חומצות ובסיסים 1

1. Cl + - H H O O Cl H H חומצות ובסיסים חזקים נושאי השיעור חומצות ובסיסים 1 • הגדרות • חומצות ובסיסים חזקים • סקלת ה-pH, אינדיקטורים סימולציות המשולבות במצגת: H H אנימציה לתגובה בין HCl למים סימולציה למדידות pH של חומרים שונים, בריכוזים שונים סימולציה למדידת pH של חומרים שונים

2. הגדרות:לחומצות ובסיסים כמה הגדרות. אנו נשתמש בהגדרה של ברנסטד ולאורי. תגובת חומצה בסיסהיא תגובה שבה יש מעבר של פרוטוניםH+ מחלקיקים של חומר אחד לאחר. בסיס הוא חומר שהחלקיקים שלו מסוגלים לקלוט פרוטונים H+בתגובה. חומצה היא חומר שהחלקיקים שלו מסוגלים למסור פרוטונים H+בתגובה. דוגמה: כאשר מכניסים גז מימן כלורי HCl(g) למים, מתרחשת תגובת חומצה בסיס. יוני מימן עוברים ממולקולות HCl למולקולות המים. Cl + - H H O O Cl H H חומצות ובסיסים הם חומרים חשובים בתהליכים כימיים רבים: בתהליכים המתרחשים בגוף האדם, בטבע, בתעשייה ובחיי היום-יום של האדם. דוגמאות:מצבר הרכב מכיל חומצה גפרתית, משקה קולה מכיל חומצה זרחתית, הקיבה מכילה חומצת מימן כלורי ומיץ לימון מכיל חומצה ציטרית.לחומצות חלשות טעם חמוץ ומכאן שמן. נתרן הידרוקסיד, סודה קאוסטית, הוא בסיס חזק שיש לו שימושים מגוונים בתעשייה, בייצור נייר וחומרי ניקוי ובפתיחת סתימות ביוב. אמוניה היא בסיס המשמש לתעשיית הדשנים. חומצות ובסיסים: מושגי בסיס ותגובות + H - - H + +

3. Cl + - H H O O Cl H H אנימציה, HCl עם מים שאלה 1: הפעילו את האנימציה הבאה: א. הסבירו ברמת המיקרו את התגובה שהתרחשה. ב. יון מימן חיובי H+, נקרא פרוטון. מדוע? אנימציה לתגובה בין HCl למים H H

4. Cl - H H + O O Cl H H תגובה בין מימן כלורי למים הסבר התגובה בין מימן כלורי למים: כאשר שתי המולקולות הקוטביות מתנגשות, החמצן, שעליו חלקיות מטען שלילית גבוהה יחסית וזוג אלקטרונים לא-קושר במולקולת המים, מושך את המימן, שעליו חלקיות מטען חיובית ממולקולת ה-HCl. יון המימן החיובי מתנתק ממולקולת ה- ,HClעובר למולקולת המים ונקשר לזוג האלקטרונים הלא-קושר שעל החמצן. נוצרים שני יונים: יון הידרוניום H3O+ ויון כלור Cl-. זוג האלקטרונים הלא-קושר שעל החמצן במולקולות המים הוא שמושך את הפרוטון, כי עליו יש חלקיות מטען שלילית יותר לעומת חלקיות המטען השלילית שעל זוג האלקטרונים הלא-קושר שעל הכלור ב-HCl. (לפי דרגות החמצון וקוטביות הקשרים במים ובמימן הכלורי). המים הם הבסיס בתגובה! : : : H2O:(l) + H:Cl:(l) --------> H3O+(aq) + :Cl: -(aq) : : בסיס חומצה יון הידרוניום + H - - H + + (-2) (-1)

