3.5 Ρυθμιστικά διαλύματα

Transcript

1 3.5 Ρυθμιστικά διαλύματα Ρυθμιστικά διαλύματα ονομάζονται τα διαλύματα των οποίων το ph παραμείνει πρακτικά σταθερό, όταν προστεθεί μικρή αλλά υπολογίσιμη ποσότητα ισχυρών οξέων ή βάσεων ή αραιωθούν μέσα σε ορισμένα όρια συγκέντρωσης. Τα διαλύματα αυτά αποτελούνται από ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση (ΗΑ /Α-) ή μια ασθενή βάση και το συζυγές της οξύ (Β / ΒΗ+). Παραδείγματα ρυθμιστικών διαλυμάτων: Δύο παραδείγματα ρυθμιστικών διαλυμάτων είναι τα: 1. διάλυμα υδροφθορίου HF και φθοριούχου νατρίου NaF (HF/ F-) 2. διάλυμα χλωριούχου αμμωνίου NH4Cl και αμμωνίας NH3 (NH4+/NH3) Υπολογισμός ph ρυθμιστικού διαλύματος Σε κάθε ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει ένα συζυγιακό σύστημα οξέος-βάσης, ισχύει η σχέση: [H3O ] K a c οξέος με την προϋπόθεση ότι έχουμε [Η3Ο+] <<. και [Η3Ο+] << c βασ. c βάσης Απόδειξη: Στην αντίδραση ιοντισμού του οξέος HA έχουμε: Ιοντισμός (Μ) αρχικά c oξ ιοντίζονται παράγονται -x Μένουν σε ισορροπία σελίδα 1 H A H 2 O H 3O A - c oξ-x c βασ +x x +x c βασ+x

2 Η σταθερά ιοντισμού του οξέος γράφεται: Kα (c x) [H3O ][A ] K α βασ [HA] x Επειδή ισχύει: x και x, έχουμε: [H 3 O ] K a Εξίσωση των Henderson και Hasselbalch Η εξίσωση με λογαρίθμιση δίνει τη σχέση: ph pka log cβάσης c οξέος που είναι γνωστή ως εξίσωση των Henderson και Hasselbalch. Απόδειξη: [H3O ] K a log[h3o ] = log[ Ka ph pk a log ] ph log K a log Επισήμανση! Με τη σχέση αυτή υπολογίζεται το ph του ρυθμιστικού διαλύματος. Πρέπει να επισημάνουμε πως και αυτή η σχέση ισχύει υπό ορισμένες προϋποθέσεις και συγκεκριμένα: 1. η συγκέντρωση του οξέος στην κατάσταση ισορροπίας να είναι περίπου ίση με την αρχική συγκέντρωση του οξέος, δηλαδή = [ΗΑ]αρχικό 2. στην κατάσταση ισορροπίας, η συγκέντρωση της συζυγούς βάσης πρέπει να είναι περίπου ίση με την αρχική συγκέντρωση της βάσης, δηλαδή: c βάσης = [Α-]αρχικό σελίδα 2

3 3. Διατηρούν το ph τους πρακτικά σταθερό, κατά την αραίωσή τους σε ορισμένα όρια. Αν υπερβούμε αυτά τα όρια τότε η τιμή του ph αλλάζει σημαντικά. Αντίστοιχες εξισώσεις σε βασικά διαλύματα Εντελώς αντίστοιχα προκύπτουν οι σχέσεις για τα βασικά διαλύματα: [OH ] K b cβάσης c οξέος και poh pk b log c οξέος cβάσης Παρασκευές ρυθμιστικών διαλυμάτων Α. Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος της μορφής ΗΑ/Α- (π.χ. HF/ NaF). Μπορεί να γίνει με έναν από τους δύο τρόπους: Α.1. Με απευθείας ανάμιξη του ασθενούς οξέος ΗΑ με τη συζυγή του βάση Α-, η οποία προστίθεται με τη μορφή άλατος που περιέχει το ανιόν Α-. Π.χ. προσθήκη διαλύματος HF σε διάλυμα NaF Α.2. Με μερική εξουδετέρωση του ασθενούς οξέος ΗΑ από ισχυρή βάση. Στην περίπτωση αυτή, μέσα σε διάλυμα που περιέχει το ασθενές οξύ HA σε περίσσεια προσθέτουμε μία ισχυρή βάση π.χ. διάλυμα NaOH, σε μικρότερη αναλογία από τη στοιχειομετρικά απαιτούμενη. Λαμβάνει χώρα η αντίδραση: Ιοντισμός (Μ) αρχικά c οξ αντιδρούν παράγονται -c βασ -c βας Μένουν στο τελικό διάλυμα σελίδα 3 H F N ao H N af H 2O c βασ c oξ- c βας 0 0 +c βασ c βασ

