Αυτοϊοντισμός του νερού

Transcript

1 Αυτοϊοντισμός του νερού Αυτοϊοντισμός: μια αντίδραση κατά την οποία δύο όμοια μόρια αντιδρούν παρέχοντας ιόντα: K c Η 2 Ο() + Η 2 Ο() Η 3 Ο + (aq) + ΟΗ (aq) + [H3O ][OH ] 2 [H2O] [H O] =[H O ][OH ] Κ c [Η 2 Ο] 2 = Κ w = γινόμενο ιόντων νερού ή σταθερά διάστασης νερού Στους 25 ο C: Κ w = [Η 3 Ο + ][ΟΗ ] = 1, σε καθαρό νερό: [Η 3 Ο + ] = [ΟΗ ] = 1, Μ K Στους 37 ο C: Κ w = 2, c

2 Διαλύματα ισχυρών οξέων και βάσεων Διαλύουμε 0,10 mol HCl σε 1,0 L νερού HCl(aq) 0,10 Μ Πόση είναι η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 O + ; (α) HCl(aq) + Η 2 Ο() Η 3 Ο + (aq) + Cl (aq) 100% προς τα δεξιά! [Η 3 Ο + ] = 0,10 Μ (β) Αυτοϊοντισμός νερού: Η 2 Ο() + Η 2 Ο() Η 3 Ο + (aq) + ΟΗ (aq) Αρχή Le Chatelier: λόγω διάστασης HCl(aq), ισορροπία προς τα αριστερά [Η 3 Ο + ] (από αυτοϊοντισμό νερού) << 1, Μ Ένα διάλυμα HCl(aq) 0,10 Μ έχει [Η 3 Ο + ] = 0,10 Μ Πόση είναι η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ ; 1,0 10 [OH ] 1,0 10 0, = M Ανάλογα ισχύουν για ένα διάλυμα ισχυρής βάσης (NaOH 0,010 Μ) [Η 3 Ο + ] = ; [ΟΗ ] = ;

3 Ουδέτερα, όξινα και βασικά διαλύματα Σε όξινο διάλυμα [Η 3 Ο + ] > 1, Μ Σε ουδέτερο διάλυμα [Η 3 Ο + ] = 1, Μ Σε βασικό διάλυμα [Η 3 Ο + ] < 1, Μ

4 Το ph ενός διαλύματος ph : ο αρνητικός λογάριθμος της γραμμομοριακής συγκέντρωσης των ιόντων υδρονίου: ph = log[η 3 Ο + ] [Η 3 Ο + ] = 1, Μ ph = 3,00 [Η 3 Ο + ] = 5, Μ ph = 4,00 log5,6 = 4,00 0,75 = 3,25 Ο αριθμός των δεκαδικών ψηφίων στην τιμή του ph ισούται με τον αριθμό των σ.ψ. που έχει η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο +! ph > 7,00 [Η 3 Ο + ] < 1, Μ διάλυμα βασικό ph = 7,00 [Η 3 Ο + ] = 1, Μ διάλυμα ουδέτερο ph < 7,00 [Η 3 Ο + ] > 1, Μ διάλυμα όξινο poh = log[oh ] ph + poh = 14,00 (στους 25 ο C)

5 Η κλίμακα του ph [Η 3 Ο + ] HCl(1,0M) Χυμός Νερό με Γάλα Αίμα Σόδα μαγειρικής Αμμωνία ph 0,0 λεμονιού ανθρακικό ph 6,4 ph 7,4 (0,1 Μ) ph 8,4 ph 11,9 ph 2,2-2,4 ph 3,9 ph Οξύ στομάχου Ξίδι Μπύρα Θαλασσινό Γάλα NaOH (1,0 M) ph 1,0-3,0 2,4-3,4 4,0-4,5 νερό μαγνησίας ph 14,0 7,0-8,3 10, Όξινο Ουδέτερο Βασικό

6 Ασκήσεις 15.7 και 15.8 Υπολογισμός του ph από τη συγκέντρωση [Η 3 Ο + ] ή [ΟΗ ] 15.7 Πόσο είναι το ph ενός δείγματος γαστρικού υγρού (πεπτικό υγρό του στομάχου) του οποίου η συγκέντρωση των ιόντων υδρονίου είναι 0,045 Μ; 15.8 Ένα κορεσμένο διάλυμα υδροξειδίου του ασβεστίου έχει συγκέντρωση ιόντων υδροξειδίου 0,025 Μ. Πόσο είναι το ph του διαλύματος;

7 Άσκηση 15.9 Υπολογισμός της συγκέντρωσης [Η 3 Ο + ] από το ph Ένα αναψυκτικό με ανθρακικό έχει ph 3,16. Πόση είναι η συγκέντρωση ιόντων υδρονίου του αναψυκτικού; ph = 3,16 log[η 3 Ο + ] = 3,16 log[η 3 Ο + ] = 3, ,16 = [Η 3 Ο + ] 6, M = 6, M = [Η 3 Ο + ] ή [Η 3 Ο + ] = antilog( ph) = 10 ph = 6, M = 6, M

8 Μέτρηση του ph Για έναν προσεγγιστικό προσδιορισμό της τιμής του ph, μπορεί να χρησιμοποιηθεί πεχαμετρική ταινία ή ειδικό χαρτί διαποτισμένο με μίγμα δεικτών. Η πεχαμετρική ταινία βυθίζεται στο εξεταζόμενο διάλυμα, οπότε αυτή χρωματίζεται χαρακτηριστικά, ανάλογα προς το ph του διαλύματος.

