Ενθαλπία Εξουδετέρωσης

Η αντίδραση μεταξύ ενός ισχυρού/ασθενούς οξέος και μιας άλλης ισχυρής/ασθενούς βάσης για να σχηματιστεί αλάτι και νερό ονομάζεται αντίδραση εξουδετέρωσης.

Οξύ + Βάση → Αλάτι + Νερό

Για παράδειγμα,

HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H2O (l)

Η αντίδραση ελευθερώνει θερμότητα για να σχηματίσει H2O σε υγρή κατάσταση. Ως εκ τούτου, είναι μια εξώθερμη αντίδραση. Η ενθαλπία που σχετίζεται με οποιαδήποτε αντίδραση ονομάζεται ενθαλπία αντίδρασης. Έτσι, η ενθαλπία της εξουδετέρωσης είναι η θερμότητα που απελευθερώνεται όταν τα οξέα αντιδρούν με τις βάσεις για να σχηματίσουν αλάτι και νερό. Η μονάδα SI είναι kJ.

Δεδομένου ότι το νερό (H2O) είναι το σταθερό υποπροϊόν σε οποιαδήποτε δεδομένη αντίδραση οξέος-βάσης, η θερμότητα εξουδετέρωσης προσδιορίζεται σε κάθε γραμμομόριο νερού. Η θερμότητα που απελευθερώνεται για την παραγωγή κάθε mole νερού σε μια αντίδραση εξουδετέρωσης ονομάζεται Μοριακή Ενθαλπία Εξουδετέρωσης. Η μονάδα SI είναι kJ mol-1

Μέτρηση ενθαλπίας εξουδετέρωσης

Η θερμότητα της εξουδετέρωσης μπορεί να μετρηθεί πειραματικά χρησιμοποιώντας ένα θερμιδόμετρο.

Οι μετρήσεις της ενθαλπίας πραγματοποιούνται σε δύο διαφορετικές συνθήκες: 

• Σε σταθερό όγκο (σε αυτήν την περίπτωση, η ενθαλπία της αντίδρασης ισούται με την αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια)

Τα αντιδραστήρια τοποθετούνται μέσα στο εσωτερικό δοχείο και όταν λάβει χώρα η εξουδετέρωση, η θερμότητα που απελευθερώνεται απορροφάται από το περιβάλλον νερό. Επομένως, υπολογίζοντας τη θερμότητα που αποκτά το νερό από την άνοδο της θερμοκρασίας του, μπορούμε να γνωρίζουμε την ενθαλπία της εξουδετέρωσης.

Οι θερμοχωρητικότητες του δοχείου θερμιδομέτρησης και του νερού είναι γνωστές. Η συνολική θερμική χωρητικότητα του συστήματος είναι

C =C cal + C w.

Η άνοδος της θερμοκρασίας για το θερμιδόμετρο και το νερό θα είναι ίδια, ΔT.

Η θερμότητα που λαμβάνεται από το θερμιδόμετρο θα είναι το γινόμενο της συνολικής θερμοχωρητικότητας και της διαφοράς θερμοκρασίας.

Q =C. ΔT

Q =(C cal + C w) ΔT

Ενθαλπία εξουδετέρωσης =– Q

• Σε σταθερή πίεση

Όταν η εξουδετέρωση πραγματοποιείται σε ατμοσφαιρική πίεση, το θερμόμετρο μετρά την άνοδο της θερμοκρασίας, όπως φαίνεται στην εικόνα.

Σε αυτήν την περίπτωση, η μεταβολή της ενθαλπίας μπορεί να υπολογιστεί ως:

ΔH =∑ ενθαλπίες προϊόντων – ∑ ενθαλπίες αντιδρώντων

Παράγοντες που επηρεάζουν την ενθαλπία της εξουδετέρωσης

Η τιμή της ενθαλπίας της εξουδετέρωσης εξαρτάται από την ισχύ των αντιδρώντων οξέων και βάσεων σε μια συγκεκριμένη αντίδραση.

Εάν τα αντιδρώντα είναι ισχυρά οξέα/βάσεις, λαμβάνει χώρα πλήρης διάσπαση των μορίων. Αλλά στην περίπτωση ενός ασθενούς οξέος ή μιας ασθενούς βάσης, μέρος της θερμότητας που απελευθερώνεται χρησιμοποιείται για να σπάσει τους μοριακούς δεσμούς. Ως εκ τούτου, η απόλυτη τιμή της ενθαλπίας μειώνεται με την ισχύ των οξέων και των βάσεων. Αυτό μπορεί να απεικονιστεί στον παρακάτω πίνακα.

Η θερμότητα εξουδετέρωσης μεταξύ διαφορετικών οξέων και αλκαλίων

Οξύ	Αλκάλι	Θερμότητα εξουδετέρωσης
HNO3	NaOH	57.3
1/2H2SO4	NaOH	57.3
HCI	KOH	57.3
HNO3	KOH	57.3
HNO3	1/2Ca(OH)2	57.3
H2S	NaOH	16.0
HCN	NaOH	12.0
HCI	NH3	51,5
CH3COOH	NaOH	55,0

Η διάσταση οξέων και βάσεων μπορεί να γίνει κατανοητή χρησιμοποιώντας τη θεωρία των οξέων και βάσεων Arrhenius, Brönsted-Lowry και Lewis.