4 Στο διάλυμα, αντιδρά πλήρως η ισχυρή βάση NaOH με μέρος της ποσότητας του HF και σχηματίζουν NaF. Έτσι το τελικό διάλυμα είναι ρυθμιστικό και περιέχει (c βας) oξ -c HF και c βασ NaF. Β. Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος της μορφής Β/ ΒΗ+ (π.χ. ΝΗ3/ NH4Cl). Μπορεί να γίνει με έναν από τους δύο τρόπους: Β.1. Με απευθείας ανάμιξη της ασθενούς βάσης με το συζυγές της οξύ το οποίο προστίθεται με τη μορφή άλατος που περιέχει το κατιόν ΒΗ+, π.χ. προσθήκη διαλύματος ΝΗ3 με διάλυμα NH4Cl. Β.2. Με ανάμιξη περίσσειας ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ Π.χ. σε διάλυμα που περιέχει x mol NH3 προσθέτουμε y mol HCl, όπου y < x. Συγκέντρωση (Μ) N H 3 H C l N H 4C l H 2O αρχικά x y 0 αντιδρούν παράγονται -y -y +y Μένουν στο τελικό διάλυμα x-y 0 y Στο διάλυμα, αντιδρά πλήρως το ισχυρό οξύ ΗCl με μέρος της ποσότητας της ΝH3 και σχηματίζουν ΝΗ4Cl. Έτσι το τελικό διάλυμα είναι ρυθμιστικό και περιέχει (x-y) mol ΝH3 και y mol ΝΗ4Cl. Επισήμανση! Οι συγκεντρώσεις στο τελικό διάλυμα θα πρέπει να είναι σχετικά υψηλές, ώστε το διάλυμα να έχει ικανοποιητική ρυθμιστική ικανότητα Δηλαδή, μεγάλη δηλαδή αντοχή στις μεταβολές του ph που προκαλούνται λόγω προσθήκης οξέος, βάσης ή νερού. σελίδα 4

5 Πως δρουν τα ρυθμιστικά διαλύματα Α. Διατήρηση του ph ρυθμιστικού διαλύματος. Για να διατηρηθεί το ph ενός διαλύματος σταθερό, πρέπει να διατηρηθεί σταθερός ο αριθμός των ιόντων οξωνίου Η3Ο+ του διαλύματος και κατά συνέπεια και ο αριθμός των ιόντων υδροξειδίου OH-. Αυτό ακριβώς συμβαίνει στα ρυθμιστικά διαλύματα. Το ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει ένα συζυγές ζεύγος οξύ-βάση. Η όξινη μορφή αυτού του ζεύγους εξουδετερώνει τις προστιθέμενες βάσεις, ενώ η βασική μορφή τα οξέα. Ας καταλάβουμε πως. Παράδειγμα 1ο - Ρυθμιστικό διάλυμα CH3COOH και CH3COONa Στο διάλυμα περιέχονται το ασθενές οξύ CH3COOH και η συζυγής βάση CH3COO-, που προκύπτει από την πλήρη διάσταση του CH3COONa: H 2O C H 3C O O N a C H 3C O O N a α. Αν στο διάλυμα προσθέσουμε ποσότητα ισχυρού οξέος, π.χ. HCl, τότε τα Η3Ο+ που προκύπτουν από την πλήρη ιοντισμό του HCl αντιδρούν πρακτικά πλήρως με τη βάση CH3COO -, σύμφωνα με την εξίσωση: CH3COO - + H3O+ CH3COOH + H2O. Έτσι ο αριθμός των ιόντων H3O+ του διαλύματος διατηρείται σταθερός και κατά συνέπεια και το ph του. β. Ανάλογα αν στο διάλυμα προσθέτουμε μια ισχυρή βάση π.χ. NaOH, τα ΟΗ- που προκύπτουν από την πλήρη διάσταση του NaOH δεσμεύονται πρακτικά πλήρως από το CH3COOH, σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: CH3COOH + OH- H2O + CH3COO-. Έτσι διατηρείται ο αριθμός των ιόντων OH- σταθερός και κατά συνέπεια και των ιόντων H3O+ οπότε πρακτικά σταθερό παραμένει και το ph του διαλύματος. Επισήμανση! Για να μη χαθεί η ρυθμιστική ικανότητα του διαλύματος, πρέπει η ποσότητα HCl ή NaOH που προσθέτουμε να είναι σημαντικά μικρότερη από τις ποσότητες σελίδα 5