9 Το ph-μετρο Ο πειραματιστής τοποθετεί τα ηλεκτρόδια στο διάλυμα και διαβάζει το ph στην οθόνη του οργάνου. Τα ph-μετρα είναι όργανα ακριβά και ευαίσθητα και γι αυτό απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή κατά τη χρήση τους. Μετά από κάθε χρήση, το ηλεκτρόδιο υάλου εκπλύνεται προσεκτικά με απιοντισμένο νερό. Κατά την παραμονή του Ψηφιακό πεχάμετρο φυλάσσεται μέσα σε ειδικό Ανάλογα με το ph του διαλύματος, διάλυμα, όπως προβλέπει ο δημιουργείται μεταξύ των ηλεκτροδίων κατασκευαστής του οργάνου. ένα δυναμικό (V), το οποίο «μεταφράζεται» από το όργανο απευθείας σε ph.

10 Δείκτες οξέων βάσεων Δείκτες: ασθενή οργανικά οξέα ή ασθενείς οργανικές βάσεις, των οποίων το χρώμα εξαρτάται από το ph του διαλύματος. OH O HO C O C O Όξινη μορφή άχρωμη + H H 3 O + 2 O + ΟΗ HO Ένα διάλυμα φαινολοφθαλεΐνης αρχίζει να γίνεται ροζ σε ph γύρω στο 8,0. Σε ph 9,7 η αλλαγή χρώματος πρακτικά έχει ολοκληρωθεί. C O C O Βασική μορφή ροζ Όταν σε όξινο διάλυμα φαινολοφθαλεΐνης προστίθεται μια βάση, τα ιόντα ΟΗ της βάσης αντιδρούν με Η 3 Ο + του διαλύματος. Σύμφωνα με την αρχή του Le Chatelier, η παραπάνω ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά (για αναπλήρωση των ιόντων Η 3 Ο + ). Έτσι, η άχρωμη όξινη μορφή του δείκτη μετατρέπεται στη ροζ βασική.

11 Δείκτες οξέων-βάσεων σε διαλύματα διαφόρων συγκεντρώσεων οξωνίων.

12 6. ΙΣΟΡΡΟΠΙΕΣ ΟΞΕΩΝ-ΒΑΣΕΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ισορροπίες ιοντισμού οξέων Πολυπρωτικά οξέα Ισορροπίες ιοντισμού βάσεων Οξεοβασικές ιδιότητες διαλυμάτων αλάτων Επίδραση κοινού ιόντος Ρυθμιστικά διαλύματα Καμπύλες ογκομέτρησης οξέος-βάσης

13 Ιοντισμός ασθενών μονοπρωτικών οξέων και βάσεων Ιοντισμός ή διάσταση ασθενούς οξέος ΗΑ στο νερό: H H C H ΗΑ(aq) + Η 2 Ο() Η 3 Ο + (aq) + Α (aq) Η δομή του οξικού οξέος, CH 3 COOH C O O Συντακτικός τύπος του οξικού οξέος H Ιοντισμός οξικού οξέος: Μοντέλο του οξικού οξέος φτιαγμένο από υπολογιστή CH 3 COOH(aq) + H 2 O() H 3 O + (aq) + CH 3 COO (aq)

14 Ιοντισμός ασθενών μονοπρωτικών οξέων και βάσεων Διάσταση ασθενούς οξέος ΗΑ στο νερό: ΗΑ(aq) + Η 2 Ο() Η 3 Ο + (aq) + Α (aq) Σταθερά διαστάσεως ή σταθερά ιοντισμού οξέος, Κ α K a + [H3O ][A ] [HA] Διάσταση ασθενούς βάσεως Β στο νερό: Β(aq) + Η 2 Ο () ΒΗ + (aq) + ΟΗ (aq) Σταθερά διαστάσεως ή σταθερά ιοντισμού βάσεως, Κ b : K b + [BH ][OH ] [B] Βαθμός διαστάσεως ή βαθμός ιοντισμού α : a + [H3O ] [HA] 100%

