vahva vai heikko? %:sta ja pKa-arvot

[Nakke]

Hei!

1. Mistä tietää, onko happo vahva vai heikko?

2. Entä missä kulkee voimakkaan happoliuoksen ja heikon liuoksen raja
samasta haposta? 0,1, 0,5, 1M, 2M, 5M? Onko esimerkiksi 1M HCl vahvaa vai
heikkoa liuosta?

3. Jos ilmoitetaan suolahapon olevan 40%:sta, niin miten lasketaan sen
konsentraatio (siis mol/l). Taulukkokirjoistahan noita löytää esim. MAOL,
mutta kun kiinnostaisi tietää, miten konsentraation saa lasketuksi tai päin
vaistoin eli konsentraation prosenteiksi.

4. Miten suhtaudutaan pKa-arvoihin, kun esim. jollekin alkoholille se on
vaikkapa 16. Niin mitä se käytännössä tarkoittaa? Onko alkoholi silloin
hapan vai emäksinen? Onko pKa-arvo mitenkään yhteydessä pH-arvoon?

5. Voiko hapot ja emäkset olla happamampi kuin mitä pH yksiköt ovat: 0-14.
Voiko jonkin hapon pH olla -2? Jos voi olla, niin mitä se käytännössä
tarkoittaa?

Tässä pari kysymystä, jotka vaivaa mieltä eikä oikein löydy selväsanaista
tietoa helpolla, jota ymmärtäisikin.

terv. Niilo

[Timo Voipio]

Post by Nakke
1. Mistä tietää, onko happo vahva vai heikko?

Jos happo protolysoituu kokonaan sen liuetessa veteen on kyseessä vahva
happo. Jos taas protolyysi ei ole täydellinen, kyseessä on heikko happo.

Post by Nakke
2. Entä missä kulkee voimakkaan happoliuoksen ja heikon liuoksen raja
samasta haposta? 0,1, 0,5, 1M, 2M, 5M? Onko esimerkiksi 1M HCl vahvaa vai
heikkoa liuosta?

Suolahappo on vahva happo; konsentraatiolla ei ole väliä. Vahvalle ja
heikolle *liuokselle* taas ei ole määrättyä rajaa.

Post by Nakke
3. Jos ilmoitetaan suolahapon olevan 40%:sta, niin miten lasketaan sen
konsentraatio (siis mol/l). Taulukkokirjoistahan noita löytää esim. MAOL,
mutta kun kiinnostaisi tietää, miten konsentraation saa lasketuksi tai päin
vaistoin eli konsentraation prosenteiksi.

100% konsentraatio tarkoittaa, että liuos on kylläinen HCl:n suhteen. Pitää
siis tietää tuo 100% konsentraatio tai vaihtoehtoisesti liukoisuustulo,
jotta konsentraation mooleissa litraa kohti saa laskettua.

Tai sitten voi katsoa sieltä taulukosta.

Post by Nakke
4. Miten suhtaudutaan pKa-arvoihin, kun esim. jollekin alkoholille se on
vaikkapa 16. Niin mitä se käytännössä tarkoittaa? Onko alkoholi silloin
hapan vai emäksinen? Onko pKa-arvo mitenkään yhteydessä pH-arvoon?

Ka:n määritelmän mukaanhan HA <-> H+ + A- ollessa tasapainossa Ka =
[H+][A-]/[HA] (jossa siis hakasulkeet merkitsevät konsentraatiota mol/l).
pKa taas on -log_10 Ka.

pKa on kovastikin yhteydessä pH-arvoon; jos pKa ja HA:n alkukonsentraatio
tunnetaan, voidaan laskea, mikä liuoksen pH on reaktion saavuttaessa
tasapainon. Ensin ratkaistaan [H+], jonka jälkeen pH = -log_10 [H+].

Jos pKa on 16, niin aineen vesiliuos on neutraali (koska vesikin
protolysoituu enemmän).

