Kjemien stemmer Kjemi 2 Studiebok (2019) (utdrag)

HEGE KNUTSEN SVEIN TVEIT KRISTIAN VESTLI

KJEMIEN STEMMER

2

STUDIEBOK

KJEMI 2 • BOKMÅL

Kjemi for studiespesialiserende utdanningsprogram på Vg3.

Boken er en videreføring av Kjemien stemmer 2 Studiebok fra 2013, av: Truls Grønneberg · Merete Hannisdal · Vivi Ringnes · Brit Skaugrud

© Cappelen Damm AS, Oslo 2019 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser.

Uten særskilt avtale med Cappelen Damm AS er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning og kan straffes med bøter eller fengsel.

Boken er en videreføring av Kjemien stemmer 2 Studiebok fra 2013 av Truls Grønneberg, Merete Hannisdal, Vivi Ringnes og Brit Skaugrud Grafisk formgiver: Kristine Steen Omslagsdesign: Kristine Steen Omslagsfoto: Thinkstock/Eyematrix Tegninger: Keops / Terje Sundby Forlagsredaktør: Eva Irgens Bilderedaktør: Eva Irgens

Trykk: Livonia, Latvia 2019

Utgave nr. 5 Opplag nr. 1

ISBN: 978-82-02-59939-3

cdu.no kjemienstemmer.cdu.no

Fotoleverandører: Cappelen Damm: s. 114, s. 117, s. 118, s. 124, s. 128 n., s. 144, s. 176 Truls Grønneberg: s. 17, s. 19, s. 23, s. 26, s. 31, s. 33, s. 47 h, s. 56, s. 57, s. 61, s. 66, s. 81, s. 82, s. 85, s. 86, s. 87, s. 88, s. 93, s. 94, s. 96, s. 108, s. 128 ø., s. 129, s. 165, s. 166, s.

167, s. 168, s. 169, s. 170, s. 171, s. 172 Svein Tveit: s. 63, s. 64 Kristian Vestli og Svein Tveit: s. 47 v.

GettyImages: scanrail s. 7, Leonid Andronov s. 9, Ben Hung s. 16, Magnus Binnerstam s. 20, MarcelC s. 22, Leonardo Patrizi s. 35 ø., LailaRberg s. 35 n., anna1311 s. 40, Garsya s. 68, FocusEye s. 97, stanley45 s. 112, ablokhin s. 122, Leonid Andronov s. 132, Tetiana Rostopira s. 139, Rouzez s. 144, Ruth Black s. 148, Petmal s. 149 ø., Paul Gueu s. 149 n., Paolo De Gasperis s. 153, Jasmin Merdan s. 174 ø.

2

Innhold 1 Forskning i kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 Forskning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Etisk forsvarlig forskning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 Feilaktig bruk av kjemi i forklaringsmodeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Buffere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Hva er en buffer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Bufferligning og pH-beregninger . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Bufferområde og bufferkapasitet . . . . . . . . . . . . 12 2.4 Tillaging av buffere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5 Naturlige buffere i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1 Bufferkapasitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Alkalinitet i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1 Redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Balansering med halvreaksjoner . . . . . . . . . . . . 21 3.3 Balansering med oksidasjonstall . . . . . . . . . . . . 23 3.4 Redoksreaksjoner og energi . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5 Antioksidanter og frie radikaler . . . . . . . . . . . . . 27 3.6 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1 Forbrenningsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 En spontan redoksreaksjon . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 Redoksreaksjoner med halogener . . . . . . . . . . . 32 3.4 Hydrogenperoksidinnholdet i en apotekvare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5 Naturlige antioksidanter i fruktsaft . . . . . . . . . . 34

4 Analyse av uorganiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1 Kjemisk analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2 Kvalitativ uorganisk analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.3 Kvantitative analyser – titreringer . . . . . . . . . . . 37 4.4 Kvantitative analyser – kolorimetri . . . . . . . . . . 42 4.5 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Utstyr og fremgangsmåte i kvalitativ uorganisk analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.1 Forprøver på salter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2 Påvisning av anioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3 Påvisning av kationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Analyse av ukjente salter og ukjente metaller . . . . . 56 4.4 Analyse av ioner i ukjente salter . . . . . . . . . . . . . 58 4.5 Analyse av metaller og legeringer . . . . . . . . . . . 59 4.6 Redokstitrering: bestemme HClO i svømmebasseng . . . . . . . . . . 60 4.7 Redokstitrering: bestemme svoveldioksid i hvitvin . . . . . . . . . . . 62 4.8 Fellingstitrering: bestemme kloridkonsentrasjonen i saltvann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.9 Bestemme konsentrasjonen av CuSO4 med kolorimetri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.10 Bestemme nitritt i vann på flere måter med kolorimetri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.11 Bestemme kobber i kranvann med kolorimetri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3

5 Reaksjoner i organisk kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1 Navn på og prioritet for s­ toffgrupper . . . . . . . . 70 5.2 Stoffgruppenes karakteristiske ­reaksjoner . . . 71 5.3 Påvisningsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.4 Reaksjonstyper og -mekanismer . . . . . . . . . . . . 78 5.5 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Utstyr og arbeidsteknikker i organisk kjemi . . . . . . . 81 5.1 Forprøver på kjente organiske ­forbindelser . . 83 5.2 Påvisningsreaksjoner for ­stoffgrupper . . . . . . . 85 5.3 Påvisning av alkoholer med CAN og Lucas’ reagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.4 Analyse av ukjente organiske ­forbindelser . . . 91 5.5 Substitusjonsreaksjon: fra trifenylklormetan til trifenylmetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.6 Oksidasjonsreaksjon: fra benzaldehyd til benzosyre . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.7 Eliminasjonsreaksjon: fra sykloheksanol til sykloheksen . . . . . . . . . . . . 95

6 Separasjon og instrumentell analyse av organiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.1 Separasjon av organiske stoffer . . . . . . . . . . . . . 97 6.2 Kromatografi som analysemetode . . . . . . . . . . . 99 6.3 Massespektrometri (MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.4 NMR-spektroskopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.5 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.1 Tynnsjiktkromatografi av ­grønnfargen i blader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.2 Bruke en gasskromatograf til å identifisere stoffer i en blanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4

7 Næringsstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.1 Tre stoffgrupper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.2 Karbohydrater – monosakkarider . . . . . . . . . . 113 7.3 Karbohydrater – disakkarider . . . . . . . . . . . . . . 114 7.4 Karbohydrater – polysakkarider . . . . . . . . . . . . 116 7.5 Karbohydrater som energikilde . . . . . . . . . . . . 117 7.6 Lipider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.7 Proteiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.8 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 7.1 Påvisning av de energigivende ­ ­næringsstoffene i melkepulver . . . . . . . . . . . . . 128 7.2 Undersøkelse av stoffer i melk og myse . . . . . 130

8 Biokjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.1 Enzymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.2 Enzymaktivitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8.3 ATP og andre bærermolekyler . . . . . . . . . . . . . . 134 8.4 Forbrenning av glukose i cellene . . . . . . . . . . . 136 8.5 Fotosyntesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.6 Stereoisomeri i cellereaksjoner . . . . . . . . . . . . . 141 8.7 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 8.1 Enzymet katalase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 8.2 Proteaser i ananas og kiwi . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 8.3 Enzymet pepsin og pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.4 Klorofyll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

