Academic Science Chemistry - Acids and Bases

SNC2D Grade 10 Academic Science Chemistry – Acidsand Bases Identifying Acids and Bases ● acids and bases are 2 particular type s of compounds ● many of the substances you encounter each day can be classified either as acid/base ● acids include edible acids (citrus fruits and their citrus acid), vinegar, fermentation offruit juices to make wine ● bases include the making of soap, other household cleaning products, baking soda ● some acids and bases are safe to eat, while others are deadly and highly corrosive ACIDS ● an acid is a compound that produces hydrogen ions (H+(aq)) when dissolved in water ● some acids are safe to eat (citric acid, acetic acid in vinegar), while others aren’t ● many acids are corrosive and will react with metals ● aqueous solutions of acids conduct electricity current, because of the ions present in thesolution ● when an acid dissolves in water, it reacts with water to form ions (in a process calledionization) ○ ex: when hydrogen chloride is bubbled through and dissolved in water toform ions, the hydrogen ions and chloride ions separate ■ HCl(aq)  H+(aq) + Cl–  ● acids in nature: ○ whip scorpion sprays a mist of acetic acid from rear of abdomen in self-defense ○ limestone   caves   occur   when   CO2   dissolves   in   rainwater   to   formcarbonic acid, making the rain acidic; acidic water reacts with limestone,slowly   dissolving   it,   and   eventually,   the   rain   caves   large   caverns   inregions that have thick layers of limestone ○ hydrangea flowers produce different color flowers based on acidity ofsoil ○ when you are bitten by an ant or brush against tiny hairs on a stingingnettle plant, you feel a stinging pain which is the formic acid (the aciddissolves the ends of the nerves in your skin, causing pain)   NAMING ACIDS ● binary acids are composed of 2 elements—hydrogen and a nonmetal ○ ex: when hydrogen chloride is dissolved in water, a binary acid HCl(aq)is formed ○ to name a binary acid according to the classical method 1. write the root of the non-metal name 2. add the prefix “hydro-“ to the root name 3. add the ending “-ic acid” to the root name

Formula Classical Name IUPAC Name Uses HF(aq) hydrofluoric acid aqueous   hydrogenfluoride manufacturing   aluminum/uranium;   etchingglass HCl(aq) hydrochloric acid aqueous   hydrogenchloride producing plastic; processing metals HBr(aq) hydrobromic acid aqueous   hydrogenbromide extracting metal ore HI(aq) hydroiodic acid aqueous   hydrogeniodide taking part in chem. reactions to make newcompounds   ● an oxoacid is an acid composed of hydrogen, oxygen and another element ○ ex: formed between hydrogen and polyatomic ion (that contains oxygen) ○ to name an oxoacid using the classical method: 1. write the name of the anion, without the “-ate” or “-ite” ending ● exceptions: sulfur (use “sulfur-“); phosphorus (use “phosphor-“) 1. if the anion name ended in “-ate” replace it with “-ic” at the end of the name 2. if the anion name ended in “-ite”, replace it with “-ous” at the end of the name 3. add the “acid” to the end of the name   Formula Classical Name IUPAC Name Uses H2SO4(aq) sulphuric acid aqueous hydrogen sulfate in car batteries; in acid precipitation H2SO3(aq) sulphurous acid aqueous hydrogen sulfite disinfecting and bleaching HNO3(aq) nitric acid aqueous hydrogen nitrate producing explosives; fertilizers H3PO4(aq) phosphoric acid aqueous   hydrogen phosphate making   fertilizers,   soaps,   anddetergents HClO3(aq) chloric acid aqueous hydrogen chlorate produces explosives and matches H2CO3(aq) carbonic acid aqueous   hydrogen carbonate naturally   in   water;   in   carbonatedsinks   WRITING CHEMICAL FORMULAS FOR ACIDS ● steps:

