pH i 0,10 M H₃PO₄

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-77

Estimer pH i ei 0,10 M løysing av Na₂HPO₄ (natriumhydrogenfosfat). pKa₂ = 7,21, pKa₃ = 12,32.

Estimer pH i ei 0,10 M løysing av Na₂HPO₄

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-78

Oksalsyre (H₂C₂O₄) har Ka₁ = 5,9 × 10⁻² og Ka₂ = 6,4 × 10⁻⁵. Rekn ut pH i ei 0,10 M løysing.

Rekn ut pH i ei 0,10 M oksalsyre-løysing

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-79

I ei H₂CO₃-løysing er [H₂CO₃] = 0,050 M og [HCO₃⁻] = 0,020 M. Rekn ut [CO₃²⁻]. Ka₁ = 4,3 × 10⁻⁷, Ka₂ = 4,8 × 10⁻¹¹.

Rekn ut [CO₃²⁻] når [H₂CO₃] = 0,050 M og [HCO₃⁻] = 0,020 M

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-80

Rekn ut forholdet [HPO₄²⁻]/[H₂PO₄⁻] i blod ved pH = 7,40. pKa₂ = 7,21.

Rekn ut forholdet [HPO₄²⁻]/[H₂PO₄⁻] i blod ved pH = 7,40

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-81

Forklar kvifor HCO₃⁻ kan fungere som både syre og base. Skriv reaksjonslikningar.

Kvifor kan HCO₃⁻ fungere som både syre og base?

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-82

Ved kva pH er [H₂PO₄⁻] = [HPO₄²⁻] i ei fosfatløysing? pKa₂ = 7,21.

Ved kva pH er [H₂PO₄⁻] = [HPO₄²⁻]?

Løs oppgaven Tren

📝Oppgave 4-83

Teikn ei skisse som viser korleis konsentrasjonane av H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ og PO₄³⁻ varierer med pH. Marker pKa-verdiane.

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.