5. O H תגובת חומצה בסיס : דוגמה 2 דוגמה 2: תגובת חומצה בסיס בין יון מימן שלילי H- למים: תרכובות בין מימן למתכות הן חומרים יוניים שבהם המימנים מופיעים בתור אניונים, H-. כאשר תרכובות אלו נמסות במים, הן משחררות, נוסף על קטיוני המתכת, גם יוני H-. כאשר יוני המימן השליליים מתנגשים במולקולות המים הקוטביות, כל זוג אלקטרונים לא-קושר שעל המימן, בעל המטען החשמלי השלילי, מושך את המימן שעליו חלקיות מטען חיובית ממולקולת ה-H2O. יון המימן החיובי מתנתק ממולקולת המים ,H2Oעובר ליון המימן השלילי ונקשר לזוג האלקטרונים הלא-קושר שעליו. נוצרים מולקולות מימן דו-אטומית הנפלטות בתור גז, ויוני OH- המומסים במים.המימן הטעון מטען חשמלי שלילי שלם, מושך את הפרוטון חזק יותר מהחמצן במולקולת המים, שעליו יש רק חלקיות של מטען חשמלי שלילי. המים הם החומצה בתגובה! + - - H O H: - H H : H + + H:-(aq) + H-O-H(l)  [H:--- H ---:O-H]- H2(g) + :OH-(aq) (-2)

6. תגובת חומצה בסיס : שאלה 2 שאלה 2: הוכיחו שהתגובה בין אניון מימן H- לבין מים H2O(l) היא גם תגובת חומצה בסיס וגם תגובת חמצון-חיזור!

7. תגובת חומצה בסיס : דוגמה 2 שאלה 2: הוכיחו שהתגובה בין אניון מימן H- לבין מים H2O היא גם תגובת חומצה בסיס וגם תגובת חמצון-חיזור! תשובה: התגובה היא תגובת חומצה בסיס כי יש מעבר של פרוטון מהמים ליון השלילי של המימן כפי שהוסבר בשקופית הקודמת. התגובה היא גם תגובת חמצון-חיזור כי יש שינוי בדרגות החמצון ולכן יש גם מעבר אלקטרונים! וויתר על 1 אלקט' H:-(aq) + H2O(l) H2(g) + :OH-(aq) (1-) (1+) (0) משך וקבל 1 אלקט'

8. Cl H N H H H תגובת חומצה בסיס: דוגמה 3 דוגמה 3: תגובת חומצה בסיס בין מימן כלורי לאמוניה: מערבבים גז אמוניה NH3(g) וגז מימן כלורי HCl(g). כאשר כל שתי מולקולות קוטביות כאלה מתנגשות, זוג האלקטרונים הלא-קושר שעל החנקן, שעליו חלקיות מטען שלילית גדולה יחסית בתוך מולקולת האמוניה, מושך את המימן שעליו חלקיות מטען חיובית ממולקולת ה-HCl. יון המימן החיובי מתנתק ממולקולת ה- ,HClעובר למולקולת האמוניה ונקשר לזוג הלא-קושר שעל החנקן. נוצרים שני יונים: יון אמון חיובי ויון כלור שלילי. היונים שנוצרו נקשרים זה לזה במבנה ענק יוני, מוצק. (שימו לב : אין מים בתגובה!)החנקן במולקולות האמוניה הוא שמושך את הפרוטון כי עליו יש חלקיות מטען שלילית יותר לעומת חלקיות המטען השלילית שעל הכלור ב-HCl. (ראו דרגות חמצון). + מבנה ענק יוני מוצק + - - + + H+ - + - :NH3(g) + H:Cl(g) -----> NH4+ + :Cl- ----> NH4Cl(s) (-3) (-1) בסיס חומצה

9. ניסוח כולל והסבר לתגובת חומצה בסיס תוספת להגדרות לחומצה ובסיס: בסיס הוא חומר בעל אטום שיש לו אלקטרו-שליליות גבוהה, ולכן קוטב שלילי חזק או מטען שלילי שלם, ובנוסף גם זוג אלקטרונים לא-קושר שיכול למשוך פרוטון מחומצה. חומצה היא חומר בעל מימן הקשור בקשר קוטבי ועליו חלקיות מטען חיובית גדולה יחסית. חומצה היא בעלת הכושר לוותר על יון מימן חיובי - פרוטון בתגובה עם בסיס. ניסוח כולל לתגובת חומצה בסיס: B: + H-X --------> B-H+ + :X- - + - בסיס חומצה במהלך תגובת חומצה בסיס, זוג האלקטרונים הלא-קושר שעל הבסיס בעל הקוטב השלילי נמשך לקוטב החיובי שעל המימן בחומצה ומושך ממנה פרוטון = יון מימן חיובי. המימן היוצא בתור H+משאיר את אלקטרוני הקשר על האטום שאליו היה קשור, ומתחבר בקשר קוולנטי לזוג האלקטרונים הלא-קושר של הבסיס. הבסיס והחומצה מוגדרים באופן יחסי זה לזה, על פי תגובה נתונה. המים מתנהגים לפעמים כחומצה לפעמים כבסיס, על פי החומר שעמו הם מגיבים.