Step ExampleCarbonic Acid 1. determine   if   it   is   abinary   acid,   or   an   acidcontaining a polyatomicion name ends in “-ic acid” and doesn’t beginwith “hydro-“, it is a polyatomic ion thatends in “-ate” 1. identify   the   chemicalformula   for   thepolyatomic ion the formula for the carbonate ion is CO32- 1. determine   how   manyhydrogen   ions   arerequired  so  that   the   netcharge of the acid is 0 because   each   hydrogen   ion   has   a   1+charge,   2   hydrogen   ions   are   needed   tocancel out the 2- charge of the carbonateion 1. write   the   chemicalformula H2CO3   BASES ● is a compound that forms hydroxide ions (OH–(aq)) when dissolved in water ● common household examples include soap, baking soda, and antacids ● although some bases are safe to consume/be in contact with, many bases are not ○ some people mistakenly think that acids are dangerous, and bases arenot; truth is that both acids and bases can cause severe chemical burns ● properties of bases are a bitter taste and a slippery feel ● aqueous solutions of bases conduct electric current because of the ions in solution ○ when a base dissolves in water, the ions separate from one another, andhydroxide   ions   are   released   into   the   water   in   a   process   calleddissociation ○ ex: when sodium hydroxide dissolves in water, the ions separate ■ NaOH(aq)  Na+(aq) + OH–(aq) NAMING BASES ● many bases are ionic compounds composed of metal ions and hydroxide ions ● their   names   and   chemical   formulas   are   written   using   the   same   rules   as   ioniccompounds ○ some bases have a common name found on consumer products ● naming examples: Formula Chemical Name CommonName Uses NaOH sodium Iye,   caustic drain/oven clears; used to make

hydroxide soda paper, glass and soap Mg(OH)2 magnesiumhydroxide Milk   of Magnesia in laxatives and antacids Ca(OH)2(aq) calciumhydroxide lime water for soil and water treatment   ● sodium hydroxide is one of the most important chemicals in industry; sodium chlorideis typically mass-produced by a method called the chlor-alkali process ○ sodium hydroxide is produced simultaneously with chlorine has (anotherimportant chemical in industry) ○ 2NaCl(aq) + 2H2O(l)  2NaOh(aq) + Cl2(g) + H2(g)   WRITING CHEMICAL FORMULAS FOR BASES ● writing the chemical formula for a base are the same for writing chemical formulas foran acid ● to  write   the   chemical   formula   for   a   base,   you  must   make   sure   to   include   enoughhydroxide ions in the formula so that the total charge of the compound is 0 ● steps: Step Exampleaqueous potassium hydroxide 1. identify   the   cation   andanion metal cation is potassium, while anion ishydroxide 1. determine the ion charge ofthe cation and anion ion charge of the cation is (+1), and theion charge for anion is (-1) 1. determine   the   correctsubscripts for the chemicalformula I need one cation to balance out my oneanion 1. write the chemical formula KOH   The pH Scale and Indicators THE pH Scale

● is a numerical scale from 0-14 that is used to classify aqueous solutions as acidic,basic, or neutral; it measures the concentration of hydrogen ions in a solution ● if the pH is BELOW 7, it’s an acid (1-3 is strong acid; 4-6 is weak acid) ○ this   means   there   are   many   more   hydrogen  ions   in  the   solution  thanhydroxide ions ○ the lower the pH, the more acidic the solution (a lemon at pH2 is moreacidic than milk at pH6) ○ high in hydrogen but low in hydroxide ions ● if the pH is ABOVE 7, it’s a base (8-10 is weak base; 11-14 is strong base) ○ this means there are more hydroxide ions than hydrogen ions in thesolution ○ the higher the pH, the more basic the solution (oven cleaner at pH13 ismore basic than eggs at pH 8) ○ high in hydroxide by low in hydrogen ions ● if the pH is EXACTLY 7, it’s neutral ○ falls in the middle of the pH scale ○ the solution is neither acidic nor basic ○ this means there is a same number of hydrogen and hydroxide ions inthe solution ○ pure water has a pH of 7, as do solutions of some compounds (sodiumchloride) ○ equal number of hydroxide and hydrogen ions   DIFFERENCES IN pH Values ● the concentration of hydrogen ions associated with a value on the pH scale differs fromthe value above it or below it by a power of 10 ○ for example, a solution that is pH4 has a concentration 10 times greaterthan a solution that’s pH5   DETERMINING THE pH OF A SOLUTION ● there are several methods that can be used to determine the pH of a solution ● a   pH   meter   determines   pH   by   using   an   electronic   pH   probe—the   probe   uses   theelectrical properties of a solution to determine pH ● litmus paper is an example of a pH indicator (a substance that changes color to showthe concentration of hydrogen ions and hydroxide ions in a solution) ○ litmus solution is often dried onto thin paper strips and comes in red andblue ○ using a strip of red and blue litmus paper, you can determine whether asolution is acidic, basic or neutral ○ blue litmus paper turns red in an acidic solution, and red litmus paperturns blue in a basic solution ○ in a neutral solution, neither type of litmus paper changes color ○ using only litmus paper is not sufficient to precisely determine the pH ofa solution ● universal indicator and pH paper—to more accurately determine the pH of a solution,several indicators that cover the pH range must be used

