acid equilibrium intro 2 days.notebook

1

April 19, 2016

Part one:  Acid/Base Theories

Learning Goals:

• to identify acids and bases and their conjugates according to Arrhenius and Bronstead­Lowry Theories.  

• to be able to identify amphoteric and polyprotic acids and bases.

• to write an equilibrium equation for a reaction of an acid or base with water.

ACID BASE EQUILIBRIUM

ARRHENIUS THEORY

• Acids are solutes which produce  hydrogen ions, H+, in aqueous solutions

eg.    HCl  à  H+(aq)   +    Cl­ (aq)

• Bases are solutes which produce hydroxide ions, OH­, in aqueous solutions

eg.   NaOH  à   Na+ (aq)   +  OH­ (aq)

• This works for most acids and bases, but does not explain all acids and bases (eg. Ammonia, NH3)

acid equilibrium intro 2 days.notebook

2

April 19, 2016

BRONSTEAD­LOWRY THEORY

• An acid is a proton (H+) donor• A base is a proton (H+) acceptor

• Both are present in a system

• An acid will donate a proton to become a conjugate base,• A base will accept a proton to become a   conjugate acid

The conjugate acid­base pair

• Many times proton transfer can occur in both directions, and both forward and reverse reactions involve Bronstead­Lowry acid­base pairs

• The pair of substances which differ by a single proton  (H+) are called conjugate acid­base pairs

acid equilibrium intro 2 days.notebook

3

April 19, 2016

Try this…..

Use the Brønsted­Lowry definitions to identify the two conjugate acid –base pairs in each of the following acid –base reactions.H2S ﴾aq﴿  +   H2O ﴾l﴿ ß> HS

­ ﴾aq﴿ + H3O+ ﴾aq﴿

    A           B           CB         CA

Competition for protons

• A strong acid has a very weak attraction for protons• A strong base has a very strong attraction for protons

• The stronger the acid, the weaker it’s conjugate base• The stronger the base, the weaker it’s conjugate acid

acid equilibrium intro 2 days.notebook

4

April 19, 2016

eg.    HCl    +   H2O  <à   Cl­   +  H3O

+

HCl is a very strong acid and therefore has a very weak attraction for protons.It’s conjugate base is a very weak base and will therefore have a very weak attraction for protons

     Cl­   +   H2O   ß>  HCl   +   OH­

(aq)(aq) (aq)(l)

(aq)(aq)(aq) (l)

The six strong acids…..

• Hydrochloric    HCl• Hydrobromic    HBr• Hydroiodic        HI•Nitric                 HNO 3•Sulfuric              H 2SO4•Perchloric           HClO4

all the rest are weak acids

     

acid equilibrium intro 2 days.notebook

5

April 19, 2016

Let’s try the movie showing an acid being a proton donor

Let’s try the movie showing a base being a proton acceptor

Let’s try the movie showing a conjugate acid/base pair

Amphoteric (amphoteric) substances

A substance that may act as a Bronsted­Lowry acid in some reactions and as a Bronsted­Lowry base in others.

NH3 (aq)    +   H2O(l)                 NH4+(aq)   +   OH ­1

(aq)

Base_

H2CO3(aq)   +   H2O(l)                 HCO3­(aq)   +   H3O+1

(aq)

Acid

acid equilibrium intro 2 days.notebook

6

April 19, 2016

Polyprotic Acids

Polyprotic acids have more than one ionizable proton

H3PO4(aq) + H2O(l) ⇔ H3O+(aq) + H2PO4

-1(aq)

H2PO4-1

(aq) + H2O(l) ⇔ H3O+(aq) + HPO4

-2(aq)

HPO4-2

(aq) + H2O(l) ⇔ H3O+(aq) + PO4

-3(aq)

Pg. 492 # 1, 2Pg. 494 #4, 5

acid equilibrium intro 2 days.notebook

7

April 19, 2016

Part two:  1) The autoionization of water, 2) Calculating acidity for strong  acids and Bases

Learning Goals

• To understand how water can ionize itself• To calculate [H3O+] and [OH ­] based on Kw