10. תגובות חומצה בסיס: שאלה 3 שאלה 3: נתונות התגובות הבאות: I. CsOH(s) ------> Cs+(aq) + OH-(aq) II. O2-(aq) + H2O(l) -----> 2OH-(aq) III. HBr(g) + H2O(l) ----->Br-(aq) + H3O+(aq) IV. NH2-(aq) + H2O(l) ------> NH2-(g) + OH-(aq) א. ציינו את סוג התגובה (חומצה בסיס, חמצון-חיזור, המסה וכו') ב. סמנו את הבסיסים והחומצות בתגובות חומצה בסיס. ג. הראו בעזרת חץ את מעבר הפרוטון. H2O רמז: תחילה חזרו על ההגדרות של תגובות חמצון-חיזור, חומצה-בסיס והמסה.

11. תגובות חומצה בסיס: תשובה לשאלה 3 שאלה 3: נתונות התגובות הבאות: I. CsOH(s) ------> Cs+(aq) + OH-(aq) II. O2-(aq) + H2O(l) -----> 2OH-(aq) III. HBr(g) + H2O(l) ----->Br-(aq) + H3O+(aq) IV. NH2-(aq) + H2O(l) ------> NH2-(aq) + OH-(aq) א. ציינו את סוג התגובה (חומצה בסיס, חמצון-חיזור, המסה וכו') ב. סמנו את הבסיסים והחומצות בתגובות חומצה בסיס. ג. הראו בעזרת חץ את מעבר הפרוטון. H2O I. CsOH(s) ------> Cs+(aq) + OH-(aq) II. O:2-(aq) + H2O(l) -----> 2OH-(aq) III. HBr(g) + H2O:(l) ----->Br-(aq) + H3O+(aq) IV. HN:-(aq) + H2O(l) ------> HNH-(aq) + OH-(aq) • תגובת המסה של חומר יוני במים. • תגובת חומצה בסיס (המים- חומצה) • תגובת חומצה בסיס (המים- בסיס) • תגובת חומצה בסיס (המים- חומצה) תשובה: בסיס חומצה חומצה בסיס בסיס חומצה

12. תמיסות חומציות ובסיסיות כאשר מתרחשות תגובות חומצה בסיס עם מים, המים יתנהגו כבסיס או כחומצה. המים הם הממיס הנפוץ ביותר בטבע ולכן נהוג להגדיר חומרים רבים בתור בסיס או בתור חומצה לעומת המים. תמיסה חומציתהיא תמיסה מימית המכילה יוני הידרוניום, H3O+(aq) היא מתקבלת כאשר המים מתנהגים כבסיס בתגובה עם חומצה. H2O:(l) + H:A ----> A:-(aq)+ H3O+(aq) תמיסה בסיסיתהיא תמיסה מימית המכילה יוני הידרוקסיד, OH-(aq) היא מתקבלת כאשר המים התנהגו כחומצה בתגובה עם בסיס. B:-+ H2O(l) ----> HB(aq)+ OH-(aq) או כאשר חומר יוני המכיל OH-נמס במים: NaOH(s) -----> Na+(aq) + OH-(aq) שימו לב: זו אינה תגובת חומצה בסיס! אלא המסה של חומר יוני במים בד בבד עם שחרור יוני הידרוקסיד, ולכן מתקבלת תמיסה בסיסית. + - - בסיס חומצה + בסיס חומצה