Post by Nakke
5. Voiko hapot ja emäkset olla happamampi kuin mitä pH yksiköt ovat: 0-14.
Voiko jonkin hapon pH olla -2? Jos voi olla, niin mitä se käytännössä
tarkoittaa?

Liuoksen pH voi vallan mainiosti olla negatiivinen. Tuo -2 tuntuu sen sijaan
vähän epärealistiselta, silloinhan [H+] = 100 mol/l.

Käytännössä liuos, jonka pH on alle 0, on vaan perhanan hapanta.

Post by Nakke
Tässä pari kysymystä, jotka vaivaa mieltä eikä oikein löydy selväsanaista
tietoa helpolla, jota ymmärtäisikin.

Suosittelen lukion kemian oppikirjaa, esimerkiksi Kide-sarjaa (vaikka en
sitä itse olekaan juurikaan käyttänyt -- meillä käytettiin Zumdahlin
"Chemistry"-kirjaa, jos kirjaa käytettiin, useimmiten ei).

-Timo

[Tapio Viljava]

Post by Timo Voipio

Post by Nakke
3. Jos ilmoitetaan suolahapon olevan 40%:sta, niin miten lasketaan sen
konsentraatio (siis mol/l). Taulukkokirjoistahan noita löytää esim. MAOL,
mutta kun kiinnostaisi tietää, miten konsentraation saa lasketuksi tai päin
vaistoin eli konsentraation prosenteiksi.

100% konsentraatio tarkoittaa, että liuos on kylläinen HCl:n suhteen. Pitää
siis tietää tuo 100% konsentraatio tai vaihtoehtoisesti liukoisuustulo,
jotta konsentraation mooleissa litraa kohti saa laskettua.

Siis tota noin, eikö 40-% suolahapossa muka ole 40 g HCl ja 60 g vettä
sadassa grammassa liuosta?? Siis on. Tällöin molaarisen konsentraation
laskemiseksi on haettava taulukosta 40-%.sen liuoksen ominaispaino g/l ja
toisesta taulukosta liuenneen aineen moolimassa g/mol. Ilman taulukoita ei
siis ei pärjää mitenkään.

Tapsa

[Ville Voipio]

Post by Tapio Viljava
Siis tota noin, eikö 40-% suolahapossa muka ole 40 g HCl ja 60 g vettä
sadassa grammassa liuosta?? Siis on.

Niinhän se virallisesti on. Ja vielä hyvästä syystä.

Valitettavasti käytäntö etenkin teollisuudessa heittelee.
Kun olen itse työskennellyt mittalaitevalmistajan palveluksessa,
niin aika monennäköistä sovelluskäyrää on vastaan tullut.

Jos vaikka laitetaan suolaa veteen, niin 10 %:n liuos tehdään:
- 100 g suolaa ja 1 kg vettä
- 100 g suolaa ja vettä päälle, jotta tulee 1 l
- 100 g suolaa ja vettä päälle, jotta tulee 1 kg

Näistähän tuo viimeinen on se oikea tapa, muttei välttämättä
käytetyin. Käytännössä helpoin voi olla w/v (siis litrassa
liuosta on sata grammaa suolaa), vaikkei sillä mitään tekoa
prosenttien kanssa ole. Ensimmäinen tapa taas tuntuisi olevan
väärin kaikella tavalla.

Joskus todella näkee myös sitä tapaa, että saturoitunut liuos
on sataprosenttista. Tästä on prosessipuolella mahdollisesti
se ilo, että joissain tapauksissa tähdätään saturoituneeseen
liuokseen. Mitään muuta hyvää siitä tavasta onkin sitten jo
vaikea keksiä.

Koko soppaa hämmentää runsaasti se, että tietyillä varsin
yleisesti käytetyillä liuoksilla kylläinen liuos on jollain
mittarilla lähellä sataa. Sokeri ja rikkihappo tulevat
mieleen. Rikkihapolla (oleumilla) päästään yli sadan prosentin,
mikä on jo varsin vitsikästä.

