Χημείας Θετικής Κατεύθυνσης 2ο κεφάλαιο Χημείας Θετικής Κατεύθυνσης Γ΄ Λυκείου Διαλύματα ασθενών οξέων – βάσεων σταθερά ιοντισμού - νόμος του Ostwald εύρεση pH διαλύματος ασθενούς οξέος εύρεση pH διαλύματος ασθενούς βάσης αραίωσης δ/τος ασθενούς ηλεκτρολύτη ανάμειξη διαλυμάτων ίδιας ουσίας σύγκριση ισχύος ασθενών ηλεκτρολυτών Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Σταθερά ιοντισμού (Κa, Kb) Βαθμός ιοντισμού (α) Σταθερά ιοντισμού (Κa, Kb) Νόμος του Ostwald Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Βαθμός ιοντισμού (α) Θεωρούμε ένα ασθενές οξύ ΗΑ (ή μια ασθενή βάση Β). Όταν διαλύεται στο νερό σχηματίζεται διάλυμα συγκέντρωσης C. Στο διάλυμα ένα μέρος (x < C) από τα μόρια ΗΑ ιοντίζονται σύμφωνα με την ισορροπία: αρχικές συγκεντρώσεις C - ιοντίζονται / παράγονται x ιοντική ισορροπία C-x Ονομάζουμε βαθμό ιοντισμού (α) το λόγο: Ο βαθμός ιοντισμού παίρνει τιμές 0 < α ≤ 1 Η τιμή α = 1 ισχύει για ισχυρούς ηλεκτρολύτες Τα ίδια ισχύουν και για τις βάσεις Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Σταθερά ιοντισμού (Κα) ασθενούς οξέος ΗΑ Θεωρούμε το ασθενές οξύ ΗΑ. Σε υδατικό διάλυμα ο ιοντισμός του περιγράφεται με τη ισορροπία: Η σταθερά ισορροπίας δίνεται από τη σχέση: Στα αραιά υδατικά διαλύματα με συγκέντρωση της τάξης του 1 Μ, το νερό έχει σταθερή συγκέντρωση περίπου 55,55 Μ. Δημιουργούμε μια νέα σταθερά από το γινόμενο Κ[Η2Ο] που την ονομάζουμε σταθερά ιοντισμού (Κα) του ασθενούς οξέος Η σταθερά ιοντισμού εξαρτάται: από τη θερμοκρασία (αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας) από τη φύση του οξέος από τη φύση του διαλύτη Μεταξύ δύο ασθενών οξέων σε διαλύματα ίδιου διαλύτη και ίδιας θερμοκρασίας ισχυρότερο είναι το οξύ με τη μεγαλύτερη σταθερά ιοντισμού Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Σταθερά ιοντισμού (Κb) ασθενούς βάσης Β Θεωρούμε την ασθενή βάση Β. Σε υδατικό διάλυμα ο ιοντισμός της περιγράφεται με τη ισορροπία: Όμοια με τα ασθενή οξέα ορίζεται η σταθερά ιοντισμού Kb της ασθενούς βάσης: Η σταθερά ιοντισμού Kb εξαρτάται και αυτή: από τη θερμοκρασία (αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας) από τη φύση της βάσης από τη φύση του διαλύτη Μεταξύ δύο ασθενών βάσεων σε διαλύματα ίδιου διαλύτη και ίδιας θερμοκρασίας ισχυρότερη είναι η βάση με τη μεγαλύτερη σταθερά ιοντισμού. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Νόμος του Ostwald Θεωρούμε αραιό διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ, συγκέντρωσης C Συμπληρώνουμε τον πίνακα μεταβολών των συγκεντρώσεων. αρχικές συγκεντρώσεις C - ιοντίζονται / παράγονται x ιοντική ισορροπία C-x Εφαρμόζουμε τη σταθερά ιοντισμού του ασθενούς οξέος: εφόσον x = αC έχουμε: Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Νόμος του Ostwald Πολύ ασθενή οξέα - βάσεις Πολύ ασθενή οξέα - βάσεις λέγονται τα οξέα και οι βάσεις που έχουν βαθμό ιοντισμού α < 0,1 ή πηλίκο Κα/C < 0,01 Σε αυτά μπορούμε να θεωρήσουμε χωρίς να κάνουμε σημαντικό λάθος ότι 1-α≈1 και C-x≈C. Τότε οι προηγούμενες σχέσεις γίνονται: Οι τελευταίες σχέσεις αποτελούν τη μαθηματική έκφραση του νόμου αραίωσης του Ostwald. Ανάλογες σχέσεις ισχύουν και για τη σταθερά Kb των ασθενών βάσεων. Επιστροφή στο μενού

