ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Τεύχος Γ Χημική Ισορροπία. 1. Οξειδοαναγωγή. 5. Οξέα - Βάσεις κα ι Ιοντική Ισορροπία. 2.

Transcript

1 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Τεύχος Γ Co^HOh@ 6 + ^aqh 6 - ^aqh 4 Cl - ^aqh Cl - ^aqh 6Co^HOh@ + ^aqh+ 4Cl - ^aqh m - ^ aqh + 6HO] l g Οξειδοαναγωγή. Θερμοχημεία 3. Χημική Κινητική 4. Χημική Ισορροπία 5. Οξέα - Βάσεις κα ι Ιοντική Ισορροπία 6. Ηλεκτρονιακή Δομή των Ατόμων κα ι Περιοδικός Πίνακας

2

3 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Τεύχος Γ1 1. Οξειδοαναγωγή. Θερμοχημεία 3. Χημική Κινητική 4. Χημική Ισορροπία 5. Οξέα - Βάσεις και Ιοντική Ισορροπία 6. Ηλεκτρονιακή Δομή των Ατόμων και Περιοδικός Πίνακας i

4 Χημεία Γ Λυκείου Τεύχος Γ1 Παναγιώτης Γ. Κονδύλης, Ph.D. Πολυνίκης Λατζώνης Ιανουάριος ii

5 Αντί προλόγου «Παίζοντας» σωστά με τη Χημεία... Ίσως να σας αρέσει η μουσική ή ίσως ένα συναρπαστικό άθλημα, όπως το ποδόσφαιρο ή η ιστιοσανίδα. Δε μπορείτε, όμως, ποτέ να μάθετε πιάνο πηγαίνοντας στο Μέγαρο μουσικής για ν ακούσετε ένα κονσέρτο, ούτε μπορείτε να μάθετε να παίζετε ποδόσφαιρο βλέποντας τηλεόραση Με παρόμοιο τρόπο δεν μπορείτε να μάθετε Χημεία βλέποντας απλά κάποιον άλλον (π.χ. τον καθηγητή σας, στον πίνακα) να «κάνει» Χημεία. Ούτε διαβάζοντας αποσπασματικά ένα βιβλίο ή τις σημειώσεις σας. Όλα αυτά δεν είναι αρκετά, αν δεν μπορείτε να «κάνετε» Χημεία μόνοι σας. Αυτό, όμως, απαιτεί εξάσκηση σε συνεχή βάση και βέβαια ότι χρειάζεται να γίνεται σε συνεχή βάση απαιτεί αυτοπειθαρχία μέχρις ότου να γίνει συνήθεια. Μπορεί κανείς εύκολα να πελαγώσει αν δεν βρίσκει τις γενικές αρχές σε κάθε ένα κεφάλαιο. Μαθαίνοντας κανείς τα γενικά χαρακτηριστικά και κανόνες σε κάθε θέμα, το πώς δηλαδή αυτό «δουλεύει» σε γενικές γραμμές, τον απελευθερώνει από την απομνημόνευση καθεμίας ερώτησης θεωρίας, καθεμίας εφαρμογής ξεχωριστά. Δένει όλες τις ιδέες μαζί και δεν «χάνεται» στις επιμέρους λεπτομέρειες. Πολλοί μαθητές παλεύουν με τη Χημεία γιατί δε στέκονται στο πως συνδέονται τα διάφορα επιμέρους θέματα ενός κεφαλαίου το ένα με το άλλο, με το πώς οι ιδέες συνδέονται και κάθε μία άσκηση, κάθε ένα πρόβλημα το βλέπουν σαν μοναδικό. Παρατηρείστε για παράδειγμα πώς όλα τα άτομα έχουν ορισμένες βασικές αρχές στην ηλεκτρονιακή τους δόμηση ή πώς όλα τα οξέα και οι βάσεις συμπεριφέρονται ανάλογα στα υδατικά τους διαλύματα. Μετά τη θεωρία και τις ερωτήσεις μαθαίνουμε να λύνουμε ασκήσεις και προβλήματα. «Μα πώς θα μπορέσω να το κάνω αυτό;» μπορεί να αναφωνήσει κάποιος, που ποτέ του δεν έχει καταλάβει τις ασκήσεις και τα προβλήματα της Χημείας. Η απάντηση είναι απλή: Δουλεύοντας τα παραδείγματα των ερωτήσεων, των ασκήσεων και των προβλημάτων! Θα υπάρχουν στα πλαίσια αυτού του βιβλίου αρκετά για να μην πλήξετε. Μπορείτε, λοιπόν, να ακολουθήσετε το εξής μονοπάτι εργασίας: Διαβάστε ένα τμήμα ύλης (θεωρία), διαβάστε προσεκτικά τα παραδείγματα και στη συνέχεια πολεμήστε τις ασκήσεις και τα προβλήματα προς λύση (δεν είναι άλυτα, μπορούν να λυθούν από όλους τους προσεκτικούς αναγνώστες), που έχουν σχέση με το αντικείμενο που διαβάσατε. Οι ασκήσεις και τα προβλήματα θα σας βοηθήσουν να καταλάβετε, αν φθάσατε με επιτυχία στον προορισμό σας, μετά από κάθε κεφάλαιο. Και μην ξεχνάτε ότι στη μάχη αυτή της γνώσης το βιβλίο είναι ο οδηγός, αλλά ο καθηγητής σας είναι ο μεγάλος σας σύμμαχος. Ζητείστε τη βοήθειά του, αν «κολλήσετε» σε ένα πρόβλημα ή μία άσκηση και δεν θυμάστε κάποια άλλη παρόμοια λυμένη. Γενικά, δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό να χάσει κανείς δυσανάλογα πολύ χρόνο σε μία άσκηση, αν δεν «βγαίνει». Εκτός, αν δεν το βλέπει κανείς σαν υποχρέωση, αλλά «just for having fun» Γιατί: Η Χημεία μπορεί να γίνει διασκέδαση, ένα χόμπι. Αν το καταλάβετε έτσι, θα είναι το καλύτερο μάθημα από όλα. iii