Post by Tapio Viljava
toisesta taulukosta liuenneen aineen moolimassa g/mol. Ilman taulukoita ei
siis ei pärjää mitenkään.

Ja käytännön elämässä valitettavasti taulukoillakaan ei aina
pärjää.

Sitten vielä kun mennään kahden nesteen liuoksiin, tilanne muuttuu
entistä kierommaksi. Nolla ja sata prosenttia ovat selviä, mutta
mikään muu siitä väliltä ei ole.

Pieni kuvitteellinen esimerkki:

neste A: tilavuus 0.6 l, tiheys 1.2 kg/l (massa 0.72 kg)
neste B: tilavuus 0.5 l, tiheys 1.4 kg/l (massa 0.7 kg)

Nämä sekoitetaan keskenään ja tulokseksi tulee 1.0 l nestettä.
(Kukaanhan ei lupaa, että liuoksen tilavuus on lähtöaineiden
tilavuuksien summa.) Nestettä on 1.42 kg.

Mikä on A:n ja B:n pitoisuus?

A:
o 0.72 kg / (0.72 kg + 0.7 kg) = 50.7 %
o 0.6 l / 1.0 l = 60 %
o 0.6 l / (0.5 l + 0.6 l) = 54.5 %

B:
o 0.7 kg / (0.7 kg + 0.72 kg) = 49.3 %
o 0.5 l / 1.0 l = 50 %
o 0.5 l / (0.5 l + 0.6 l) = 45.5 %

Tilavuusprosentit ovat siis ihan mitä sattuu, summat eivät
täsmää sataseen, jne. Lämpötilamuutokset vaikuttavat lähtö-
aineiden tiheyteen eri tavalla, mistä taas tulee lisää
hankaluuksia.

Siihen siis on erinomaisen hyvä syy, että viralliset prosentit ovat
paino per kokonaispaino (w/w). Se on ainoa tapa, joka ilman lisä-
infoa kertoo oikeasti, mitä tapahtuu. Mutta katsokaapa vain lähimmän
viinapullon kylkeä...

- Ville

[Tapio Viljava]

Post by Ville Voipio
Sitten vielä kun mennään kahden nesteen liuoksiin, tilanne muuttuu
entistä kierommaksi. Nolla ja sata prosenttia ovat selviä, mutta
mikään muu siitä väliltä ei ole.
neste A: tilavuus 0.6 l, tiheys 1.2 kg/l (massa 0.72 kg)
neste B: tilavuus 0.5 l, tiheys 1.4 kg/l (massa 0.7 kg)
Nämä sekoitetaan keskenään ja tulokseksi tulee 1.0 l nestettä.
(Kukaanhan ei lupaa, että liuoksen tilavuus on lähtöaineiden
tilavuuksien summa.) Nestettä on 1.42 kg.

Tiedätkö arkielämässä käytettäviä liuoksia, joiden seoksen tilavuus on
olennaisesti jotain muuta kuin puhtaiden komponenttien tilavuuksien
tilavuuksien summa? Viinastahan näin sanotaan, mutta käytännön
mittaustarkkuuden rajoissa x ml etanolia + y ml vettä tuottaa (x+y) ml
liuosta. Kaikki tähän asti käyttämäni liuottimet ovat käyttäytyneet
vastaavasti. Siis tapauksissa, missä ei tapahdu reaktiota, saostumista tms.

Post by Ville Voipio
Siihen siis on erinomaisen hyvä syy, että viralliset prosentit ovat
paino per kokonaispaino (w/w). Se on ainoa tapa, joka ilman lisä-
infoa kertoo oikeasti, mitä tapahtuu. Mutta katsokaapa vain lähimmän
viinapullon kylkeä...

Suomessa ilmoitettiin joskus juomien pitoisuus painoprosentteina. Mikä
lienee ollut kansainvälinen sopimus tms. joka pakotti tuohon
epätieteellisempään ilmaisuun. Tilavuusprosentti on kuitenkin kätevämpi
sekoituksia tehtäessä, koska voidaan käyttää tilavuusmittoja tarvitsematta
laskea tiheyksiä. Vastaava tarkoituksenmukaisuus lienee yleensäkin syynä
erilaisiin pitoisuuden ilmauksiin. Kiinteitä aineita on kätevää liuottaa
grammoja litraan ja nestemäisiä litroja litraan.

