Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (28/43) · 10:51

Pufry, zabijáci kyselých dešťů V této epizodě nám Hank vysvětlí, co jsou to pufry, jak je připravit a jak fungují. Ukážeme si praktické příklady pufrování v přirodě pomocí hydrogenuhličitanů v řekách. Taky si ukážeme cool experiment ve formě titrace pufrovaného roztoku za přítomnosti barevných indikátorů.

Když jsme poprvé mluvili o acidobazických reakcích, viděli jsme, jak může kyselý déšť rozpustit obličej sochy. Což je lepší, než kdyby rozpustil obličej vám. Máte štěstí, protože to některé kyseliny umí. Kyselý déšť se tvoří uvolňováním oxidu siřičitého při pálení fosilních paliv, který reaguje s kyslíkem a vodní parou za vzniku kyseliny sírové. V 80. a 90. letech byl kyselý déšť nejvíce rozšířen a ničil panenské prameny po celé Evropě a Severní Americe. Z některých řek úplně vymizely ryby a řasy. U nás v Montaně řádil kyselý déšť také, čehož je ta socha důkazem, ale zdejší řeky překvapivě netrpěly tolik jako v jiných místech. Právě stojím v řece Clark Fork, která kyselým deštěm zdá se poškozena nebyla. I přesto, že do ní pršela voda o pH 4,5, řeka zůstala zásaditá. Toto kapátko je plné zředěné kyseliny sírové a poslouží nám jako model pro kyselý déšť. A toto je destilovaná voda s pH indikátorem, který ji při neutrálním až zásaditým pH barví do modra a při kyselosti ji zbarví do růžova. Teď si ukážeme, kolik kyseliny potřebujeme, aby se pH změnilo na kyselé. Jednou tam kápnu...No páni, už to zrůžovělo! A jen po jedné kapce. Teď to zkusím s vodou z řeky. Kolik kapek asi budu potřebov...Prostě to tam liju... Už? Barví se to už? Je to tak napůl. Pomalu se to barví po takových pěti, šesti nebo sedmi kapkách. To je mnohem víc a ani to ještě není kyselé. Ještě trochu, ještě trochu, no tak... A jsme tam! Teď je to kyselé. A proč je to tak? Protože tato řeka je chráněna vápencem. Což znamená, že v celé řece se nachází uhličitan vápenatý. Kyselý déšť rozpustí uhličitan vápenatý ve vápenci, který se uvolní do řeky a chová se jako přirozený pufr. Pufr odolává změnám pH, když do něj přidáme silnou kyselinu nebo zásadu. A tak geochemie Clark Fork vysvětluje, proč tady není kyselý déšť tak pustošivý, jako například v Adirondackém pohoří v New Yorku, kde není žádný vápenec. Pufry jsou významnou kapitolou chemie. Dáváme je do bazénů, aby chemikálie neškodily pokožku a v sodovkách chrání naše zuby před působením kyselých příchutí. Dokonce máme pufr i v krvi, abychom měli konstantní vnitřní pH a byli zdraví. Myslím, že je celkem důležité naučit se o něčem tak zásadním, nemyslíte? Pufrový roztok je směs slabé kyseliny a její konjugované zásady, nebo slabé zásady a její konjugované kyseliny. Říká se jim konjugované páry. Když mluvíme o kyselinách a zásadách jako slabých, znamená to, že se rozpouštějí pouze z části. A právě jejich slabost je dělá výbornými pufry. Nerozpuštěné pufry mohou posloužit jako zdroj nebo odvod protonů. Tím neutralizují silnou kyselinu či zásadu přidanou do roztoku. Vše je o rovnováze. Když přidáme do vody slabou kyselinu, třeba kyselinu octovou, malá část se rozpustí na ionty octanové a vodíkové nebo protony. Nedávno jsem takovýmto roztokem poléval svou rybu s hranolkami. Ocet je totiž pětiprocentní roztok kyseliny octové. Ale tato reakce je vratná, čímž přichází na řadu chemická rovnováha. Mějme jednomolární