13. בדרך כלל נהוג לרשום בנוסחאות מולקולריות את המימן החומצי משמאל בלא קשר למבנה המולקולרי של החומר, אבל אין חובה לנהוג כך. חומצות במים שעל התלמידים להכירן ולזוכרן (המים מגיבים כבסיס): א. החומצות מימן הלוגנים :HX – HCl , HBr , HI ב. החומצה: HNO3 ג. החומצה הדו-פרוטית (בעלת שני מימנים חומציים): H2SO4 בסיסים במים (המים מגיבים כחומצה): בסיסים במים הם יונים שליליים שמקורם בתרכובות יוניות כמו של חמצן ומימן עם מתכות דוגמת: NaH , Na2O. בשלב הראשון החומרים היוניים נמסים במים, ולאחר מכן היון השלילי (-2O או –H) מגיב עם המים בתגובת חומצה בסיס. לתרגול ניסוח התגובות עברו לשאלות בשקופיות הבאות. סיכום ביניים: חומצות ובסיסים במים

14. חומצות במים: שאלה 4 שאלה 4: א. נסחו את התגובות של החומצות הבאות במים: HBr(g) , HNO3(l) , H2SO4(l) ב. סמנו את מעבר הפרוטון מהחומצה לבסיס רמז: המים בתגובות הנ"ל מתפקדים כבסיס.

15. חומצות במים: תשובה לשאלה 4 שאלה 4: א. נסחו את התגובות של החומצות הבאות במים: HBr(g) , HNO3(l) , H2SO4(l) ב. סמנו את מעבר הפרוטון מהחומצה לבסיס תשובה: ב- HNO3(l) המימן חומצי כי הוא קשור לחמצן. ב-H2SO4(l) יש שני מימנים חומציים הקשורים לחמצן. כל אחד מגיב עם מולקולת מים אחרת. מכל מול אחד של חומצה מתקבלים שני מול יוני הידרוניום. HBr(g) + H2O:(l) ----> Br -(aq)+ H3O+(aq) HNO3(l)+ H2O:(l) ----> NO3-(aq)+ H3O+(aq) H2SO4(l) + 2H2O:(l) ----> SO42-(aq)+ 2H3O+(aq) : O O : H S N H O O O O : O H + + - + - -

16. בסיסים במים: שאלה 5 שאלה 5: נתונה התגובה במים של היון הבסיסי O2-: O2-(aq) + H2O(l) -----> 2OH-(aq) א. מדוע יון זה הוא בסיס? ב. מוצק יוני שנוסחתו K2O(s) מוכנס למים ומגיב בשני שלבים מהירים (המסה ותגובת חומצה בסיס). נסחו את שני שלבי התגובה.

17. בסיסים במים: שאלה 5 שאלה 5: נתונה התגובה במים של היון הבסיסי O2-: O2-(aq) + H2O(l) -----> 2OH-(aq) א. מדוע יון זה הוא הבסיס? ב. מוצק יוני שנוסחתו K2O(s) מוכנס למים ומגיב בשני שלבים מהירים (המסה ותגובת חומצה בסיס). נסחו את שני שלבי התגובה. תשובה: א.O2- הוא בסיס חזק היות שהוא בעל אלקטרונים לא-קושרים (4 זוגות) ומטען שלילי חזק, -2. הוא זה שמושך חזק יותר את המימן שעליו קוטב חיובי במולקולת המים. לחמצן שבמולקולת המים יש רק חלקיות מטען שלילי ולא מטען שלילי שלם. ב. I. המסה: K2O(s) -----> 2K+(aq) + O2-(aq) II. תגובת חומצה בסיס: O2-(aq) + H2O(l) -----> 2OH-(aq)

18. סקלת ה-pH • זו סְקָלָה למדידת חומציות ובסיסיות כלומר, למדידת ריכוז יוני הידרוניום ויוני הידרוקסיד בתמיסות מימיות. • הסְקָלָה מוגדרת לתמיסות מימיות בלבד. • תחום מספרי הסְקָלָהנע בין 0 ל- 14 לתמיסות שריכוזן אינו עולה על 1 מולר. • בריכוזים גבוהים יותר תחומה רחב יותר (מתחת ל- 0 ומעל ל- 14). • יש לדעת להשתמש בסְקָלָה כסרגל בלבד. תמיסה ניטרלית תמיסה חומצית תמיסה בסיסית 0 14 7 חומציות עולה ריכוז יוני הידרוניום עולה בסיסיות עולה ריכוז יוני הידרוקסיד עולה