○ universal   indicator   is   a   mixture   of   several   indicators   that   produce   adifferent color at different pH levels ○ pH paper is prepared by soaking strips of paper in universal indicatorand then allowing them to dry—a drop of solution to be tests is placedon the pH paper ● examples of tests: Indicator Colour in Acid Colour in Base Colour   in Neutral red litmus paper red blue red blue litmus paper red blue blue neutral litmus paper pink blue purple phenolphthalein colourless pink colourless universal indicator (orderof Rainbow) red   (strong), orange,   yellow(weak green   (weak),blue,   purple (strong) yellow/green   ● specific indicators can also be used, which change color within a small range of pHvalues; by testing a solution with several different indicators, you can more accuratelydetermine the pH of a solution Indicator pH   Range   in   Which   ColourChanges Color   Change   as   pHIncreases methyl orange 3.2-4.4 red to yellow methyl red 4.8-6.0 red to yellow bromothymol blue 6.0-7.6 yellow to blue phenolphthalein 8.2-10.0 colourless to pink indigo carmine 11.2-13.0 blue to yellow   pH INDICATORS IN NATURE ● there are many substances that contain natural acid-base indicators Plant Colour of Indicator Acid Neutral Base apple red grey-purple green

cabbage juice blue purple red blueberry red purple blue cherry red red-purple blue-green grape red purple blue-green pomegranate red purple blue-green raspberry red red purple pale green   ACIDS AND BASES: SIMILARITIES AND DIFFERENCES  Property Acids Bases Taste sour bitter What   Does   theSubstance   ReactWith? ● metals   to   giveH2 gas ● compounds withcarbonates   andbicarbonates   togive CO2 gas ● proteins   tobreak   themdown   intosmallermolecules   Touch many acids will burn your skin bases feel slippery, and manycan burn skin Indicator Tests turns blue litmus paper red turns red litmus paper blue ElectricalConductivity conducts electricity conducts electricity pH less than 7 greater than 7 Production of Ionsin water form   H+(aq)   ions   whendissolved in water forms   OH–(aq)   ions   whendissolved in water, as well asCO3-2 and HCO3–   Reactions of Acids and Bases ACID-BASE NEUTRALIZATION ● neutralization is the reaction of an acid and a base to produce a salt and water ● example: hydrochloric acid and sodium hydroxide (base) react:  HCl(aq) + NaOH(aq) H2O(l) + NaCl(aq) ○ forms a double displacement reaction, in which the ions of the reactantswhich places to form new compounds ○ water is formed as the hydrogen ions of the acid and the hydroxide ionsof the base combine ■ H+(aq) + OH–(aq)  HOH(l); HOH is the same as HHOor H2O ○ the remaining ions (Na and Cl) formed a salt (any ionic compound thatis neither an acid nor a base is salt) ■ in most cases, the salt formed by a neutralization reactionis soluble in water and will not form a precipitate