roztok kyseliny octové. Pro výrobu pufru, musíme zvýšit koncentraci konjugované zásady od kyseliny octové, octanu, přidáním nejlépe octanu sodného. Octan sodný se úplně rozpustí, a tím pádem dodá spoustu octanových iontů. Abychom si to vyzkoušeli, přidáme dostatek soli na jednomolární roztok. Víme, kolik máme přidat kyseliny i octanu, ale nejdůležitější je znát pH. Abychom jej určili, musíme vědět, kolik máme protonů. K tomu nám pomůže pomocná tabulka "RICE" (anglicky rýže). Reakce "R", o kterou nám jde, je disociace kyseliny octové. Sodík v octanu sodném můžeme ignorovat, bude se však v roztoku nacházet, ale pouze jako pozorovatel, ne účastník reakce. Náš roztok obsahuje iniciační koncentraci "I" 1M kyseliny a 1M octanu. Ještě jsme nevytvořili vodíkové ionty, ty tudíž zatím setrvávají na nule. Nevíme, jak velká bude změna (change) koncentrace "C", tudíž ji nazveme "x". Kyselina příjde o "x" a oba ionty naopak "x" získají. Pokud je naše koncentrace v rovnováze "E", máme jedno minus x a dvakrát plus x Teď jen dosadíme do vzorce rovnovážné konstanty: Keq se rovná 1,76 krát 10 na -5 Ale když pracují chemici s rovnicemi rozpustnosti pro kyseliny a zásady, nazývají rovnovážnou konstantu Keq jinak: disociační konstanta kyselin (nebo zásad) Symbol pro takovouto konstantu je Ka pro kyseliny a Kb pro zásady. Použijte tedy vzorec rovnovážné konstanty kyseliny octové a dosaďte Ka a rovnovážné koncentace podle zkratky RICE. A s trochou jednoduché algebry to zjedn... zjednodušíte? To nevypadá moc jednoduše. Možná to je zjednodušení, ale fuj...to je kvadratická rovnice, to se mi nechce. Takže existuje malý trik, jak to udělat o dost snazší. Ona kyselina octová je velmi slabá kyselina. Tím pádem se rozpustí pouze malá část. Což znamená, že "x" je hodně malé. Dokonce tak malé, že po zaokrouhlení to vůbec nezmění výsledek. Tak proč ho zkrátka nevypustit? První "x" má vetší důsledek, protože je znásobeno, ale co ty zbylé dvě? Zapomeňme tedy, že tam byla a podívejme se, co se stane. Když se vrátíme k rovnici a vypustíme ty dvě "x", která přičítáme a odečítáme, Zbytek se nám pokrátí a zbyde nám "x" rovná se 1,76 krát 10 na -5. Teď už stačí pár kliků na kalkulačce a zjistíme, že pH je rovno 4,754. Ale co se stane, když zkusíme vytlačit pH z rovnováhy? Pufry tomu mají odolávát, ne? Pokud přidám silnou kyselinu, jako například kyselinu chlorovodíkovou o koncentraci 0,1 molů na litr do destilované vody, pH rychle klesne. Teď máme pH 3, to není moc dobré prostředí pro většinu organismů. Teď se podívejme co by se stalo, kdyby byl v roztoku pufr. I přesto, že se HCl zcela rozpustí a uvolní spousty vodíkových iontů, pokud ji přidáme do pufrového roztoku s octanem, přebytek vodíkových iontů se sloučí s octanovýmy ionty a vytvoří kyselinu octovou. Tudíž silná kyselina moc neovlivní pH, protože přebytečné H⁺ jsou zužitkovány. Na neutralizaci 0,01M HCl, se koncentrace octanu musí snížit o 0,01 molů na litr. A zároveň se zvýší koncentrace kyseliny octové o 0,01 mol na litr. Pak tam zůstane 0,99 molární octan a 1,01 molární kyselina octová. A pH se určuje jako koncentrace protonů, která se nachází v rovnici rovnovážné konstanty, tak si ji zkrátka vyřešíme. Když dosadíte nové koncentrace pro kyselinu octovou a octan a Ka, dostanete 1,80 krát 10 na -5 molů na litr pro koncentraci protonů. Což znamená pH 4,746, a to není