9 Elektrokjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 9.1 Elektrokjemi – redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . 149 9.2 Galvaniske celler – fra kjemisk ­energi til elektrisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 9.3 Cellespenning og reduksjons­potensialer . . . 151 9.4 Batterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.5 Elektrolyse – fra elektrisk energi til kjemisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.6 Korrosjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 9.7 Hvordan kan vi begrense k­ orrosjon? . . . . . . . . 160 9.8 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 9.1 Spenningsrekke og reduksjonspotensial . . . . 164 9.2 Elektrolyse av kaliumjodidløsning . . . . . . . . . . 167 9.3 Undersøkelse av korrosjon med rustindikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 9.4 Knallgass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 9.5 Fra elektrolysecelle til oppladbart batteri . . . 171

10 Materialer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 10.1 Materialer – fellestrekk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 10.2 Polymerer – lange kjedeformede molekyler . 174 10.3 Polymerer dannet ved addisjonsreaksjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 10.4 Polymerer dannet ved kondensasjonsreaksjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 10.5 Plast som materiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 10.6 Mot en ny generasjon ­plastmaterialer . . . . . . 179 10.7 Nanomaterialer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 10.8 Gjenbruk og gjenvinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 10.9 Øve til prøve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Aktiviteter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 10.1 Identifikasjon av noen vanlige plaster . . . . . . 184 10.2 Nanopartikler av gull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10.3 Syntese av polymelkesyre (PLA) . . . . . . . . . . . . 187 Tillaging av løsninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Svar på oppgaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

5

Forord Læreverket Kjemien stemmer Kjemi 2 består av en grunnbok, denne studie­boken og et nettsted. I grunnboken har vi beskrevet teorien som danner grunnlaget for vår forståelse av stoffer, deres egenskaper og reaksjoner. Der finner du også Test deg selv-oppgaver. Studieboken inneholder et variert utvalg av oppgaver og aktiviteter. Det er ikke nok bare å lese grunnboken. Teoristoffet i grunnboken og oppgavene og aktivitetene i studieboken utfyller hverandre og gir deg et godt grunnlag for dybde­ læring i kjemi.

Oppgavene i studieboken følger grunnboken kapittel for kapittel. Noen av oppgavene er merket med en stjerne. Disse oppgavene er mer krevende enn de andre. I denne studieboken finner du også eksamensoppgaver som er gitt etter gjeldende læreplan. Svar på oppgavene finner du bak i boken. I noen oppgaver trenger du bare blyant og papir og kanskje grunnboken. I andre oppgaver må du bruke Internett. Data som du trenger i arbeidet med oppgavene og aktivitetene, finner du i grunnboken eller i tabellverket fra Utdanningsdirektoratet. Regneoppgaver har gjerne ett riktig svar. Små avvik fra fasiten kan forekomme hvis utregningen er utført med verdier fra andre tabeller. Sist i hvert kapittel finner du Øve til prøve-oppgaver.

Aktivitetene er ordnet fortløpende innen et kapittel. Hver aktivitet avsluttes med en risikovurdering, som er et krav ifølge arbeidsmiljøloven.

Risiko­­vurderingen gir opplysninger om egenskaper ved stoffene i aktiviteten, om faremomenter og eventuelle tiltak. Der får du også vite hvordan du skal håndtere avfallet etter aktiviteten. Aktivitetene er lagt opp slik at de begrenser bruken av farlige kjemikalier.

På nettstedet kjemienstemmer.cdu.no kan du arbeide med flere typer interaktive oppgaver, og du kan prøve deg på tester som omfatter innholdet i hele kapittelet. Her finner du også filmer av eksemplene i grunnboken.

Lykke til med kjemifaget!

6

1 Oppgaver 1.1 Forskning 1.1.1 Kombiner begrep 1 til 4 med de tilhørende ­utsagnene i a til d.

1. hypotese 3. konklusjon 2. observasjon 4. vitenskapelig teori a) En slutning du trekker ut fra observasjoner og kunnskap b) Det du kan se, høre, lukte, føle, smake og måle c) En idé som ikke har latt seg motbevise selv om mange forskere i lang tid har gjennomført eks­ perimenter for å sjekke den d) Det du tror kommer til å skje i et forsøk

Forskning i kjemi 1.1.2 Finn frem til nøkkelordet i den fargede kolonnen (loddrett) ved å skrive inn ord til punkt 1 til 7 i de vannrette radene. Nøkkelordet gir deg immunitet mot sykdom.

1. Generell og grundig testet teori 2. Forskere som jobber innenfor samme spesial­ område 3. Vurdering av informasjonskilde 4. Å finne frem til noe nytt på en systematisk måte 5. Å vise at noe ikke stemmer 6. Motstandsdyktige 7. En antagelse om hva som blir resultatet ved gjennomføring av eksperimenter

1 2 3 4 5 6 7

1 • Forskning i kjemi

7

1.1.3 Finn en artikkel om et av temaene nedenfor.

Lag en presentasjon som kan vises for medelever. a) Patentbeskyttelse av et produkt b) Ny forskning innenfor materialkjemi c) Ny forskning innenfor biokjemi d) Ny forskning innenfor nanoteknologi e) Vaksiner

1.2.3 Hvilket utsagn om forskning er feil? a) Forskning er å arbeide systematisk. b) En forsker kan bevise at noe er riktig. c) Oppdragsforskning betyr at målet for forsk­ ningen er bestemt av den som betaler. d) Fagfellevurderte tidskrifter er en viktig ­delingsplattform innenfor forskning.

1.2 Etisk forsvarlig forskning

1.2.4 Gi to eksempler på etiske dilemmaer ved oppdragsforskning.

1.2.1 Finn et ord for 1. en antagelse du har om hva som kommer til å bli resultatet av et forsøk 2. et tidskrift som publiserer alle innsendte ­artikler 3. læren om moralen 4. en artikkel som er sendt inn til et tidskrift, men som ikke blir publisert 5. å publisere andres resultater som sine egne eller ta med observasjoner som faktisk ikke er gjort 6. forskning som er betalt av en oppdragsgiver som bestemmer hva det skal forskes på 7. det du ser, hører, lukter, smaker, føler eller ­måler 1.2.2 Skriv inn juks, åpen tilgang eller røvertidsskrift i søkefeltet på www.forskning.no og velg en av artiklene. Lag en presentasjon som kan vises for medelever.

8

1.3 Feilaktig bruk av kjemi i forklaringsmodeller 1.3.1 Det er flere behandlingsmåter som i dag går ­under betegnelsen alternativ behandling. a) Forklar hvorfor homøopati ikke er forenlig med kjemiens forklaringer. b) Bruk internett eller oppslagsverk og finn ­eksempler på argumenter fra naturvitere mot én eller flere av disse alternative behandlings­ måtene: 1. magnetterapi 5. fotsoneterapi 2. aromaterapi 6. krystallterapi 3. healing 7. kvantemedisin 4. rosenterapi

2 Oppgaver

Buffere

Repetisjon fra kjemi 1 2.0.1 a) Hva betyr det at HNO3(aq) er en sterk syre?