6 Στον Γιώργο, στον Δημήτρη, στον Παναγιώτη και στους μαθητές μας, που η περιέργεια και ο ενθουσιασμός τους μας δίνουν ιδέες και οι ερωτήσεις τους συχνά μας διδάσκουν τη διδακτική της Χημείας iv

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελ. ΜΕΡΟΣ Α: ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ενότητα 1 : Οξειδοαναγωγή 1-0 Χημεία και τέρατα: «Γιατί ο σίδηρος σκουριάζει;» Ενότητα : Θερμοχημεία Χημική Κινητική 1-44 Χημεία και τέρατα: «Στο δρόμο για τη Στοκχόλμη!» Ενότητα 3 : Χημική ισορροπία - Απόδοση αντίδρασης Χημεία και τέρατα: «Πόλεμος και επιστήμη!» Ενότητα 4 : Χημική ισορροπία - Αρχή Le Châtelier Χημεία και τέρατα: «Το πείραμα της γάτας!» Ενότητα 5 : Χημική ισορροπία - Σταθερά χημικής ισορροπίας ^K c h Χημεία και τέρατα: Δεν υπάρχει προς το παρόν! Κριτήρια αξιολόγησης ΜΕΡΟΣ Β: ΟΞΕΑ - ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Ενότητα 6 : Οξέα και βάσεις κατά Brønsted - Lowry Χημεία και τέρατα: J. N. Brønsted, «Μερικές παρατηρήσεις για τη θεωρία περί οξέων και βάσεων» Ενότητα 7 : Ιοντισμός του νερού, ph - Διαλύματα ισχυρών οξέων και βάσεων Ενότητα 8 : Διαλύματα ασθενών οξέων και βάσεων - Νόμος αραίωσης του Ostwald Χημεία και τέρατα: «Οργανικές βάσεις σε πτώματα και φάρμακα» Ενότητα 9 : Εξουδετέρωση - Διαλύματα αλάτων Χημεία και τέρατα: «Αντιόξινα φάρμακα» Ενότητα 10 : Επίδραση κοινού ιόντος (Ε.Κ.Ι.) 03-6 Ενότητα 11 : Ρυθμιστικά διαλύματα 7-54 Χημεία και τέρατα: «Το αίμα ως ρυθμιστικό διάλυμα» Ενότητα 1 : Πρωτολυτικοί δείκτες - Ογκομετρήσεις εξουδετέρωσης Χημεία και τέρατα: «Πισίνες και δείκτες!» Ενότητα 13 : Προβλήματα διερευνήσεων με βάση το ph - Επαναληπτικά προβλήματα Χημεία και τέρατα: «Η απόλυτη λύση!» Κριτήρια αξιολόγησης ΜΕΡΟΣ Γ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ Ενότητα 14 : Κβαντικοί αριθμοί και τροχιακά Χημεία και τέρατα: «Πως το φαντάστηκε.» Χημεία και τέρατα: «Ε, λοιπόν, βρήκα μία» Ενότητα 15 : Αρχές δόμησης πολυηλεκτρονιακών ατόμων Χημεία και τέρατα: Το πείραμα της γάτας! (το «πραγματικό») Ενότητα 16 : Δομή περιοδικού πίνακα Χημεία και τέρατα: «Η ανακάλυψη του He» Ενότητα 17 : Μεταβολή ορισμένων περιοδικών ιδιοτήτων Χημεία και τέρατα: «Κάποτε στην Ανατολή!» Κριτήρια αξιολόγησης Απαντήσεις Ερωτήσεων, Ασκήσεων, Προβλημάτων Πίνακας Σχετικών Ατομικών Μαζών Περιοδικός Πίνακας των στοιχείων v