19. סימולציה לסקלת ה- pH סימולציה בסימולציה הבאה תוכלו לראות את ההרכב וה- pH של תמיסות חומציות ובסיסיות שונות. באפשרותכם להשתמש בברזים כדי לשנות את ריכוזי התמיסות ע"י הוספה והוצאה של מים. (כדי שתוכלו להעלות את הסימולציה צריכה להיות מותקנת במחשב שלכם התוכנה: (Java 6. אחרי שתפעילו את הסימולציה בדקו את שאלת החקר הבאה: כיצד משפיע שינוי הריכוז של התמיסות השונות על ה- pH? כתבו והסבירו את תשובתכם לשאלת החקר. סימולציה למדידות pH של חומרים שונים, בריכוזים שונים

20. אינדיקטורים ומוליכות חשמלית אינדיקטור לחומצות או בסיסיםהוא חומר בוחן, מזהה. זה חומר המשנה את צבעו או מגיב בדרך אופיינית עם תמיסה חומצית או תמיסה בסיסית. דוגמאות: משנים את צבעם: נייר לקמוס, פנול פתלאין, כרוב סגול משחררים גז בתמיסה חומצית: מגנזיום, Mg(s), גיר, CaCO3(s) מוליכות חשמלית של תמיסות חומצה ובסיס • חומצות ובסיסים משחררים יונים במים ולכן תמיסותיהם המימיות מוליכות חשמל. • המוליכות חשמלית תגדל ככל שריכוז היונים בתמיסה יגדל.

21. סימולציה: סקלת ה - pH שאלה 6: א. בדקו בעזרת הסימולציה הבאה את ה-pH של כל אחד מהחומרים המופיעים בה ומוכרים לכם. ב. מיץ כרוב סגול יכול לשמש אינדיקטור לחומצה בסיס. בתוך הכוס משמאל למד ה-pH יש מיץ כרוב סגול. צרו סְקָלָה הקושרת בין צבע הכרוב ל-pH.(ייתכן שיש עיוות כלשהו של הצבעים) סימולציה למדידת pH של חומרים שונים

22. סימולציה : סקלת ה- pH שאלה 6: א. בדקו בעזרת הסימולציה הבאה את ה-pH של כל אחד מהחומרים המופיעים בה ומוכרים לכם. ב. מיץ כרוב סגול יכול לשמש אינדיקטור לחומצה בסיס. בתוך הכוס משמאל למד ה-pH יש מיץ כרוב סגול. צרו סְקָלָה הקושרת בין צבע הכרוב ל-pH.(ייתכן שיש עיוות כלשהו של הצבעים) סימולציה למדידת pH של חומרים שונים תשובה: א. ב.

23. סקלת ה – pH: שאלה 7 • שאלה 7: • נתונה רשימת התמיסות הבאה: • HI(aq)II. Mg(OH)2(aq)III. HNO3(aq).IVNaCl(aq)V. CH3CH2OH(aq) • רשמו בעבור כל אחת מהתמיסות הנ"ל את ה-pH שלה: גדול מ-7 / קטן מ-7 / שווה 7.

24. סקלת ה-pH: שאלה 7 • שאלה 7: • נתונה רשימת התמיסות הבאה: • HI(aq)II. Mg(OH)2(aq)III. HNO3(aq).IVNaCl(aq)V. CH3CH2OH(aq) • רשמו בעבור כל אחת מהתמיסות הנ"ל את ה-pH שלה: גדול מ-7 / קטן מ-7 / שווה 7. תשובה: I. HI(aq) , HNO3(aq) - חומצות במים, לפיכך יכילו יוני הידרוניום, ולכן ה-pH שלהן קטן מ-7. II. Mg(OH)2(aq) מגנזיום הידרוקסיד הוא חומר יוני שלאחר המסתו משחרר יוני הידרוקסיד למים, ולכן ה-pH של התמיסה גדול מ-7. III. NaCl(aq) נתרן כלורי הוא חומר יוני שנמס ולא הגיב עם המים (אינו בסיס ואינו חומצה), לכן ה-pH של התמיסה שווה ל-7 IV. אתאנול שייך למשפחת הכוהלים שתמיסתם המימית ניטרלית. לכן ה-pH של התמיסה שווה ל-7.