Vis det med en ligning. b) Hvilket ion er karakteristisk for sure løsninger? Hva heter ionet? c) Hva betyr det at HF(g) er en svak syre? Vis det med en ligning.

2.0.2 a) Hvorfor omtaler vi en syre-base-reaksjon som en protolyse? b) Hva mener vi med protoner i denne sammenhengen?

2.0.3 Hvilke av syrene nedenfor har salter med navn som ender på -id, -itt og -at? a) HCl b) H2SO4 c) H2CO3 d) HF e) H2SO3 f) CH3COOH 2.0.4 Oppgi hvilke av stoffene nedenfor som er syrer, og hvilke som er baser, og sett navn på dem. a) HNO3 d) HSO4− b) HNO2 e) CH3COOH f) KOH c) NH3

2.0.5 a) Hva er den molare massen til 1) Mn(OH)2 2) Na2CO3 · 10H2O b) Hvor mange mol er det i 1,00 g av hvert av stoffene?

2.0.6 a) Beregn stoffmengden av Ca2+ og av Cl− i 1,0 L av 0,2 mol/L CaCl2. b) Forklar hvordan vi kan gå frem for å lage 0,5 L av 0,1 mol/L CaCl2 fra løsningen i a. c) Beregn massen av CaCl2 · 6H2O som trengs for å lage 500 mL av 1,0 mol/L løsning av Cl−.

2.0.7 a) Hva vil det si at vann er et amfotært stoff? b) Hva menes med vannets egenprotolyse? c) Hvorfor kalles Kw vannets ioneprodukt, og hvor stor er denne konstanten?

2.0.8 a) Hvordan kan vi finne [H3O+] hvis vi kjenner [OH–] i en løsning ved 25 °C? b) En elev påstår at 1,0 mol/L saltsyre ikke inneholder hydroksidioner. Er du enig? Begrunn svaret. c) Vil [OH–] bli større, lik eller mindre enn 1,0 · 10–7 mol/L når litt fast kaliumhydroksid løses i vann? Begrunn svaret.

2 • Buffere

9

2.0.9 Hva er pH i en løsning når a) [H3O+] = 1 · 10−2 mol/L b) [H3O+] = 6 · 10−9 mol/L c) [OH–] = 0,001 mol/L d) [OH–] = 0,025 mol/L

2.0.16 a) Forklar hvordan du trinnvis vil gå frem for å regne ut pH i en sur løsning. Ta hensyn til at syren kan være sterk eller svak. b) Hva er pH i 1 mol/L saltsyre og i 1 mol/L ­eddiksyre?

2.0.10 Hva er [H3O+] og hva er [OH–] i løsningen når a) pH = 5,1 c) pH = 1,0 b) pH = 11,5 d) pH = 4,7

2.0.17 Finn syrekonstanten i en tabell og beregn H3O+ og pH i løsningen. a) 0,010 mol/L CH3COOH b) 0,50 mol/L HCN c) 0,10 mol/L HNO2

2.0.11 Hva kan pH være i en 0,10 mol/L løsning av en svak base?

A. 4 B. 6 C. 9 D. 13 2.0.12 Hva er pH i løsningen a) 2,0 mol/L HCl b) 0,1 mol/L H2SO4 når vi bare regner med første protolysetrinn c) 0,1 mol/L Ba(OH)2 d) 4,0 g NaOH per liter 2.0.13 Hva er den korresponderende basen til a) HCl d) H2O b) H2SO4 e) H3O+ c) HSO4− f) NH4+ 2.0.14 Hva er den korresponderende syren til a) HPO42− d) NH3 2− b) CO3 e) OH− c) H2O f) SO32− 2.0.15 a) Hva mener vi med at en syre protolyserer i flere trinn? b) Forklar hvorfor Ka1 > Ka2 for en toprotisk syre. c) Forklar hvorfor vi kan regne bare med Ka1 når vi skal finne pH i en svak toprotisk syre.

2.0.18 Hvilket av stoffene nedenfor motvirker ifølge Le Châtelier-prinsippet protolyse av maursyre (metansyre)?

A. NaCl C. (HCOO)2Ca B. KOH D. Na2CO3 2.0.19 Hvordan blir løseligheten av saltet endret hvis det løses i en sur løsning? Begrunn svaret. a) AgCl b) CaCO3 c) Fe(OH)2 2.0.20 Til den svake syren HA tilsetter vi natronlut.

Figuren nedenfor viser pH-verdien ved ulike tilsettinger. Vurder om [HA] er <, > eller = [A–] i punktene A, B, C og D. pH D C

B A Volum tilsatt NaOH(aq)

10

2.0.21 pH

A

pH

B

pH

14

14

14

7

7

7

0

pH

V D

0

pH

V E

0

pH

14

14

14

7

7

7

0

V

0

a) Hvilket av diagrammene A–F ovenfor illustrerer best titreringen av den svake basen ammoniakk med den sterke syren saltsyre?

Volumet tilsatt syre er V. b) Hva beskriver diagram F?

V

C

0

V F

V

2.1.3 Eksamensoppgave 2b V2016 Hva består en bufferløsning av? Hvilke egenskaper har en buffer?

2.2 Bufferligning og pH-beregninger 2.1 Hva er en buffer?

2.1.1 Bruk reaksjonsligninger til å forklare hvordan bufferne nedenfor motvirker pH-endring ved tilsetting av sterk syre og ved tilsetting av sterk base. a) en buffer som inneholder eddiksyremolekyler og acetationer b) en buffer som inneholder ammoniakk­ molekyler og ammoniumioner 2.1.2 Hvilken løsning av to stoffer kan gi en buffer?

Velg rett alternativ.

A. HCl og KOH B. Na3PO4 og KOH C. CH3COOH og CH3COONa D. CH3COOH og NH4Cl

2.2.1 pKa(HCOOH) = 3,75. Beregn pH-verdien i en løsning som inneholder a) 0,20 mol/L HCOOH og 0,20 mol/L HCOO– b) 0,15 mol/L HCOOH og 0,60 mol/L HCOO– 2.2.2 Beregn pH i en buffer a) med samme konsentrasjon av H2PO4–(aq) og HPO42−(aq) når pKa(H2PO4–) = 7,21 b) med samme konsentrasjon av NH4+(aq) og NH3(aq) når Ka(NH4+) = 5,6 ∙ 10–10 c) med samme stoffmengde av HPO42–(aq) og PO43−(aq) når Ka(HPO42–) = 4,8 ∙ 10–13 d) med samme stoffmengde av CH3COOH(aq) og CH3COO– (aq) når pKa(CH3COOH) = 4,74

2 • Buffere

11

2.2.3 Beregn pH i en buffer som er laget ved å a) blande 400 mL av 0,20 mol/L NH3 med 200 mL av 0,60 mol/L NH4Cl og etterfylle med vann til 1,0 L b) blande 200 mL av 0,40 mol/L CH3COOH med 600 mL av 0,20 mol/L CH3COONa og etterfylle med vann til 1,0 L c) løse 5 g NH4Cl i 400 mL 0,20 mol/L NH3 og etterfylle med vann til 500 mL d) løse 5 g CH3COONa i 200 mL 0,40 mol/L CH3COOH og etterfylle med vann til 500 mL 2.2.4 Skriv formlene for syre-base-paret og beregn pKa når a) Ka(H2PO4−) = 6,2 · 10−8 mol/L b) Ka(HCO3−) = 4,7 · 10−11 mol/L c) Kb(C6H5COO−) = 1,6 · 10−10 mol/L d) pKb(CH3COO−) = 9,26 2.2.5 Saltet Na2HPO4 i vann gir en basisk løsning.