Tapsa

[Ville Voipio]

Post by Tapio Viljava
Tiedätkö arkielämässä käytettäviä liuoksia, joiden seoksen tilavuus on
olennaisesti jotain muuta kuin puhtaiden komponenttien tilavuuksien
tilavuuksien summa?

Määritellään ensin tuo "olennaisesti". Jos puhutaan kymmenistä
prosenteista, ei tule mieleen. Sen sijaan jos esimerkiksi konsen-
traatiota halutaan mitata promilletarkkuudessa, ongelmia voi tulla.

Post by Tapio Viljava
Viinastahan näin sanotaan, mutta käytännön
mittaustarkkuuden rajoissa x ml etanolia + y ml vettä tuottaa (x+y) ml
liuosta.

Ja taas: mikä on "käytännön mittatarkkuus"?

Ihan kirjaviisautena pieni laskutoimitus. Tehdään 100 * a %:n liuos
etanolista (painoprosentteja). Liuoksen lähtöaineiden yhteenlaskettu
tilavuus on:

V_sum = V_Et + V_H2O = a * m / rho_Et + (1-a) * m / rho_H2O

Tiheys on siis:

rho_sum = m / V_sum = 1 / (a / rho_Et + (1-a) / rho_H2O)

Etanolin ja veden tiheydet +20 'C:ssä:

rho_Et = 0.7893 kg/dm3
rho_H2O = 0.998 kg/dm3

Niinpä tuo aritmeettisesti laskettu tiheys vaikkapa 50 %:n
liuoksella (a = 0.5) on 0.8815 kg/dm3.

Toisaalta taulukosta katsottu tiheys on 0.9139 kg/dm3, joten
tulee tuosta kolmen tai neljän prosentin ero.


Tai toisin päin laskettuna: Otetaan 50 ml vettä ja 50 ml viinaa.
Vastaavat massat ovat 49.90 g ja 39.47 g. Niinpä painoprosenttina
etanolia on 44.2 % ja kokonaismassaa 89.37 g.

Taulukon mukaan tämän liuoksen tiheys on 0.9266 kg/dm3, joten
lopullinen tilavuus on 96.45 ml.


Oikea tapa tehdä 100 ml liuosta on ottaa 50 ml viinaa ja kaataa
vettä, kunnes 100 ml tulee täyteen. Tässä liuoksessa etanolin
määrä pysyy samana, mutta vettä tarvitaankin noin 53.6 ml, ja
lopullisen liuoksen painoprosentti on osapuilleen 42.5 %.

Se täytyy tunnustaa, että esimerkit ovat etanolin vesiliuokselle
kaikkein dramaattisimmalla konsentraatioalueella. Kaljakonsen-
traation nurkilla virhe on pieni.

---

Post by Tapio Viljava
epätieteellisempään ilmaisuun. Tilavuusprosentti on kuitenkin kätevämpi
sekoituksia tehtäessä, koska voidaan käyttää tilavuusmittoja tarvitsematta
laskea tiheyksiä. Vastaava tarkoituksenmukaisuus lienee yleensäkin syynä
erilaisiin pitoisuuden ilmauksiin. Kiinteitä aineita on kätevää liuottaa
grammoja litraan ja nestemäisiä litroja litraan.

Niin on, labrassa. Mutta sitten, kun noita litkuja menee putkessa
kuutiometrikaupalla, niiden lämpötila on jotain ihan muuta kuin
huoneenlämpö. Kuumalla vedellä tiheys on prosenttitolkulla pienempi
kuin huoneenlämpöisellä. Esimerkiksi sokerin kohdalla toteamus
300 g/l on merkityksellinen vain silloin, kun referenssilämpötila
tunnetaan. Kahdessakympissä sitä vastaa painoprosentti 23.11 % ja
kahdeksassakympissä 23.60 %.