• To understand what makes a substance acidic, and to calculate acidity• To calculate pH for a strong acid and base, and a weak acid and base

The autoionization of water

Water can ionize itself:H2O   <­>    H+  +  OH­

            or    H2O   +  H2O   <­>    H3O+  +   OH­

(H3O+ hydronium ion)(OH­   hydroxide ion)

This occurs in very little amount  (2 molecules in a billion)     Kw =  1 X 10­14

acid equilibrium intro 2 days.notebook

8

April 19, 2016

Kw  =  [H3O+][OH­]  

Therefore, in neutral water,  [H3O+] = [OH­] = 1 X 10­7

H2O(l)  +  H2O (l)    <==>    H 3O+(aq)   +  OH ­

(aq) 

(H2O is omitted from the equation because it is a pure liquid)

1 X 10­14   = [H3O+][OH­] 1 X 10­14   = x2

ICE

Measuring Acidity

• Acidity is the measure of the hydrogen ion (H+) or hydronium ion (H3O+) concentration in a solution.

• In neutral water [H3O+] = 1 X 10­7 mol/L

• pH is created to express acidity (power of hydrogen)

• pH = ­log [H3O+]• pH of neutral water is 7 (try it!!)

acid equilibrium intro 2 days.notebook

9

April 19, 2016

• Acids increase the [H3O+] concentration in a solution (decrease [OH­] )

• Bases increase the [OH­] concentration in a solution (decrease [H3O+])

• Kw = [H3O+][OH­]

[H3O+] Kw

[OH­]=

[OH­]Kw

[H3O+]=

The six strongest acids….

• Completely dissociate to produce hydronium ions• Calculating the pH can be done easily, because the [acid] = [H3O+]•HCl    +   H2O  à   Cl­   +  H3O+

(aq) (aq) (aq)(l)

Strong Bases ­ completely dissociate to produce OH­1

Hydroxides of Group  1 and 2 metals are considered strong bases

acid equilibrium intro 2 days.notebook

10

April 19, 2016

Acid/Base EquilibriaCalculating pH and pOH

Find the pH of a STRONG acid or Base

a) Calculate the [H3O+], [OH-], pH, and pOH of a 3.87x10 -4M HNO3

solution.**Remember, Strong Acids or Bases dissociate completely

HNO3(aq) H+(aq) + NO3

-(aq)

3.00 g of NaOH is added to 7.50 L of water.  Calculate the [H3O

+], [OH-], pH, and pOH

acid equilibrium intro 2 days.notebook

11

April 19, 2016

Pg. 509 #1,2, 5 c­f, 6, 7 ,8Pg. 527 #1,2

Ka for weak acids

• Weak acids do not completely dissociate into hydronium ions in water, and this affects how acidic the solution is.•“HX”  weak acid, conjugate base is X­

HX  +  H2O  ß>   H3O+   +   X­

The amount of H3O+ ions depends on the extent 

of dissociation, and therefore Ka

(aq) (aq) (aq)(l)

acid equilibrium intro 2 days.notebook

12

April 19, 2016

Measuring strength of acid:  Ka• Ka – acid equilibrium constant• Larger the Ka, the greater the acid will dissociate into hydronium ions (increasing acidity)

•Ka for strong acids is so large that the reaction favours products so much that it is considered an irreversible reaction

HX  +  H2O  ß>   H3O+   +   X­

• Ka =  [H3O+][X­][HX]            (at equilibrium)

Once you know [H3O+ ], you can calculate pH

and you can calculate the :

(aq) (aq) (aq)(l)

% dissociation=    [H3O+]HX

X 100

acid equilibrium intro 2 days.notebook

13

April 19, 2016

Calculate the pH and the % dissociation of a 0.500 M acetic acid solution.

Calculate the pH and % dissociation of a 0.500 M NH3 solution.

acid equilibrium intro 2 days.notebook

14

April 19, 2016

The pH of a 0.100 M solution of HNO2 is 2.1.   Calculate the value for the acid ionization constant for HNO2.

H/W  pg. 516 #1,2         pg. 520   #1,2         pg. 525 #3,5,6,