Ka(HPO42–) = 4,8 · 10–13 mol/L. a) Beregn pKa(HPO42–). b) Hva er den korresponderende basen til HPO42–? c) Beregn Kb og pKb for denne basen.

2.2.6 Vi lager 1,50 L eddiksyre-acetat-buffer av 0,55 mol CH3COOH og 0,45 mol CH3COONa. a) Hva er den sure komponenten og hva er den basiske komponenten i bufferen? b) Hva er pH i bufferen? c) Hva blir pH i bufferen hvis vi tilsetter 1) 100 mL vann 2) 20 mL 0,50 M HCl 3) 100 mL 0,50 M NaOH

12

2.2.7 En ammonium-ammoniakk-buffer blir laget ved at 0,15 mol NH4Cl og 0,25 mol NH3 løses i vann slik at løsningens totale volum blir 200 mL. a) Beregn pH i bufferen. b) Beregn pH når 100 mL av bufferen tilsettes 10 mL 1,0 mol/L HCl. c) Beregn pH når 100 mL av bufferen tilsettes 5,0 mL 1,0 mol/L NaOH. 2.2.8 I en såpe er pH justert til 4,0 med melkesyre og det tilhørende saltet natriumlaktat. Hva er det mest av i såpen, melkesyre eller laktat? pKa (melkesyre) = 3,86.

2.2.9 Eksamensoppgave 1c H2017 I en bufferløsning er pH 0,5 høyere enn pKa. Konsentrasjonen av den sure bufferkomponenten er 0,5 mol/L. Hva er konsentrasjonen av den b ­ asiske komponenten?

A. 0,1 mol/L C. 1,6 mol/L B. 0,5 mol/L D. 5,0 mol/L 2.2.10 Eksamensoppgave 1l H2018 Ved tilsetting av noen dråper bromtymolblått, BTB, til en bufferløsning ble den farget blå.

Hva er den sure komponenten i bufferen?

A. NH4+ B. OH– C. H3O+ D. H3PO4

2.3 Bufferområde og bufferkapasitet 2.3.1 Se tabellen over utvalgte buffere på side 41 i grunn­boken. Begrunn hvorfor hver buffer virker best ved den pH-verdien som er oppgitt i tabellen.

2.3.2 Natriumhypokloritt, NaClO, er det aktive stoffet i mange blekemidler. a) Beregn forholdet mellom [ClO–] og [HClO] i en løsning der pH er justert til pH = 6,5 og pKa(HClO) = 7,5. b) Er løsningen en buffer?

2.3.3 a) Beregn pH i en buffer med 19,2 g sitron­syre (C3H4(OH)(COOH)3) og 10,7 g natrium­dihydrogensitrat (C3H4(OH) (COOH)2COONa) i 250 mL løsning. pKa(C3H4(OH)(COOH)3) = 3,13. b) Hva blir pH når bufferen i oppgave a blir fortynnet til 1,00 L? c) Vil bufferen i oppgave a bli sprengt ved til­ setting av 20 mL 1,0 mol/L HCl(aq)?

2.3.4 En bufferløsning på 500 mL inneholder 5,4 g metansyre og 7,6 g kaliummetanat. a) Hva er bufferområdet for denne bufferen? b) Sprenges bufferen når den tilsettes 0,5 g NaOH? c) Hva er bufferkapasiteten til bufferen for til­ setting av sterk syre?

2.3.5 Hvor mange milliliter av 1,0 mol/L NaOH må tilsettes 100 mL 1,0 mol/L CH3COOH for at bufferkapasiteten skal bli lik ved tilsetting av både sterk syre og base og bufferen derfor er en ideell buffer? Begrunn alternativet du velger.

A. 100 B. 50 C. 67 D. 75

2.3.6 Hvilke av faktorene nedenfor er med på å bestemme bufferkapasiteten for en løsning?

Begrunn svarene. a) Hvilket korresponderende syre-base-par det er i bufferen b) Konsentrasjonene av bufferkomponentene c) Bufferområdet d) Forholdet mellom konsentrasjonene av bufferkomponentene e) Ka for den sure komponenten 2.3.7 I en buffer er pH = 6,1. Denne pH-verdien er ­lavere enn pKa-verdien til den sure komponenten i bufferen. a) Stemmer det at [OH−] er lavere enn [H3O+] siden pH < pKa? Begrunn svaret. b) Stemmer det at pKa for den sure komponenten ikke kan være større enn 7,1? Begrunn svaret.

2.3.8 Eksamensoppgave 1c V2017 Vi skal lage en buffer med pH = 2,0 og bruker bare 1,0 mol/L løsninger. Hvilke to løsninger gir høyest bufferkapasitet mot både syre og base?

A. H2SO3 og NaHSO3 B. H3PO4 og NaH2PO4 C. NaHSO4 og Na2SO4 D. CH3COOH og NaCH3COO 2.3.9 Eksamensoppgave 2b2 H2018 En bufferløsning ble laget ved å løse NaH2PO4(s) og Na2HPO4(s) i 1 L vann slik at pH i løsningen ble 6,8. Vurder om bufferløsningen har størst kapasitet til å motstå syre eller base.

2.3.10 Eksamensoppgave 2b3 V2016 Du skal lage 1 liter eddiksyre-acetat-buffer med pH = pKa. Forklar hvilke to av de fire reagensene nedenfor du må velge for å få størst mulig bufferkapasistet.

NaOH(s), NaCH3COO(s), 1 mol/L HCl(aq), 0,5 mol/L CH3COOH(aq)

2 • Buffere

13

2.3.11 ★ Du skal lage 1,0 L bufferløsning med pH = 7,6 av basen (HOCH2)3CNH2 og et annet stoff.

Basens strukturformel vises nedenfor.

Konsentrasjonen av basen skal være 0,10 mol/L, og Kb = 1,27 ·10−6 mol/L. HO HO

NH2

HO

CH2OH–CH(OH)–CH(NH2)–CH2OH a) Hva er strukturformelen for den sure komponenten? Foreslå et stoff som inneholder denne sure komponenten. b) Bestem konsentrasjonen av den sure komponenten i bufferen. c) Beregn bufferkapasiteten til bufferen mot 1) sterk syre 2) sterk base

2.4 Tillaging av buffere 2.4.1 a) Vurder om det er mulig å lage en buffer ved å blande sammen 1) HCl(aq) og NaCl(aq) 2) HCN(aq) og NaCN(aq) 3) CH3COOH(aq) og CH3COONa(aq) b) Vanlig eddik inneholder både CH3COOH og CH3COO−. Hvorfor kan ikke eddiken betraktes som en buffer?