- Ville

[Tapio Viljava]

Post by Ville Voipio

Post by Tapio Viljava
Tiedätkö arkielämässä käytettäviä liuoksia, joiden seoksen tilavuus on
olennaisesti jotain muuta kuin puhtaiden komponenttien tilavuuksien
tilavuuksien summa?

Määritellään ensin tuo "olennaisesti".

Post by Tapio Viljava
Viinastahan näin sanotaan, mutta käytännön
mittaustarkkuuden rajoissa x ml etanolia + y ml vettä tuottaa (x+y) ml
liuosta.

Ja taas: mikä on "käytännön mittatarkkuus"?
Otetaan 50 ml vettä ja 50 ml viinaa.
Vastaavat massat ovat 49.90 g ja 39.47 g. Niinpä painoprosenttina
etanolia on 44.2 % ja kokonaismassaa 89.37 g.
Taulukon mukaan tämän liuoksen tiheys on 0.9266 kg/dm3, joten
lopullinen tilavuus on 96.45 ml.

Jepjep. Jos nyt vaikka haluaisi (hypoteettinen tilanne) tehdä pirtu- tai
väkiviinapohjaisia juomasekoituksia keittiöstä löytyviä
tilavuusmittalaitteita käyttäen, on lopputilavuus esim. esittämässäsi
esimerkissä käytännön mittatarkkuden rajoissa olennaisesti sama, sekoitti
missä järjestyksessä vain. Tosin usein se tehdään ns. oikealla tavalla, eli
viinaa mitataan ensin haluttu (laskettu) määrä, ja sitten lantrinkia
haluttuun lopputilavuuteen.

(OT: asia mutkistuu, jos mukaan täytyy laittaa kolmas komponentti (esim.
sokeria). Oletetaan, että haluat tehdä etanolin suhteen vatsa- ja
kurkkuystävälliseksi arvioimasi n. 40-tilavuusprosenttisen salmiakkikossun.
Laitat œ litran pulloon 200 ml etanolia sisältävän annoksen väkiviinaa ja
160 g (suunnilleen 100 ml todellista tilavuutta) turkinpippureita ja täytät
pullon vedellä. Saadun 40-prosenttisen tuotteen etanoli-vesi-suhde onkin n.
50 %, mikä ei enää olekaan vatsa- ja kurkkuystävällistä.)

Post by Ville Voipio

Post by Tapio Viljava
Vastaava tarkoituksenmukaisuus lienee yleensäkin syynä
erilaisiin pitoisuuden ilmauksiin. Kiinteitä aineita on kätevää liuottaa
grammoja litraan ja nestemäisiä litroja litraan.

Mutta sitten, kun noita litkuja menee putkessa
kuutiometrikaupalla, niiden lämpötila on jotain ihan muuta kuin
huoneenlämpö. Kuumalla vedellä tiheys on prosenttitolkulla pienempi
kuin huoneenlämpöisellä. Esimerkiksi sokerin kohdalla toteamus
300 g/l on merkityksellinen vain silloin, kun referenssilämpötila
tunnetaan. Kahdessakympissä sitä vastaa painoprosentti 23.11 % ja
kahdeksassakympissä 23.60 %.

Joo. Kuivat aineet punnitaan, mutta nesteet annostellaan tilavuuden
perusteella käytännön pakosta. Samalla reseptillä tehdään kesät talvet,
vaikka joidenkin säiliöiden lämpötila saattaa vaihdella kymmeniä asteita.
Vaikutus voidaan tietysti kompensoida jo annosteltaessa, mutta yleisesti
menetellään niin, että tehdään ensin perusliuos pitoisuusspeksin ylärajalle
tai jopa yli, ja sitten vakioidaan se labranäytteestä määrätyn oikean
pitoisuuden perusteella lisäämällä tarvittava määrä liuotinta.

Tapsa