Υπολογισμός pH διαλύματος ασθενούς οξέος Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

pH υδατικού διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ Όταν το διάλυμα περιέχει μόνο του το ασθενές οξύ και ισχύουν οι προϋποθέσεις μπορούμε να εφαρμόζουμε το νόμο του Ostwald Υδατικό διάλυμα αιθανικού οξέος (CH3COOH) έχει συγκέντρωση 0,1 Μ. Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού του αιθανικού οξέος, τη συγκέντρωση όλων των ιόντων του διαλύματος και το pH του. (Δίνονται Κα = 10−5, θ=25 °C) Γράφουμε την αντίδραση ιοντισμού του οξέος. αρχικές συγκεντρώσεις C - ιοντίζονται / παράγονται x ιοντική ισορροπία C-x Εξετάζουμε αν γίνονται προσεγγίσεις, και στη συνέχεια εφαρμόζουμε το νόμο του Ostwald. Υπολογίζουμε το pH. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

pH υδατικού διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ Όταν το διάλυμα περιέχει μόνο του το ασθενές οξύ και ισχύουν οι προϋποθέσεις μπορούμε να εφαρμόζουμε το νόμο του Ostwald ⇒ α = 0,01. ⇒ x = 0,01. Η συγκέντρωση των ιόντων είναι: [Η3O+] = x = 10−3 M [CH3COO−] = x = 10−3 M Εφόσον [Η3Ο+] = 10−3 Μ προκύπτει ότι pH = 3 Προσοχή στο διάλυμα υπάρχουν και ιόντα ΟΗ− τα οποία οφείλονται στον ιοντισμό του νερού. Ισχύει: [Η3Ο+][ΟΗ-] = Κw ⇒ [ΟΗ-] = 10-11Μ Τα ιόντα Η3Ο+ που σχηματίζονται από τον ιοντισμό του νερού έχουν συγκέντρωση μικρότερη από 10-7 Μ και παραλείπονται ως αμελητέα Επιστροφή στο μενού

Διάλυμα ισχυρής βάσης Ισχυρές βάσεις είναι τα ευδιάλυτα υδροξείδια των μετάλλων δηλ. LiOH, KOH, NaOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 (τα οποία διίστανται) και ορισμένα ιόντα όπως NH2-, O2-, CH3O- Υδατικό διάλυμα (Δ), που έχει όγκο 100 mL, περιέχει 0,37 g υδροξειδίου του ασβεστίου Ca(OH)2 σε θερμοκρασία 25 °C. Να υπολογίσετε το pH του διαλύματος (Δ). Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες: Ca = 40, O = 16, H = 1 Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του διαλύματος. Από τη διάσταση του υπολογίζουμε τη συγκέντρωση των ιόντων υδροξειδίου και στη συνέχεια το pH. αρχικές συγκεντώσεις 0,05 Μ - ιοντίζονται / παράγονται 0,05 M 2·0,05 M ιοντική ισορροπία 0,1 Μ Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Υπολογισμός pH διαλύματος ασθενούς βάσης Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

pH υδατικού διαλύματος ασθενούς βάσης Β Σε 200 mL νερό διαλύουμε 0,34 g ΝΗ3 χωρίς μεταβολή του όγκου. Aν η σταθερά ιοντισμού της αμμωνίας είναι 10−5, να υπολογίσετε το pH του διαλύματος και τη συγκέντρωση των ιόντων αμμωνίου. H θερμοκρασία είναι 25 °C. Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του διαλύματος. Γράφουμε την αντίδραση ιοντισμού της βάσης ΝΗ3. αρχικές συγκεντρώσεις C - ιοντίζονται / παράγονται x ιοντική ισορροπία C-x Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

pH υδατικού διαλύματος ασθενούς βάσης Β Εξετάζουμε αν γίνονται προσεγγίσεις, και στη συνέχεια εφαρμόζουμε το νόμο του Ostwald. Υπολογίζουμε το pH. ⇒ x = 0,01. Η συγκέντρωση των ιόντων είναι: [OH-] = x = 10−3 M [NH4+] = x = 10−3 M Εφόσον [OH-] = 10−3 Μ προκύπτει ότι pOH = 3 Στο διάλυμα υπάρχουν και ιόντα Η3Ο+ τα οποία οφείλονται στον ιοντισμό του νερού. Ισχύει: [Η3Ο+][ΟΗ-] = Κw οπότε [Η3Ο+] = 10-11Μ οπότε pH = 11. Τα ιόντα Η3Ο+ που σχηματίζονται από τον ιοντισμό του νερού έχουν συγκέντρωση μικρότερη από 10-7 Μ και παραλείπονται ως αμελητέα Επιστροφή στο μενού