2.4.2 Hvilken blanding av to løsninger kan ikke gi en buffer?

A. NH3 og NH4Cl B. NaOH og NH4Cl C. NH3 og HCl D. NaOH og HCl

14

2.4.3 Hvorfor kan vi lage en bufferløsning av stoffene i a i vann, men ikke av stoffene i b? a) HF(g) og NaF(s) b) HF(g) og CaF2(s) 2.4.4 Hvilket par av stoffer kan brukes til å lage en buffer med pH < 7?

A. C6H5COOH og C6H5COONa B. Na2CO3 og NaHCO3 C. HCl og NaCl D. Na3PO4 og Na2HPO4 2.4.5 Du skal lage 1000 mL bufferløsning med pH = 9,00. Konsentrasjonen av den sure komponenten skal være 1,0 mol. Beskriv hvordan du vil lage bufferen.

2.4.6 Eksamensoppgave 1a H2017 Hvilken av disse syrene er best egnet som sur komponent til en buffer med pH = 3,9?

A. etansyre B. melkesyre C. ammoniumion D. hydrogensulfation 2.4.7 Eksamensoppgave 2b H2017 Du har et stoff løst i vann. Til denne løsningen tilsetter du litt NaOH, slik at det blir en buffer­ løsning. Hvilket av disse stoffene var det i vannløsningen før NaOH ble tilsatt?

A. NaNO2 B. Na2CO3 C. NaHSO3 D. NaCH3COO 2.4.8 Eksamensoppgave 2b3 H2018 Du skal lage en bufferløsning med pH = 7,2 til et eksperiment. Hvor mange gram fast natrium­ hydroksid, NaOH(s), må du tilsette 1,0 L H3PO4(aq) med konsentrasjon 0,20 mol/L for å lage denne løsningen? Molar masse NaOH = 40 g/mol.

2.5.1 Rent vann har stått i kontakt med luft, og det viser seg at pH = 5,7. a) Hva er en mulig årsak til at vannet har denne pH-verdien? Skriv aktuelle reaksjonsligninger. b) Forklar hvorfor vann i kontakt med kalkrik grunn har pH > 5,7. c) Hva menes med alkaliniteten til vann, og hvordan kan den bestemmes for en vann­ prøve? d) Beskriv en ulempe med lav alkalinitet i 1) akvarievann 2) drikkevann e) Hvordan kan man motvirke lav alkalinitet i 1) akvarievann 2) drikkevann 2.5.2 Undersøkelser av vannkvaliteten i ferskvann omfatter vanligvis måling av alkaliniteten. Alkaliniteten har betydning for vannets evne til å tåle sur nedbør.

I praksis er alkaliniteten summen av hydrogenkarbonat- og karbonationer i vannet, og alkaliniteten kan måles ved å titrere med saltsyre. a) 1) H vorfor gir karbonater en basisk løsning i vann?

2) S kriv en kjemisk ligning som viser at det dannes karbondioksidgass når en løsning av karbonat titreres med saltsyre. b) Forklar at en blanding av karbonat og hydrogenkarbonat kan være en buffer.

2.5.3 Figuren til høyre ovenfor viser hvordan pH-verdien endrer seg i titrerkolben under titrering av 0,1 mol/L Na2CO3 med 0,1 mol/L HCl. a) Tegn av figuren og marker følgende: 1) punktet der [CO32−] = [HCO3−] 2) punktet der [HCO3−] = [H2CO3] 3) punktet der all CO32− er brukt opp 4) punktet der all HCO3− er brukt opp

b) Marker på kurven hvor innholdet i titrerkolben er en buffer, og begrunn svaret. c) Skriv reaksjonsligninger som viser at det utvik­les CO2-gass i titrerkolben under titreringen.

12 11 10 9 pH i titrerkolben

2.5 Naturlige buffere i vann

8 7 6 5 4 3 2 1 10

20

30

40

50

60

mL tilsatt 0,1 M HCl

2.5.4 Alkaliniteten kan måles ved å titrere 100 mL av en vannprøve med 0,010 mol/L saltsyre. Alkaliniteten tilsvarer millimol forbruk av HCl per liter vannprøve. I en slik titrering var forbruket av saltsyre 20,0 mL. Hva var alkaliniteten til denne vannprøven?

2.5.5 Spytt inneholder hydrogenfosfat- og hydrogenkarbonationer som gjør spyttet syrenøytraliserende. Disse ionene inngår i hvert sitt buffer­ system.

Skriv protolyselikevekten for ett av de to buffersystemene i spytt, og forklar hva som skjer når systemet fungerer som buffer.

2 • Buffere

15

2.6 Øve til prøve 2.6.1 Hvilken kombinasjon av stoffer løst i vann kan gi en buffer?

A. NH3 og NH4Cl B. NH3 og KOH C. HNO3 og KNO3 D. HCl og NaOH 2.6.2 I en bufferløsning er pH = 3,96. Konsentrasjonen av sur komponent er 0,40 mol/L og konsentrasjonen av basisk komponent er 0,50 mol/L. Er askorbinsyre, melkesyre eller eplesyre den sure komponenten i bufferen?

2.6.3 Vi lager 0,50 L metansyre-metanat-buffer av 0,40 mol HCOOH og 0,60 mol HCOONa. a) Hva er den sure komponenten og hva er den basiske komponenten i bufferen? b) Hva er pH i bufferen? c) Hva blir pH i bufferen hvis vi tilsetter 10 mL 0,50 mol/L HCl? d) Hva blir pH i bufferen hvis vi tilsetter 50 mL 0,50 mol/L NaOH? 2.6.4 En buffer er laget ved å løse 8,2 g ammonium­ klorid i 500 mL av 0,5 mol/L ammoniakkløsning og etterfylle med vann til 1000 mL. pKb for ammoniakk er 4,75. a) Hva er navnet til denne bufferen? b) Hva er bufferområdet til bufferen? c) Hva er bufferkapasiteten ved tilsetting av sterk syre? d) Hva er bufferkapasiteten ved tilsetting av sterk base?

16

2.6.5 Du skal lage en buffer ved å løse Na2HPO4(s) i 1,0 L 0,10 M NaH2PO4. Bufferen skal ha pH = 6,9. a) Skriv oppløsningsreaksjonene for de to saltene i vann. b) Hva er den sure og hva er den basiske komponenten i bufferen? c) Hvilken syrekonstant må du bruke for å beregne den stoffmengden HPO42− som trengs for å lage bufferen? d) Beregn konsentrasjonen av HPO42− i bufferen. e) Beregn antall gram natriumhydrogenfosfat som må tilsettes.

2.6.6 Eksamensoppgave 1t H2014 Sitronsyre er en treprotisk syre. Sitronsyre og salter av sitronsyre (sitrater) brukes ofte til å lage bufferløsninger. En bufferløsning består av et av disse syre-base-parene: sitronsyre-natriumdihydrogensitrat, natriumdihydrogensitrat-dinatriumhydrogensitrat eller dinatriumhydrogensitrat-sitrat. Bufferen har god kapasitet både mot sur og basisk side. Bruk pKaverdiene i eksamensvedlegget til å løse denne ­oppgaven.

Hva er pH i bufferen?