25. סקלת ה-pH : שאלה 8א' שאלה 8א': דרגו את החומרים והתמיסות הבאים על סקלת ה-pH: I. מים טהורים II. H2SO4(aq) בריכוז0.1MIII. HCl(aq) בריכוז M0.1 IV. HCl(aq) בריכוז M0.01 V. Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1MVI. NaOH(aq) בריכוז 0.1MVII. NaOH(aq) בריכוז 0.01M רמז: שימו לב לריכוז וליחסי האיזון בתגובות ההמסה ובתגובות חומצה בסיס.

26. סקלת ה- pH : שאלה 8א' שאלה 8א': דרגו את החומרים והתמיסות הבאים על סקלת ה-pH. I. מים טהורים II. H2SO4(aq) בריכוז0.1MIII. HCl(aq) בריכוז M0.1 IV. HCl(aq) בריכוז M0.01 V. Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1MVI. NaOH(aq) בריכוז 0.1MVII. NaOH(aq) בריכוז 0.01M רמז: שימו לב לריכוז וליחסי האיזון בתגובות ההמסה ובתגובות חומצה בסיס. תשובה: ה-pH של התמיסה נקבע על ידי ריכוז יוני ההידרוניום או ההידרוקסיד שבה. 7 0 14 H2SO4(aq) בריכוז0.1M, ריכוז ההידרוניום 0.2 מולר HCl(aq) בריכוז M0.1 HCl(aq) בריכוז M0.01 מים טהורים NaOH(aq) בריכוז 0.01M NaOH(aq) בריכוז 0.1M Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1M, ריכוז ההידרוקסיד 0.2 מולר

27. מוליכות חשמלית: שאלה 8ב' שאלה 8ב': דרגו את החומרים והתמיסות הבאים לפי מוליכות חשמלית גדלה. I. מים טהורים II. H2SO4(aq) בריכוז0.1MIII. HCl(aq) בריכוז M0.1 IV. HCl(aq) בריכוז M0.01 V. Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1MVI. NaOH(aq) בריכוז 0.1MVII. NaOH(aq) בריכוז 0.01M

28. מוליכות חשמלית: שאלה 8ב' שאלה 8ב': דרגו את החומרים והתמיסות הבאים לפי מוליכות חשמלית גדלה. I. מים טהורים II. H2SO4(aq) בריכוז0.1MIII. HCl(aq) בריכוז M0.1 IV. HCl(aq) בריכוז M0.01 V. Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1MVI. NaOH(aq) בריכוז 0.1MVII. NaOH(aq) בריכוז 0.01M תשובה: המוליכות החשמלית תגדל ככל שריכוז היונים יגדל וככל שהמטענים החשמליים של היונים יגדלו. מוליכות חשמלית גדלה מים טהורים מוליכות חשמלית זניחה. HCl(aq) בריכוז M0.01 NaOH(aq) בריכוז 0.01M HCl(aq) בריכוז M0.1 NaOH(aq) בריכוז 0.1M Ba(OH)2(aq) בריכוז 0.1M, ריכוז הידרוקסיד 0.2 מולר, מטעני יונים גדולים H2SO4(aq) בריכוז0.1M, ריכוז ההידרוניום 0.2 מולר, מטעני יונים גדולים

29. תגובת חומצה בסיס: סיכום סיכום: • פרוטון הוא אטום מימן בלא האלקטרון • בתגובת חומצה בסיס יש מעבר פרוטון • בסיסים וחומצות מוגדרים בתגובה נתונה זה לעומת זה • המים מתפקדים לפעמים כחומצה ולפעמים כבסיס • חומצות ובסיסים משחררים יונים בתמיסה מימית ולכן תמיסותיהם מוליכות חשמל מושגים חשובים: תגובת חומצה בסיס, בסיס, חומצה, pH, אינדיקטור, מוליכות חשמלית