6 CH3COONa ή CH3COOH, ώστε να μη δεσμευθεί μεγάλη ποσότητα από κάποιο συστατικό του ρυθμιστικού διαλύματος. Παράδειγμα 2ο - Ρυθμιστικό διάλυμα ΝΗ3 και ΝΗ4Cl α. Έστω ότι στο διάλυμα, προσθέτουμε ένα ισχυρό οξύ, π.χ. το HCl. Τα ιόντα του οξωνίου Η3Ο+ που προκύπτουν από την πλήρη ιοντισμό του HCl αντιδρούν πρακτικά πλήρως με τη βάση αμμωνία ΝΗ3 σύμφωνα με την αντίδραση: Η3Ο+ + ΝΗ3 ΝΗ4+ + Η2Ο Με τον τρόπο αυτό τα ιόντα οξωνίου Η3Ο+ διατηρούν την αρχική τους συγκέντρωση με συνέπεια να μην αυξάνεται το ph του διαλύματος. β. Κατά την προσθήκη μιας ισχυρούς βάσεως όπως, π.χ. το υδροξείδιο του νατρίου NaOH, τα ιόντα υδροξειδίου ΟΗ- που προκύπτουν από την πλήρη διάσταση του NaOH αντιδρούν πρακτικά πλήρως με τα ιόντα αμμωνίου NH 4 σύμφωνα με την αντίδραση: NH 4 OH NH 3 H 2 O Έτσι διατηρείται ο αριθμός των ιόντων OH- σταθερός και κατά συνέπεια και των ιόντων H3O+ οπότε πρακτικά σταθερό παραμένει και το ph του διαλύματος. Αραίωση ρυθμιστικού διαλύματος Κατά την αραίωση ενός ρυθμιστικού διαλύματος, το ph του παραμένει σταθερό. Αυτό ισχύει με την προϋπόθεση ότι ισχύουν και οι προσεγγίσεις που απαιτούνται για την εφαρμογή της σχέσης1: [H 3 O ] K a 1 Αν α 0,1, τότε 1 - α 1 και c- x c όπου, x: η συγκέντρωση του οξέος ή βάσης που ιοντίζεται, α: ο βαθμός ιοντισμού. Αν Ka /c 0,01, τότε 1 - α 1 και c- x c σελίδα 6

7 Πότε το ρυθμιστικό χάνει τη ρυθμιστική το ικανότητα Όταν, με συνεχή αραίωση, φτάσουμε στο σημείο να μη ισχύουν οι προϋποθέσεις για την εφαρμογή της παραπάνω σχέσης, τότε το διάλυμα χάνει τη ρυθμιστική του ικανότητα. Γιατί κατά την αραίωση το ρυθμιστικό διάλυμα διατηρεί το ph του σταθερό Αν έχουμε ρυθμιστικό διάλυμα: ΗΑ και NaA με : [ΗΑ] = c1 M, [NaA ]=c2 M, τότε η συγκέντρωση των οξωνίων του διαλύματος προκύπτει από τη σχέση: [H3O ] K a [ HA] [ A ] Αραιώνουμε το διάλυμα έστω στον δεκαπλάσιο όγκο του. Σύμφωνα με το νόμο της αραίωσης οι νέες συγκεντρώσεις των ΗΑ και NaA είναι οι: [ HA] V [ HA]' 10V [ HA]' [ A ] V [ A ]' 10V [ A ]' [ HA] V [ HA] [ HA]' 10V 10 [ A ] V [ A ] [ A ]' 10V 10 Η νέα συγκέντρωση των οξωνίων είναι η : [ HA] ' (2) [ HA ] [ HA] [H3O ]' K a ' [H3O ]' K a 10 [H3O ]' K a [A ] [ A ] (3) [A ] 10 (1) [H O ]' [H O ] 3 3 Παρατηρούμε δηλαδή ότι κατά την αραίωση, η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου στο διάλυμα παραμένει σταθερή άρα και το ph του ρυθμιστικού διαλύματος παραμένει σταθερό. σελίδα 7

8 Χρησιμότητα ρυθμιστικών Τα ρυθμιστικά διαλύματα βρίσκουν πολλές εφαρμογές, όπως : 1. Στην αναλυτική χημεία για τη βαθμονόμηση πεχαμέτρων, την ποσοτική ανάλυση κλπ. 2. Στη βιομηχανία. Πολλές χημικές και βιοχημικές διεργασίες πρέπει να γίνονται σε καθορισμένη τιμή ph (βιολογικοί καθαρισμοί, επεξεργασία δερμάτων, παραγωγή χρωμάτων, λιπασμάτων κλπ.). Αυτό διασφαλίζεται με τη χρησιμοποίηση ρυθμιστικών διαλυμάτων. 3. Στην ιατρική, βιολογία, φαρμακευτική. Τα περισσότερα υγρά των ζώων και φυτών είναι ρυθμιστικά διαλύματα, τα οποία ρυθμίζουν τις βιοχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα. Για παράδειγμα το αίμα είναι ρυθμιστικό διάλυμα, γι αυτό και οι ενδοφλέβιες ενέσεις περιέχουν ρυθμιστικό διάλυμα. σελίδα 8