A. pH = 2,0 B. pH = 4,9 C. pH = 5,6 D. pH = 7,3

Aktiviteter 2.1 Bufferkapasitet En buffer er en løsning som kan tilsettes en begrenset mengde syre eller base uten at pH i løsningen endres vesentlig. Med en indikator kan vi måle pH i bufferen, og med titrering kan vi bestemme bufferens kapasitet. Bufferkapasiteten er antall mol sterk syre eller base som kan tilsettes 1 liter av bufferen før pH i bufferen kommer utenfor bufferområdet.

Problemstilling Hva er bufferkapasiteten for bufferen?

Hvordan blir pH i bufferen påvirket av ­fortynning?

UTSTYR Utstyr for gruppen • buffer med pH = 4,5 *, ca. 25 mL • 0,1 M HCl* • 0,1 M NaOH* • metyloransjeløsning* (omslag 3,2–4,4) • BTB-løsning* (omslag 6,0–7,6) • 2 pH-strimler (pH 0–14) • 1 sprøyte, 10 mL • 2 sprøyter, 1 mL • 4 plastbegre, ca. 30 mL

Fremgangsmåte og observasjoner 1) Sett fire små plastbegre på et hvitt underlag.

Bruk den store sprøyten til å overføre 10 mL buffer til to av begrene og 2 mL buffer + 8 mL vann (bufferen fortynnes 1 : 5) til hvert av de to andre begrene.

2) Mål pH i bufferen og i den fortynnede bufferen. Noter resultatene.

3) Drypp fire dråper BTB-løsning i ett beger med ufortynnet buffer og i ett beger med fortynnet buffer.

Ta natronlut i en 1 mL-sprøyte og titrer den fortynnede bufferen til du får fargeomslag (til blått). Titrer så den ufortynnede bufferen.

Du må fylle sprøyten flere ganger under denne titreringen. Noter titreringsvolumene.

4) Drypp to dråper metyloransjeløsning i hvert av de to siste begrene. Ta saltsyre i den andre 1 mL-sprøyten og titrer den fortynnede bufferen til du får fargeomslag. Titrer så den ufortynnede bufferen. Noter titreringsvolumene.

* Oppskriftene står på side 188–196.

Titrering av buffer tilsatt metyloransje.

2 • Buffere

17

Resultater og spørsmål a) Noter resultatene i tabellen.

10 mL ufortynnet buffer

10 mL fortynnet buffer (2 mL buffer + 8 mL vann, fortynning 1 : 5)

pH mL 0,1 M NaOH brukt mL 0,1 M HCl brukt

b) Hvorfor bruker vi metyloransje som indikator når vi titrerer bufferen med saltsyre, og BTB når vi titrerer med lut? c) Bufferen med pH = 4,5 inneholder både CH3COOH og CH3COO–. Skriv ligninger for reaksjonene som skjer når bufferen tilsettes syre, og når den tilsettes base. d) Forklar hvorfor pH ikke endres når bufferen fortynnes. e) Beregn bufferkapasiteten ved tilsetting av sterk syre og ved tilsetting av sterk base for den ufortynnede bufferen. Gjør tilsvarende for den fortynnede bufferen.

RISIKOVURDERING Egenskaper ved stoffene • 0,1 M HCl, 0,1 M NaOH, metyloransjeløsning, BTB-løsning og buffer med pH = 4,5: Vurdert ikke merkepliktig.

Faremoment ved gjennomføringen Ingen.

Spesielle tiltak Ingen.

Avfallshåndtering Løsninger tømmes i vasken og skylles ned med vann.

18

Svar på oppgaver 1 Forskning i kjemi

1.3 Feilaktig bruk av kjemi i forklaringsmodeller

1.1 Forskning 1.3.1 a) Se side 15–16 i grunnboken. b) –

1.1.1 1-d, 2-b, 3-a, 4-c 1.1.2

2 Buffere

1 N A T U R L O V 2 3 4

F A G F K

I

L D E K R F O R

S

K E

I

F

5

F A L

6

I M M U N E

7

S

I

H Y P O T E

S

I

E

L

L

E R

T

I

K K

S

E R E

E

1.2 Etisk forsvarlig forskning 1.2.1 1. hypotese 2. røvertidsskrift 3. etikk 4. refusert 5. jukse 6. oppdragsforskning 7. observasjon 1.2.3 b 1.2.4 Dilemma 1: Det kan hende at oppdragsgiveren ikke vil publisere forskningsresultater som går imot det oppdragsgiveren hadde håpet å finne.

Dilemma 2: Oppdragsforskning styrer forskningen i bestemte retninger, mens man ved fri forsk­ ning kanskje kunne ha gjort nye funn på andre områder.

Repetisjon fra kjemi 1 2.0.1 a) Tilnærmet 100 % av syrepartiklene har avgitt H+ til vannmolekyler.

HNO3(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + NO3−(aq) b) H3O+, oksoniumion. H3O+ blir ofte forkortet til H+. c) Bare en liten del av syrepartiklene har avgitt H+ til vannmolekyler.

HF(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + F−(aq) 2.0.2 a) Fordi det er protoner som overføres. b) H+-ioner.

2.0.3 -id: a og d -itt: e -at: b, c og f 2.0.4 Syrer: a, b, d og e Baser: c og f a) Salpetersyre b) Salpetersyrling c) Ammoniakk d) Hydrogensulfation e) Etansyre (eddiksyre) f) Kaliumhydroksid 2.0.5 a) 1) 88,96 g/mol 2) 286,2 g/mol b) 1) 0,0112 mol 2) 3,49 · 10−3 mol Svar på oppgaver

197

2.0.6 a) 0,2 mol Ca2+ og 0,4 mol Cl−. b) I løsningen vi skal lage, skal det være 0,05 mol CaCl2. Vi tar derfor ut 0,05 mol/0,2 mol/L = 0,25 L = 250 mL og fortynner med vann til 500 mL. c) 55 g.

2.0.7 a) At det kan fungere både som syre og base. b) Likevekten hvor vannmolekyler reagerer med hverandre og gir samme antall oksoniumioner som hydroksidioner. c) Kw er lik produktet av konsentrasjonen av ionene fra protolysen av vann ved 25 oC. Kw = [H3O+] ∙ [OH–] = 1,0 · 10−14 (mol/L)2 2.0.8 a) [H3O+] = Kw / [OH–]. b) Nei, det stemmer ikke. Alle vannløsninger inneholder både H3O+-ioner og OH−-ioner, men her er [H3O+] >> [OH–]. c) I rent vann er [OH−] = 1,0 · 10–7 mol/L. Ved å tilsette OH−-ioner til vannet (som KOH) blir [OH–] > 1,0 · 10–7 mol/L. 2.0.9 a) 2,0 b) 8,2 c) 11,0 d) 12,4

2.0.15 a) At den kan avgi mer enn ett H+ per formel­ enhet. b) Ka1 > Ka2 fordi det første H+ avgis mye lettere enn det neste. Det skal mindre energi til for å fjerne H+ fra et nøytralt molekyl enn fra et negativt ion. c) Det er gjerne flere tierpotenser i forskjell mellom Ka1 og Ka2. Vi kan derfor se bort fra [H3O+] som dannes i andre protolysetrinn.

2.0.16 a) Vi avgjør først om syren er sterk eller svak.