● it doesn’t matter whether the acid is added to the base or the base added to the acid;either way, the removal of both hydrogen and hydroxide ions form water, causes themixture to approach pH 7 ● if the right amounts of acid and base react, the resulting solution will be neutral ● antacids   is   an   application   of   neutralization—the   lining   in   your   stomach   secretesHCl(aq) which helps break down food in the digestion process ○ some  people  suffer  from  excess  production of  HCl  which can  causeheartburn (a burning sensation in the stomach that can extend up throughthe chest area into the esophagus/throat) ○ common treatment of heartburn is the use of antacids; they have theability to neutralize the acid ○ antacids have an ingredient that is a base to help increase the pH of thegastric juices ○ common base in antacids are Mg(OH)2 and Al(OH)3 ● in March 2007, a railroad tanker derailed, spilling 150 000 liters of sulphuric acid intothe   Blanche   River;   an   important   step  in  the   clean-up  was   adding   a   base   (calciumhydroxide) to neutralize the acid ○ H2SO4(aq) + Ca(OH)2(aq)  CaSO4(aq) + 2H2O(l) ○ when an acid spill occurs, a quick response is critical to minimize thesize of spill by containing the spilled acid and stopping any leaks fromcontainers (like overturned tankers) ○ neutralizing the acid and warning/evacuating people in the area  helpprevent injuries ○ cleaning  up  the  spill  doesn’t  prevent  harm  to the  environment  (afterBlanche River spill, fish died)   ACID PRECIPITATION ● rainwater is naturally acidic, and normally has a pH of around 5.6; this acidity is theresult   of   carbon   dioxide   in   the   air   dissolving   in   and   reacting   with   water   to   formcarbonic acid ○ CO2(g) + H2O(l)  H2CO3(aq) ■ similar   synthesis   reactions   of   other   non-metal   oxidesform additional acids, which lower pH of rainwater evenmore ● high temperatures in a car’s engine causes nitrogen and oxygen to react and formseveral different nitrogen oxides; these oxides can react with water to form acids ○ NO2(g) + H2O(l)  HNO3(aq) ○ catalytic converters help decrease the amount of nitrogen oxides thatenter   the   atmosphere,   but   they   don’t   eliminate   the   nitrogen   oxidescompletely ● another   major   contributor   to   acid   precipitation   is   sulfur   oxides,   which   come   fromindustrial processes (ores smelted in Sudbury region contain sulfur, which forms sulfurdioxide during the smelting process); also produced during the combustion of fossilfuels that contain sulfur (coal and natural gas) ○ S8(s) + O2(g)  8SO2(g) ■ sulfur dioxide can react with additional oxygen to formsulfur trioxide, which in turn can react with water to formsulphuric acid ■ 2SO2(g) + O2(g)   2SO3(g)                                         thenSO3(g) + H2O(l)  H2SO4(aq) EFFECTS OF ACID PRECIPITATION

● Eastern Canada is especially sensitive to the effects of acid precipitation—in provincesthat are part of the Canadian Shield (Ontario), the soils and waterways lack a naturalability to fight the damage caused by acid precipitation ○ these areas contain mostly granite rock, which doesn’t provide a sourceof basicity ■ in Western Canada, there are more limestone-based rock,which   has   a   natural   basicity   (reducing   effects   of   acidprecipitation) ● the change in pH of a lake/river water can be abrupt, as the rushing waters of thesnowmelt which could hold deadly does of acid drain into the waterway ○ mass fish kills can occur because of acidic pollutants that have collectedin the snow that had melted ■ fish may gradually disappear from a lake/stream as theenvironment becomes less tolerable ● a healthy lake/stream can support a variety of organisms than an acidified one ○ as a lake/stream becomes more acidic, many types of tiny organismsbegin disappearing(these organisms are food sources for fish and otheranimals) ○ as   pH   decreases,   fish   have   trouble   reproducing;   a   decreased   fishpopulation affects animals that depend of fish as a food source   REDUCING EMISSIONS THAT CAUSE ACID PRECIPITATION ● scientists are working to solve environmental challenges caused by acid precipitation—one solution is to reduce emissions that cause acid precipitation ● sulfur oxides are a major contributor to acid precipitation—one way to reduce it is touse scrubbers on smokestacks of industrial plants that burn coal ○ nearly all coal contain sulfur as a contaminant—when the coal burns thesulfur contamination also burns, forming sulfur dioxide (SO2) ■ calcium carbonate is added to the coal and air as theyenter the furnace’ while the coal burns in the air, it formscarbon dioxide and sulfur dioxide ■ the   calcium   carbonate   decomposes  into   carbon   dioxideand calcium oxide;; some of the sulfur dioxide reacts withthe calcium oxide forming calcium sulphite ■ unreacted sulfur dioxide enters the wet scrubber, where aslurry of calcium oxide in water is sprayed; most of theremaining   sulfur   dioxide   will   form   Calcium   sulphite,which would mix with water to become a slurry that isdiscarded RENEWING ACIDIFIED LAKES ● another way to address acid precipitation is to attempt to reverse its effect ○ liming   is   the   application   of   basic   materials   (typically   lime-based)   torenew acidified lakes and regions) ■ like giving a lake a giant antacid tablet ■ calcium carbonate is most commonly added to water toraise pH ● as long as acidic water continues to enter the lake, the pH will drop again, and the lakewill require continuous liming treatments