15 Άσκηση 16.1α Υπολογισμός συγκεντρώσεων ιόντων και αδιάστατων μορίων σε διάλυμα ασθενούς οξέος Υπολογίστε τις συγκεντρώσεις όλων των χημικών ειδών που υπάρχουν σε ένα διάλυμα νιτρώδους οξέος, ΗΝΟ 2, 0,036 Μ. Δίνεται Κ α = 4, Το ΗΝΟ 2, ως ασθενές οξύ, διίσταται εν μέρει: ΗΝΟ 2 (aq) + Η 2 Ο() Η 3 Ο + (aq) + ΝΟ 2 (aq) Ζητείται ο υπολογισμός των [ΗΝΟ 2 ], [ΝΟ 2 ], [Η 3 Ο + ] και [ΟΗ ]. Η έκφραση για τη σταθερά Κ α είναι K a [H O ][ ] = 4,5 10 [HΝΟ ]

16 Άσκηση 16.1α Έστω ότι στη θέση ισορροπίας [Η 3 Ο + ] = x Συγκεντρώσεις (Μ) HΝΟ 2 + Η 2 Ο H 3 O + + ΝO 2 Αρχικές 0, Μεταβολές x +x +x Ισορροπία (0,036 x) x x Αντικαθιστούμε τις συγκεντρώσεις στην έκφραση της Κ α : K a 2 x 0,036 x = 4,510 4 ΠΡΟΣΟΧΗ: C / Κ α < 100 η προσέγγιση 0,036 x 0,036 δεν ισχύει!!! λύνουμε την εξίσωση: x 2 + 4, x 1, = 0 x = 3, M (η αρνητική τιμή απορρίπτεται) [Η 3 Ο + ] = [ΝΟ 2 ] = 3, M [ΗΝΟ 2 ] = (0,036 0,0038) Μ = 0,0322 Μ και [ΟΗ ] = (1, / 3, ) M = 2, M

17 Άσκηση Υπολογίστε τις συγκεντρώσεις όλων των χημικών ειδών, που υπάρχουν σε υδατικό διάλυμα συγκεντρώσεως 0,15 Μ της ασθενούς βάσεως αιθανολαμίνης, ΗΟC 2 H 4 ΝH 2, αν γνωρίζετε ότι το ph του διαλύματος είναι 11,34. Πόση είναι Κ b της αιθανολαμίνης;

18 Ιοντισμός πολυπρωτικών οξέων 1. Διάσταση φωσφορικού οξέος: Η 3 ΡΟ 4 + Η 2 Ο Η 3 Ο + + Η 2 ΡΟ 4 K a 1 [H O ][H PO ] = 7,1 10 [H PO ] Διάσταση διυδρογονοφωσφορικού ιόντος: Η 2 ΡΟ 4 + Η 2 Ο Η 3 Ο + + ΗΡΟ 2 4 K a 2 [H O ][HPO ] = 6, [H2PO 4] 3. Διάσταση υδρογονοφωσφορικού ιόντος: ΗΡΟ Η 2 Ο Η 3 Ο + + ΡΟ 3 4 [H O ][PO ] = 4, K a 3 2 [HPO 4 ] Κ α1 >> Κ α2 >> Κ α3

19 Άσκηση Υπολογισμός συγκεντρώσεων ιόντων σε διάλυμα διπρωτικού οξέος Το ανθρακικό οξύ, Η 2 CΟ 3, ανευρίσκεται σε πολλά σωματικά υγρά (από διαλυμένο CΟ 2 ). (α) Υπολογίστε τη συγκέντρωση του ιόντος υδρονίου σε διάλυμα Η 2 CΟ 3 5, Μ. (β) Πόση είναι η συγκέντρωση του CΟ 3 2 ; Κ α2 = 4, << Κ α1 = 4, [H 3 O + ] μόνο από τον πρώτο ιοντισμό Συγκεντρώσεις (Μ) Η 2 CO 3 (aq) + H 2 O() H 3 O + (aq) + HCO 3 (aq) Αρχικές 5, Μεταβολές x +x +x Ισορροπία (5, x) x x K [H O ] [HCO ] x = 4, 310 x a1 4 [H2CO 3] 5,4510 7

20 Άσκηση C α /Κ α1 = 5, /4, >> 100 (5, x) 5, x 2 = 2, x = 1, x = [Η 3 Ο + ] [ΗCO 3 ] = 1, M Η 3 Ο + και ΗCO 3 : περίπου ίδιες με τις προηγούμενες Συγκεντρώσεις (Μ) ΗCO 3 (aq) + H 2 O() H 3 O + (aq) + CO 2 3 (aq) Αρχικές 1, Μεταβολές z +z +z Ισορροπία (1, ) z (1, ) + z z K [H O ] [CO ] (1,5 10 zz ) = 4, 810 [HCO ] (1, 5 10 ) z a2 5 3 Κ α2 << (1, ) z 1, και (1, ) + z 1, z K a2 z = [CO 3 2 ] 4, M 11

21 Όξινη βροχή 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) SO 3 (g) + H 2 O() H 2 SO 4 (aq) H 2 SO 4 (aq) + H 2 O() HSO 4 (aq) + Η 3 Ο + (aq) H 3 O + (aq) + CaCO 3 (s) Ca 2+ (aq) + HCΟ 3 (aq) + Η 2 Ο() George Washington (Washington Square Park)