Når syren er en sterk enprotisk syre, vet vi at [H3O+] er lik syrens konsentrasjon. Derfor kan vi fort regne ut at pH = −log [H3O+]. Når syren er svak, må vi slå opp i en tabell og finne syrekonstanten og så lage en oversikt over konsentrasjonen før protolyse og ved likevekt for å regne ut [H3O+]. Deretter kan vi regne ut pH i løsningen. b) pH = 0,0 i saltsyren, og pH = 2,4 i eddiksyren.

2.0.10 a) 8 · 10–6 mol/L, 1 · 10–9 mol/L b) 3 · 10–12 mol/L, 3 · 10–3 mol/L c) 0,1 mol/L, 1 · 10–13 mol/L d) 2 · 10−5 mol/L, 5 · 10–10 mol/L

2.0.17 a) [H3O+] = 4,2 · 10–4 mol/L, pH =3,4 (Ka = 1,8 · 10–5 mol/L) b) [H3O+] = 1,8 · 10–5 mol/L, pH = 4,8 (Ka = 6,2 · 10–10 mol/L) c) [H3O+] = 7,2 · 10−3 mol/L, pH = 2,1 (Ka = 5,6 · 10–4 mol/L)

2.0.11 C

2.0.18 C

2.0.12 a) −0,3 b) 1,0 c) 13,3 d) 13,0

2.0.19 a) AgCl(s) ⇌ Ag+(aq) + Cl–(aq).

Cl–(aq) er den korresponderende basen til en sterk syre. Det er ingen endring i løselighet med endring i pH.

2.0.13 a) Cl− b) HSO4− c) SO42− d) OH− e) H2O f) NH3

198

2.0.14 a) H2PO4− b) HCO3− c) H3O+ d) NH4+ e) H2O f) HSO3−

b) CaCO3(s) ⇌ Ca2+(aq) + CO32–(aq).

CO32– reagerer med syre: CO32–(aq) + 2H3O+(aq) → CO2(g) + 3H2O(l), og løseligheten øker i en sur løsning. c) Fe(OH)2(s) ⇌ Fe2+(aq) + 2OH–(aq).

Hydroksidioner reagerer med H3O+, og løseligheten øker i en sur løsning.

2.2 Bufferligning og pH-beregninger 2.2.1 a) pH = 3,75

b) pH = 4,35

2.2.2 a) pH = 7,21 b) pH = 9,25

c) pH = 12,32 d) pH = 4,74

2.0.20 A: Vi har ennå ikke tilsatt natronlut, og [HA] >> [A–].

B: Vi er ved halvtitrerpunktet, og [HA] = [A–].

C: Vi er ved ekvivalenspunktet, og [HA] << [A–].

D: Vi er noen pH-enheter over ekvivalenspunktet, og [HA] << [A–].

2.2.3 a) pH = 9,07 (pKa = 9,25) b) pH = 4,92 (pKa = 4,74) c) pH = 9,18 (pKa = 9,25) d) pH = 4,62 (pKa = 4,74)

2.0.21 a) C b) Sterk syre titrert med svak base

2.2.4 a) H2PO4− og HPO42−, pKa = 7,21 b) HCO3− og CO32−, pKa = 10,33 c) C6H5COOH og C6H5COO−, pKa = 4,20 d) CH3COOH og CH3COO−, pKa = 4,74

2.1 Hva er en buffer?

2.1.1 a) Ved tilsetting av sterk syre: CH3COO−(aq) + H3O+(aq) → CH3COOH(aq) + H2O(l).

Ved tilsetting av sterk base: CH3COOH(aq) + OH−(aq) → CH3COO−(aq) + H2O(l). b) Ved tilsetting av sterk syre: NH3(aq) + H3O+(aq) → NH4+(aq) + H2O(l).

Ved tilsetting av sterk base: NH4+(aq) + OH−(aq) → NH3(aq) + H2O(l).

2.1.2 C

2.1.3 En bufferløsning består av en sur og en basisk komponent. Disse utgjør et syre-base-par der både syren og basen er svake. I en buffer endres pH lite når det tilsettes små mengder sterk syre eller base.

2.2.5 a) 12,32 b) PO43– c) Kb = Kw/Ka = 2,1 · 10–2 mol/L, og pKb = 1,68 2.2.6 a) Sur komponent: CH3COOH. Basisk komponent: CH3COO–. b) pH = 4,65 c) 1) pH = 4,65 2) 20 mL 0,50 M HCl gir en stoffmengde på 0,020 L · 0,50 mol/L = 0,010 mol. Det øker stoffmengden sur komponent fra 0,55 mol til 0,56 mol og reduserer stoffmengden basisk komponent fra 0,45 mol til 0,44 mol. pH = 4,64.

3) 0,050 mol NaOH minker stoffmengden sur komponent fra 0,55 mol til 0,50 mol og øker stoffmengden basisk komponent fra 0,45 mol til 0,50 mol. Da er pH = pKa = 4,74 fordi konsentrasjonen av sur komponent = konsentrasjonen av basisk komponent.

Svar på oppgaver

199

2.2.7 a) pH = 9,47 b) pH = 9,38 c) pH = 9,52 2.2.8 [laktat] > [melkesyre] 2.2.9 C 2.2.10 A

2.3 Bufferområde og bufferkapasitet 2.3.1 Når pH = pKa, er det like mye sur komponent som basisk komponent i løsningen, og bufferen har like stor bufferkapasitet ved tilsetting av sterk syre og base.

2.3.2 a) [ClO−] : [HClO] = 1 : 10. b) Løsningen er en buffer siden den inneholder et svakt syre-base-par og pH er innenfor bufferområdet. Ved tilsetting av syre vil bufferen sprenges med en gang siden pH = pKa – 1.

2.3.3 a) pH = 2,83. b) Ved moderate fortynninger endres ikke forholdet mellom konsentrasjonen av basisk og sur komponent, så pH = 2,83. c) Nei, bufferen blir ikke sprengt. Etter tilsettingen er pH = 2,53, som er innenfor bufferområdet til sitronsyre-dihydrogensitrat-bufferen.

200

2.3.4 a) pKa for metansyre er 3,75, så bufferområdet er fra pH = 2,75 til pH = 4,75. b) Nei, etter tilsetting av 0,5 g NaOH er pH = 3,74. c) Bufferkapasiteten er 0,14 mol sterk syre.

2.3.5 B, for da er [CH3COOH] = [CH3COO–].

2.3.6 Riktige svar: b) Høy konsentrasjon av hver av de to bufferkomponentene gir større bufferkapasitet enn lav konsentrasjon. d) Forholdet mellom sur og basisk komponent avgjør om bufferen har best bufferkapasitet ved tilsetting av sterk syre eller sterk base. I en ideell buffer er konsentrasjonen av sur og basisk komponent lik, og bufferen har like god kapasitet begge veier.

2.3.7 a) Nei, det er pH i løsningen som forteller oss om det er høyest konsentrasjon av H3O+-ioner eller OH–-ioner. b) Ja, det stemmer. Hvis pKa for den sure komponenten er større enn 7,1, er ikke løsningen en buffer ved pH = 6,1.