Αραίωση διαλύματος ασθενούς οξέος - ασθενούς βάσης Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Αραίωση διαλύματος ισχυρού ηλεκτρολύτη Θεωρούμε υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος συγκέντρωσης C1. To αραιώνουμε και σχηματίζουμε διάλυμα συγκέντρωσης C2. Κατά την αραίωση: η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας δεν μεταβάλλεται η συγκέντρωση μειώνεται και γίνεται C2 < C1. η σταθερά ιοντισμού Κα παραμένει σταθερή γιατί εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία από το νόμο του Ostwald προκύπτει ότι ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται α2 > α1 η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου μειώνεται, άρα το pH αυξάνεται και τείνει να γίνει ουδέτερο Ανάλογες σχέσεις ισχύουν για διαλύματα βάσεων. Σε αυτά η σταθερά Kb δε μεταβάλλεται, αυξάνεται ο βαθμός ιοντισμού, μειώνεται η [ΟΗ-], μειώνεται το pH και το διάλυμα τείνει να γίνει ουδέτερο. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Αραίωση διαλύματος ασθενούς βάσης Α. Πόσα g ΝΗ3 περιέχονται σε 200 mL υδατικού διαλύματος ΝΗ3 που έχει βαθμό ιοντισμού 1%; (Κb = 10−5) Β. Αραιώνουμε το διάλυμα σε 100-πλάσιο όγκο. Να υπολογίσετε τη μεταβολή του βαθμού ιοντισμού της αμμωνίας. Από τον ιοντισμό της αμμωνίας υπολογίζουμε τη συγκέντρωσή της. αρχικές συγκεντρώσεις C - ιοντίζονται / παράγονται x ιοντική ισορροπία C-x Ο βαθμός ιοντισμού είναι 1% δηλαδή 0,01 < 0,1, επομένως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το νόμο του Ostwald με την απλούστερη μορφή του: Κb = α2C ή C = Κb /α2 ή C = 0,1 M Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Αραίωση διαλύματος ασθενούς βάσης Υπολογίζουμε από τη συγκέντρωση τη μάζα της διαλυμένης ουσίας. Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του αραιωμένου διαλύματος. Το αραιωμένο διάλυμα έχει όγκο V΄= 100·V και συγκέντρωση C΄ όπου: CV = C΄V΄ ή 0,1·C = C΄⋅100V ή C΄= 10-3 Μ (1). Εφαρμόζουμε το νόμο του Ostwald για το αραιωμένο διάλυμα Κb = α΄2C΄ και προκύπτει α΄= 0,1 Παρατηρούμε ότι ο βαθμός ιοντισμού δεκαπλασιάζεται. Τα ιόντα Η3Ο+ που σχηματίζονται από τον ιοντισμό του νερού έχουν συγκέντρωση μικρότερη από 10-7 Μ και παραλείπονται ως αμελητέα Επιστροφή στο μενού

του ίδιου ασθενούς οξέος / βάσης Ανάμειξη διαλυμάτων του ίδιου ασθενούς οξέος / βάσης Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ανάμειξη διαλυμάτων ίδιου ασθενούς οξέος Δίνεται το ασθενές μονοπρωτικό οξύ ΗΑ. Αναμειγνύουμε 100 mL υδατικού διαλύματος ΗΑ 0,1 Μ με 400 mL υδατικού διαλύματος ΗΑ 0,2 Μ. Να υπολογιστεί ο βαθμός ιοντισμού του ασθενούς οξέος, και η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου στο τελικό διάλυμα. (Κα = 1,8·10−5) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του οξέος στο τελικό διάλυμα C1V1 + C2V2 = C3V3 ή 0,1⋅100 + 0,2⋅400 = C3⋅500 ή C3 = 0,18 M Από τον ιοντισμό του οξέος: αρχικές συγκεντρώσεις C - ιοντίζονται / παράγονται x ιοντική ισορροπία C-x έχουμε Κα = x2/C3 άρα x = 1,8·10-3 α = x/C3 = 10-2 Τα ιόντα Η3Ο+ που σχηματίζονται από τον ιοντισμό του νερού έχουν συγκέντρωση μικρότερη από 10-7 Μ και παραλείπονται ως αμελητέα Επιστροφή στο μενού

Σύγκριση ισχύος δύο ασθενών οξέων ή ασθενών βάσεως Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Σύγκριση ισχύος δύο ασθενών ηλεκτρολυτών Σύμφωνα με τα προηγούμενα ο βαθμός ιοντισμού ασθενούς οξέος ή ασθενούς βάσης: αυξάνεται όταν η συγκέντρωση μειώνεται (θ = σταθερή) αυξάνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία (διότι ο ιοντισμός είναι ενδόθερμη αντίδραση και με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά) εξαρτάται από το ασθενές οξύ ή την ασθενή βάση εξαρτάται από τον διαλύτη μειώνεται όταν υπάρχει επίδραση κοινού ιόντος (θα μελετηθεί αργότερα) Ισχυρότερος είναι ο ηλεκτρολύτης που έχει: μεγαλύτερη σταθερά ιοντισμού σε διαλύματα ίδιας θερμοκρασίας, του ίδιου διαλύτη. μεγαλύτερο βαθμό ιοντισμού σε διαλύματα ίδιας θερμοκρασίας, του ίδιου διαλύτη, χωρίς να υπάρχει επίδραση κοινού ιόντος. Επιστροφή στο μενού