● liming can cause problems—it increases calcium content and some species and insectsare sensitive to calcium levels ● preventing   acid   precipitation   by   using   catalytic   converters,   scrubbers   and   newtechnologies is a better solution than fixing the aftermath of the problem ACID LEACHING AND METALS ● smelters create acids as a by-product of the smelting process; however, acids are alsoan important part of refining metals ○ ex: copper and nickel need acids in the refinement process, as the acidreacts with the metals to form soluble compounds ● the acidic solution containing the soluble metal salt is separated from the unwantedsold materials and the metals are later recovered from the solution ○ the properties of acids and metals allow acid leaching to be used toextract   desired   metals   from   ores’   these   same   properties   createenvironmental problems ● at many mining sites, you can see tailing piles (tailings are materials both solid andliquid that are left after the desired product (copper, nickel, gold) is removed from anore ○ these piles are stored in above-ground facilities where they’re exposedto air and water ● sulfide compounds in the tailing can form acids as they react with water and oxygen—if   not   contained,   the   resulting   acids   could   cause   run-off   that   can   harm   the   localenvironment ○ acids can also leach metals from tailings, which could contaminate thearea around tailing pile ● acid leaching can be used to clean up soils that have been contaminated by toxic metals ○ first step is to remove any solid metal from contaminated soil, reducingthe amount of acid needed to treat soil ■ the metal removed can be sent to smelter to be melteddown ○ the soil is then treated with acid in order to leach out ,metal ions and anysmall pieces of metals ○ once the metal has been dissolved in the acid, it is recovered throughprecipitation; chemicals that form solid precipitates with the metal ionsare added to the solution ○ after the precipitation, liquid component is recycled and used in leachingprocess again, while solid component containing the metal is collectedfor appropriate disposal ○ this process is expensive, so therefore preventing contamination in thefirst place is the best solution Handout—Behavior of Acids and Bases in Water ● a water molecule is like a small magnet—one end is slightly positive, and one end isslightly negative ○ because   water   has  slightly  opposite   charges at  different   ends,  it  willattract to different parts of compounds (slightly positive hydrogen willattract to negative ions, while slightly negative oxygen will attract topositive ions) ■ the   slight   charges   of   water   can   cause   some   ioniccompounds to break apart and float freely in the solution(aka ionization)

● acids   in   water—most   acids   are   covalent   compounds,   and   have   polarity   like   watermolecules ○ ex: water breaks apart hydrogen chloride as the hydrogen is attracted tonegative end of water, while chlorine is attracted to positive end ■ hydrochloric acid is ionized ● bases are generally ionic compounds, and they easily split by water (they dissociate) ○ ex:   sodium   hydroxide   will   dissociate   in   water   (positive   sodium   willattract   to   negative   oxygen,   while   negative   hydroxide   will   attract   topositive hydrogen) Handout—Acid-Base Neutralization  ● acid-base neutralization is a special type of double displacement ○ one acid and one base are the reactants ○ the products are water and an ionic salt (basically any ionic compound) ● neutralization general equation: ○ acid(aq) + bas(aq)  water(l) + salt(aq) ● neutralization   when   the   base   contains   carbonate/bicarbonate   (the   carbonate   andbicarbonate break down after to form CO2) ○ acid(aq) + base (that has carbonate/bicarbonate)(aq)   water(l) + ionicsalt(aq) + carbon dioxide(g) ■ example: HCl(aq) + NaHCO3(aq)  H2O(l) + NaCl(aq) +CO2(g) ○ the bicarbonate (H CO 3) or carbonate ( CO 3) break down to form  CO 2