moc velká změna od 4,754. Dokonce jsem musel vzít v potaz až čtvrtou cifru, abych zaznamenal nějakou změnu. To nemá žádný smysl, pokud jste viděli naše video o platných cifrách. Ale musím přiznat, že ocet a kyselina chlorovodíková sice věci zjednodušují, ale v rámci chemické praxe nejsou příliš významné. Místo toho vám chci ukázat jak se věci mají v tom skutečném světě. Pojďme se tedy podívat na pufrový systém řeky Clarc Fork. Reakce mezi rozpuštěným vápencem a kyselým deštěm se děje ve třech krocích. Zaprvé reaguje pevný CaCO₃ s protony z kyselého deště za vzniku Ca²⁺ a HCO₃⁻ iontů. Hydrogenuhličitanové ionty mají každý po jednom vodíku. HCO₃⁻ mohou získat druhý proton a stát se neutrálně nabitou H₂CO₃. Jak vidíte, tato řetězová reakce využívá dva protony na molekulu CaCO₃. Což činí tento proces dvakrát silnější. A to vysvětluje, proč je řeka Clark Fork tak odolná vůči okyselení. Ale samozřejmě, pufry nejsou všemocné. Když přidáte dostatek kyseliny či zásady, přemůžete i ty nejlepší pufrové roztoky. Tomuto se říká pufrační kapacita β. Tu určujeme v laboratoři pomocí pH indikátorů procesem zvaným titrace. Dříve jsem použil pH indikátor, který se při kyselém pH zbarví roztok do růžova. Ale existuje spousta různých indikátorů s různými barvami, které značí různé pH. Toto se nazývá funkční oblast indikátoru. Tady máme 100 ml vody z řeky, do které jsem přidal pH indikátor. Ve skutečnosti jde o mix dvou indikátorů: bromkresolová zeleň a methylčerveň. Při téhle reakci dobře spolupracují. Zůstane to modré dokud hydrogen- uhličitanové ionty pufrují roztok nad pH 4, tedy mimo funkční oblast indikátoru. Tahle dlouhá věc je byreta. Slouží k velmi přesnému měření objemů. Teď obsahuje přesně 25 ml 0,10 molárního roztoku kyseliny sírové. Provádí se to tak, že pomalu přilévám kyselinu za stálého míchání. To za mě dělá tahle automatická míchačka, což se mi docela zamlouvá. A dá se to dělat několika způsoby. Pokud víte, kolik budete zhruba potřebovat, můžete to pustit a nechat vytéct, ale to já nevím, takže to nechám odkapávat. Velice pomalu. Můžete to otevřít jen velice málo a nechat to hodně pomalu odkapávat a sledovat, jestli probíhají nějaké změny. A už se něco děje ale hned se to změní zpátky, takže už se blížíme. A teď přidávám po půlkapkách. Když velmi rychle otevírám a zavírám tu byretu. Dokonce pozoruji, jak mi ta reakce probíhá přímo před očima, ale hned se vrací zpět. Teď je to napínavé, protože je to slaběji modré než předtím. To znamená, že se blížíme k cíli. Takovéto věci mě baví. Jsem nerd, já vím. Aaaa...teď je to skoro bílé, teď narůžovělé dofialova. Krása! Roztok už zůstává růžový, což znamená, že jsem překročil jeho pufrační kapacitu a pH se dostalo do funkční oblasti indikátoru. Objem v pipetě je 22,4 ml. To znamená, že jsem spotřeboval 2,6 ml kyselého roztoku. Kyselý roztok má koncentraci 0,01 molů na litr. Takže když tyto čísla vynásobím, dozvím se, že jsem použil 0,00026 molů H₂SO₄. Kyselina sírová reaguje s uhličitanem vápenatým v poměru 1:1, tudíž za předpokladu, že jediný pufr v řece je uhličitan vápenatý, 100 ml vody z řeky musí obsahovat 0,00026 molů uhličitanu vápenatého. Což znamená 0,0026 molární nebo 2,6 milimolární roztok. Fandím ochraně životního prostředí, ale občas se příroda ochrání sama. Žijeme v úžasném světě a za nic na světě bych ho nevyměnil. Ani za Mars.
video