1.12 Hapot ja emäkset

Hapoille ja emäksille on olemassa kaksi erilaista määritelmää: Brönstedin happo-emästeoria (Brønsted-Lowry) ja Lewisin happo-emästeoria.

 

    Brönstedin happo-emästeoria (Brønsted-Lowry)

Happo on aine, joka voi luovuttaa protonin (vety-ionin, H+) ja emäs joka vastaanottaa sen.

 

Yleisesti:    

Esim.

       

 

Reaktion: 

   

tasapainovakio (Keq) ja happovakio (Ka) lasketaan:

 

Happovakio esitetään yleensä pKa-arvona (Ka:n negatiivisena logaritmina).

 

pKa = – log Ka            Mitä vahvempi happo, sitä alhaisempi on sen pKa.

Muista myös emäs- ja happovakion välinen yhteys:

 

Hapon ja sitä vastaavan emäksen voimakkuudet ovat käänteisesti verrannollisia. HCl on vahva happo mutta sitä vastaava emäs, kloridi-ioni, Cl-, on heikko emäs. Vastaavasti vesi, H2O, on heikko happo, mutta sitä vastaava hydroksidi-ioni, OH– on vahva emäs.  

Heikompi

happo

 

 

 

 



 

 

Vahvempi

happo

 

Happo

pKa

Konjugaattiemäs

Vahvempi

emäs

 

 

 



 

 

 

Heikompi emäs

CH4

metaani

48

CH3–

metyyli-anioni

NH3

ammoniakki

34

NH2–

amidi

HCºCH

asetyleeni

27

HCºC–

asetylidi

CH3CH2OH

etanoli

16.00

CH3CH2O–

etoksidi

H2O

vesi

15.74

HO–

hydroksidi

C6H5OH

fenoli

10

C6H5O–

fenolaatti-ioni

HCN

vetysyanidi

9.31

CN–

syanidi

NH4+

ammonium-ioni

9.2

NH3

ammoniakki

CH3CO2H

etikkahappo

4.76

CH3CO2–

asetaatti

HF

fluorivety-

happo

3.45

F–

fluoridi

HNO3

typpihappo

-1.3

NO3–

nitraatti

HCl

kloorivety-

happo

-7.0

Cl–

kloridi

 Happo luovuttaa protonin sellaisen hapon konjugaattiemäkselle, jolla on korkeampi pKa. Esimerkiksi etikkahappo luovuttaa protonin OH– -ionille, koska sitä vastaavan hapon, veden pKa (=15.74) on suurempi kuin etikkahapon (4.76).

 

Esimerkkitehtävä. Veden pKa = 15.74 ja etyynin (asetyleenin) pKa = 27. Kumpi on happamampi? Voiko hydroksidi-ioni reagoida etyynin kanssa?

Ratkaisu. Vesi on vahvempi happo kuin etyyni, jolloin vesi luovuttaa protoninsa helpommin kuin etyyni. OH– -ionilla on heikompi kyky siepata vetyatomeja kuin asetyleeni-anionilla ts. se on vahvempi emäs kuin hydroksidi-ioni ja näin ollen reaktio ei voi tapahtua. 

 

Tehtävä 1. Ammoniakin (NH3) pKa = 34 ja etyynin (asetyleenin) pKa = 27. Kumpi on happamampi? Voiko NH2– -anioni reagoida etyynin kanssa?  Ratkaisu

 


 

 

Lewisin happo on aine, jolla on taipumus sitoa elektronipari ja Lewisin emäs on aine, jolla on taipumus luovuttaa se.

Esim. H+ on Lewisin happo, koska se vastaanottaa elektroniparin tyhjälle 1s orbitaalille reagoidessaan emäksen kanssa.               

                           

Myös booritrifluoridi (BF3) ja alumiinikloridi (AlCl3) ovat Lewis-happoja koska ne voivat ottaa vastaan elektroniparin. Reaktiossa syntyy koordinaatiosidos (kovalenttisen sidoksen erikoismuoto), jossa sidoksen muodostava elektronipari on peräisin Lewisin emäkseltä.        

               

 

                       

 Yleisesti:

Lewisin happoina (elektrofiileinä) voivat toimia mm. positiiviset ionit ja molekyylit, joissa olevilla atomeilla on vajaat elektronioktetit.

Lewisin emäksiä (nukleofiilejä) ovat negatiiviset ionit ja molekyylit, joissa on vapaita elektronipareja. Esim. useimmat happea ja typpeä sisältävät orgaaniset yhdisteet ovat Lewisin emäksiä koska niillä on sitomattomia (lone-pair) elektronipareja.

Lewisin emäksiä (nukleofiilejä):

Tehtävä 2. Osoita kuinka asetaldehydi, CH3CHO, voi toimia Lewis-emäksenä? Vastaus

Sisällysluettelo 1. Johdanto: orgaanisten yhdisteiden rakenne ja sidokset; hapot ja emäkset

1.13 Molekyylien väliset vuorovaikutukset