Ο Arrhenius δήλωσε ότι τα οξέα είναι ουσίες που διασπώνται στο νερό για να παράγουν ιόντα υδρογόνου (Η+), και οι βάσεις είναι εκείνες οι ουσίες που διασπώνται για να παράγουν ιόντα υδροξυλίου (ΟΗ-). Ωστόσο, αυτή η θεωρία περιορίζεται σε υδατικά διαλύματα και δεν εξετάζει τη βασικότητα ουσιών, όπως η αμμωνία NH3, που δεν διαθέτουν υδροξυλομάδα.

Ωστόσο, αυτή η θεωρία είναι χρήσιμη για την κατανόηση της διάστασης των ιοντικών ενώσεων των οποίων ο ιονισμός συμβαίνει κυρίως σε υδατικά μέσα. Για παράδειγμα, οξέα όπως το υδροχλωρικό οξύ (HCl), το υπερχλωρικό οξύ (HClO4), το υδροβρωμικό οξύ (HBr), το νιτρικό οξύ (HNO3) και το θειικό οξύ (H2SO4) ονομάζονται ισχυρά οξέα επειδή διασπώνται πλήρως στα συστατικά τους ιόντα σε ένα υδατικό μεσαίο.

Ομοίως, ισχυρές βάσεις όπως το υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca (OH)2), το υδροξείδιο του λιθίου (LiOH), το υδροξείδιο του καλίου (KOH) και το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) διασπώνται πλήρως σε ένα υδατικό διάλυμα για να δώσουν ιόντα υδροξυλίου.

Η θεωρία Brönsted-Lowry έδωσε έναν πιο ολοκληρωμένο ορισμό των οξέων και των βάσεων, δηλώνοντας ότι τα οξέα είναι ουσίες που δίνουν υδρογόνο ή ιόντα Η+ και οι βάσεις είναι οι ουσίες που δέχονται υδρογόνο ή ιόντα Η+. Με άλλα λόγια, τα οξέα είναι δότες πρωτονίων και οι βάσεις είναι δέκτες πρωτονίων. Τα ζεύγη οξέων-βάσεων που διαφέρουν μόνο κατά ένα πρωτόνιο ονομάζονται μαζί ως συζευγμένα ζεύγη οξέος-βάσης. Εάν το οξύ Brönsted είναι ισχυρό, η συζευγμένη βάση του θα είναι αδύναμη και το αντίστροφο.

Από τη μία πλευρά, ισχυρά οξέα όπως HClO4, HCl, HNO3 και HBr έχουν ασθενείς βάσεις όπως ClO4-, Cl-, NO3- και Br-. Από την άλλη πλευρά, το νιτρώδες οξύ, το HNO2, το υδροφθορικό οξύ, το HF και το οξικό οξύ, το CH3COOH, είναι αδύναμα οξέα και έχουν ισχυρές συζυγείς βάσεις - NO2-, F- και H- που είναι πολύ καλοί δέκτες πρωτονίων.

Η θεωρία Lewis ορίζει ένα οξύ ως το είδος που δέχεται ηλεκτρόνια και μια βάση ως αυτό που δίνει ένα ζεύγος ηλεκτρονίων, δηλαδή ένα μοναχικό ζεύγος. Π.χ. εάν το BF3 αντιδρά με το NH3, το BF3 δρα ως οξύ παρόλο που δεν έχει πρωτόνιο για δωρεά.

BF3 +:NH3 → BF3:NH3

Είδη με έλλειψη ηλεκτρονίων όπως AlCl3, CO3+, Mg2+ κ.λπ. μπορούν να δράσουν ως οξέα Lewis ενώ είδη όπως H2O, NH3 και OH- κ.λπ., που μπορούν να δωρίσουν ζεύγη ηλεκτρονίων, ενεργούν ως βάσεις Lewis.

Παράγοντες που επηρεάζουν την ισχύ του οξέος

Η έκταση της διάστασης οξέος εξαρτάται κυρίως από την ισχύ και την πολικότητα. Όταν η ισχύς του δεσμού ΗΑ μειώνεται, η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση του δεσμού μειώνεται επίσης, και κατά συνέπεια, το ΗΑ γίνεται ισχυρότερο οξύ. Όταν το ΗΑ γίνεται πιο πολικό, δηλαδή η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των ατόμων Η και Α αυξάνεται, υπάρχει σαφής διαχωρισμός φορτίου και η διάσπαση αυτού του δεσμού γίνεται ευκολότερη.

Καθώς το μέγεθος των στοιχείων αυξάνεται, αυξάνεται και η ισχύς του οξέος.

Το μέγεθος αυξάνεται HF <

Η ηλεκτροαρνητικότητα του Α αυξάνεται:CH4

Συμπέρασμα

Η ενθαλπία της εξουδετέρωσης εξαρτάται από τον βαθμό διάστασης οξέων και βάσεων σε ένα μείγμα αντίδρασης, ο οποίος με τη σειρά του εξαρτάται από τη δύναμή τους.

Η θεωρία Arrhenius εξηγεί τη διάσταση των ιοντικών ενώσεων, ενώ η θεωρία Brönsted-Lowry εξηγεί τη διάσταση ασθενών οξέων και βάσεων. Ο βαθμός διάστασης ενός οξέος εξαρτάται από την ισχύ και την πολικότητα του. Η οξύτητα αυξάνεται με την αύξηση του μεγέθους και της ηλεκτραρνητικότητας των ατόμων.