8 vi

9 ΜΕΡΟΣ Α : ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ (Κεφάλαια 1-4 Σχολικού) Οξειδοαναγωγή Θερμοχημεία Χημική Κινητική Χημική ισορροπία

10

11 1 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1.1 Αρχικοί ορισμοί οξείδωσης και αναγωγής I. Πριν από τη διατύπωση των θεωριών για τη δομή του ατόμου και την εξήγηση των χημικών δεσμών με βάση τον κανόνα της οκτάδας, οι αντιδράσεις οξείδωσης και οι αντιδράσεις αναγωγής αντιμετωπίζονταν ως διαφορετικές αντιδράσεις. Σύμφωνα με τις αρχικές θεωρήσεις: Οξείδωση είναι η ένωση ενός στοιχείου με το οξυγόνο ή η αφαίρεση υδρογόνου από μια χημική ένωση. Αναγωγή είναι η ένωση ενός στοιχείου με το υδρογόνο ή η αφαίρεση οξυγόνου από μια χημική ένωση. Παραδείγματα Κατά την αντίδραση καύσης, C + O CO, λέμε ότι ο άνθρακας οξειδώνεται σε CO. Επίσης, στην αντίδραση, Fe O 3 + 3Η Fe + 3Η Ο, λέμε ότι ο σίδηρος ανάγεται σε μεταλλικό σίδηρο. 1Μg: K, L 8, M 8O: K, L 6 11Νa: K, L 8, M 1 17Cl: K, L 8, M 7 Κανόνας της οκτάδας: Τα άτομα έχουν την τάση να συμπληρώσουν τη στιβάδα σθένους τους με οκτώ ηλεκτρόνια (εκτός αν είναι η στιβάδα Κ, που συμπληρώνεται με δύο ηλεκτρόνια), ώστε να αποκτήσουν τη δομή ευγενούς αερίου. II. Aς δούμε με βάση την ηλεκτρονική θεωρία εξήγησης των χημικών δεσμών, την αντίδραση της οξείδωσης του μαγνησίου: Μg + O MgO (σύμφωνα με τον 1ο ορισμό το Mg οξειδώνεται γιατί ενώνεται με το Ο). Κατά το σχηματισμό του MgO, το άτομο του Mg αποβάλλει τα δύο ηλεκτρόνια της εξωτερικής του στιβάδας, τα οποία προσλαμβάνει το άτομο του O, ώστε και για τα δύο άτομα να ισχύει ο κανόνας της οκτάδας: + Mg O Mg O Κάτι ανάλογο συμβαίνει και κατά την αντίδραση, Na + Cl ΝaCl: + Na Cl Na Cl Στην προηγούμενη αντίδραση δεν συμμετέχει το οξυγόνο, αλλά ένα άλλο ηλεκτραρνητικό στοιχείο, το χλώριο, που έχει επίσης την τάση να προσλαμβάνει ηλεκτρόνια. Επίσης, αντί για το Mg συμμετέχει το Νa, ένα άλλο ηλεκτροθετικό στοιχείο, που επίσης έχει την τάση να αποβάλλει ηλεκτρόνια. 1