2.3.8 C 2.3.9 pKa for den sure komponenten (H2PO4−) er 7,21.

Siden pH er lavere enn pKa, har bufferen størst kapasitet til å motstå base.

2.3.10 Vi vil få høyest bufferkapasitet ved å løse 2 mol NaCH3COO(s) i 1 L av 1,0 mol/L HCl(aq) og ta ut 1 L av denne løsningen. Da vil konsentra­ sjonen av hver bufferkomponent være litt i underkant av 1 mol/L.

2.3.11 a) CH2OH−CH(OH)−CH(NH3+)−CH2OH, CH2OH−CH(OH)−CH(NH3+Cl−)−CH2OH (kan også skrives CH2OH−CH(OH)− CH(NH3Cl)−CH2OH b) Ka = Kw/Kb = 7,9 ·10−9 mol/L, pKa = 8,10 7,6 = 8,10 + log (0,10/[syre]) [syre] = 0,32 mol/L [CH2OH−CH(OH)−CH(NH3+)−CH2OH] er 0,32 mol/L. c) 1) pKa = 8,10, løsningen vil bufre mot en syre inntil pH = 7,10. Stoffmengde tilsatt syre = x.

7,1=8,1+log

[base] [syre]

(antall

mol base)/(antall mol syre) = 1/10 (0,10 – x)/(0,32 + x) = 1/10 x = 0,062 Bufferkapasiteten mot syre er 0,062 mol sterk syre.

2) Antall mol tilsatt base = x (til pH = 9,10) (0,10 + x)/(0,32 – x) = 10/1 x = 0,28 Bufferkapasiteten mot base er 0,28 mol sterk base.

2.4 Tillaging av buffere 2.4.1 a) 1) Nei. 2) Ja, HCN er en svak syre, og CN– er den ­korresponderende basen.

3) Ja, CH3COOH er en svak syre, og CH3COO– er den korresponderende basen. b) Det er for lite CH3COO– i forhold til CH3COOH.

2.4.3 HF(g) og NaF(s) er lettløselige i vann, men det er ikke CaF2(s).

2.4.4 A 2.4.5 NH4+ med pKa = 9,25 er godt egnet som sur komponent. For at pH skal være 9,00, må forholdet mellom konsentrasjonen av basisk og sur komponent være 10-0,25 = 0,56. Bufferen kan lages ved å løse 1,0 mol (53,5 g) NH4Cl(s) i 560 mL 1,0 mol/L NH3(aq) og etterfylle med vann til 1000 mL. Da er konsentrasjonen av sur komponent 1,0 mol/L og konsentrasjonen av basisk komponent 0,56 mol/L. 2.4.6 B 2.4.7 C 2.4.8 Bufferen skal ha pH = 7,2 = pKa(H2PO4–) og skal derfor ha lik konsentrasjon av H2PO4– og HPO42–.

Det er 0,20 mol H3PO4 i løsningen vi skal bruke til å lage bufferen. Hvis vi tilsetter 0,30 mol NaOH, vil 0,20 mol OH– reagere med H3PO4 og danne 0,20 mol H2PO4–. De gjenværende 0,10 mol OH– vil reagere med 0,10 mol H2PO4– og danne 0,10 mol HPO42–. I den ferdige bufferen har både den sure og den basiske komponenten en konsentrasjon på 0,1 mol/L. Vi må tilsette 0,30 mol · 40 g/mol = 12 g NaOH.

2.4.2 D

Svar på oppgaver

201

2.5 Naturlige buffere i vann 2.5.1 a) Rent vann mettet med CO2-gass har pH = 5,7 på grunn av karbonsyre; CO2(g) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq) som protolyserer i vann; H2CO3(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + HCO3−(aq).

Lav pH i regnvann kan også skyldes andre stoffer, som NO2(g) og SO2(g), som gir salpetersyre og svovelsyre. b) Kalkrik grunn inneholder kalkstein (CaCO3), som løst i vann gir CO32−-ioner som nøytraliserer karbonsyren slik at pH øker. c) Alkaliniteten til vann er et mål på vannets innhold av negative ioner med baseegenskaper. Vannets alkalinitet kan bestemmes ved å måle den mengden syre som gjør at pH synker under en gitt pH-verdi, vanligvis den laveste pH-verdien i bufferområdet. d) 1) Nedbrytningsprodukter kan forsure vannet og gi fiskedød. 2) Nedbrytningsprodukter kan forsure vannet og føre til tæring på ledningsnettet og vannlekkasjer. e) 1) Man kan tilsette tabletter som inneholder løselige salter av HCO3− og CO32−. 2) Man kan behandle vann med kalkstein og karbondioksid.

2.5.2 a) 1) Karbonat (CO32−) gir basisk løsning i vann: CO32−(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3−(aq) + OH− (aq), der OH−-ionene gir basisk løsning.

2) CO32−(aq) + H3O+(aq) ⇌ HCO3−(aq) + H2O(l) og HCO3−(aq) + H3O+(aq) ⇌ H2CO3(aq) + H2O(l) og H2CO3(aq) ⇌ CO2(g) + H2O(l) b) Karbonat og hydrogenkarbonat er et syrebase-par der karbonatet er den basiske komponenten i bufferen og hydrogenkarbonat er den sure komponenten i bufferen. Hvis for­ holdet mellom konsentrasjonene til de to komponentene er mellom 0,1 og 10, vil løsningen være en buffer.

202

2.5.3 a) I disse punktene på kurven: 1) pH ≈ 10, 2) pH ≈ 6,5, 3) pH≈ 8, 4) pH ≈ 4 b) Områdene pH = 10 ± 1 og pH = 6,5 ± 1 c) HCO3−(aq) + H3O+(aq, tilsatt) → H2CO3(aq) + H2O(l).

H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l) 2.5.4 2 mmol/L

2.5.5 Protolyselikevekten for hydrogenkarbonat ved tilsetting av syre: HCO3−(aq) + H3O+(aq, tilsatt) ⇌ H2CO3(aq) + H2O(l). Karbonsyren som dannes, er ustabil og spaltes til karbondioksidgass og vann: H2CO3(aq) ⇌ CO2(g) + 2H2O(l).

Protolyselikevekten ved tilsetting av base: HCO3−(aq) + OH−(aq, tilsatt) ⇌ CO32−(aq) + H2O(l).

Protolyselikevekten for hydrogenfosfat ved til­ setting av syre: HPO42−(aq) + H3O+(aq, tilsatt) ⇌ H2PO4− (aq) + H2O(l). Protolyselikevekten ved tilsetting av base: HPO42−(aq) + OH−(aq, tilsatt) ⇌ PO43− (aq) + H2O(l).

2.6 Øve til prøve 2.6.1 A 2.6.2 Melkesyre (pKa = 3,86) 2.6.3 a) Sur komponent: HCOOH, Basisk komponent: HCOO−. b) pH = 3,93 (metansyre har pKa = 3,75). c) pH = 3,92. d) pH = 3,97.

2.6.4 a) Ammonium-ammoniakk-buffer. b) Bufferområdet er fra pH = 8,25 til pH = 10,25. c) Bufferkapasiteten er 0,21 mol sterk syre. d) Bufferkapasiteten er 0,12 mol sterk base.