12 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Με βάση τα προηγούμενα παραδείγματα αναπτύχθηκε ένας άλλος ορισμός για τις αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής, στον οποίο μάλιστα τα δύο φαινόμενα συνυπάρχουν στην ίδια αντίδραση: Οξείδωση είναι η αποβολή ηλεκτρονίων από άτομο ή ιόν. Αναγωγή είναι η πρόσληψη ηλεκτρονίων από άτομο ή ιόν. Έτσι, στην αντίδραση, Μg + O MgO, λέμε ότι το Mg οξειδώνεται γιατί αποβάλλει ηλεκτρόνια, ενώ το Ο ανάγεται, γιατί προσλαμβάνει ηλεκτρόνια. Και βέβαια, όπου υπάρχει οξείδωση θα πρέπει να υπάρχει αναγωγή και άρα θα πρέπει να μιλάμε για οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις και όχι για αντιδράσεις οξείδωσης ή αναγωγής ξεχωριστά. οξείδωση: Mg Mg + + 4e αναγωγή: O + 4e O Για να γίνει οξείδωση δεν είναι απαραίτητο το οξυγόνο, αλλά ένα οποιοδήποτε ηλεκτραρνητικό στοιχείο, όπως π.χ. το F, που έχει τάση να προσλαμβάνει ηλεκτρόνια. Επίσης, για την αναγωγή ενός σώματος δεν είναι απαραίτητη η παρουσία του υδρογόνου, αλλά ενός οποιουδήποτε ηλεκτροθετικού στοιχείου π.χ. του Na, που έχει τάση να αποβάλλει ηλεκτρόνια. Πείραμα. Σε ένα (άχρωμο) υδατικό διάλυμα AgNO3 βυθίζουμε μέρος μικρού φύλλου από Cu. Θα παρατηρήσουμε ότι με την πάροδο του χρόνου το βυθισμένο τμήμα του φύλλου παίρνει ένα ασημί χρώμα, λόγω της επικάλυψής του από στρώμα μεταλλικού Ag. Ταυτόχρονα, το διάλυμα από άχρωμο γίνεται γαλάζιο (λόγω των ιόντων Cu + που σε υδατικό διάλυμα έχουν γαλάζιο χρώμα): Φύλλο Cu Φύλλο Cu άχρωμο διάλυμα ιόντων Ag + διάλυμα ιόντων Cu + (γαλάζιο) Εξισώσεις (διάστασης): AgΝΟ 3 Ag + + ΝΟ 3 Cu(ΝΟ 3 ) Cu + + ΝΟ 3 Το όλο φαινόμενο μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση, AgΝΟ 3 + Cu Ag + Cu(ΝΟ 3 ) ή καλύτερα, λόγω της μετατροπής των αλάτων σε ιόντα (διάσταση): Ag + + ΝΟ 3 + Cu Ag + Cu + + ΝΟ 3 Και πιο απλά: Ag + + Cu Ag + Cu + Αν πραγματοποιούσαμε την α- ντίστροφη αντίδραση, βυθίζοντας ένα φύλλο Ag σε υδατικό διάλυμα Cu(NO3) δεν θα παρατηρούσαμε καμία μεταβολή! Σύμφωνα με την εξίσωση αυτή, ένα άτομο Cu μετατρέπεται σε ιόν Cu +, αποβάλλοντας δύο ηλεκτρόνια, ενώ ταυτόχρονα δύο ιόντα Ag + προσλαμβάνουν δύο ηλεκτρόνια (ένα ηλεκτρόνιο ανά άτομο Ag) και μετατρέπονται σε δύο άτομα Αg. Λέμε ότι ο Cu οξειδώνεται, ενώ ο Ag ανάγεται. Παρά την διεύρυνση στις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής που προκάλεσε ο προηγούμενος ορισμός, υπάρχουν και άλλες αντιδράσεις που παρουσιάζουν τα χαρακτηριστικά των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, αλλά δε μπορούν να συμπεριληφθούν στον ορισμό αυτό, καθόσον δε σχηματίζονται ιοντικές ενώσεις. Έστω, π.χ. οι αντιδράσεις: H + Cl HCl και C + O CO Σύμφωνα με τον 1ο ορισμό περί οξείδωσης και αναγωγής η 1η αντίδραση χαρακτηρίζεται ως αναγωγή του Cl καθόσον ενώνεται με το Η, ενώ η η ως οξείδωση του C καθόσον ο C ενώνεται με το Ο.

13 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ Στις αντιδράσεις αυτές σχηματίζονται οι ομοιοπολικές ενώσεις ΗCl και CO και επομένως δεν παρατηρείται μεταφορά (αποβολή ή πρόσληψη) ηλεκτρονίων αλλά απλή μετατόπιση φορτίων, λόγω των πολωμένων ομοιοπολικών δεσμών στις μοριακές ενώσεις που σχηματίζονται. Για το λόγο αυτό, έχει αναπτυχθεί ένας νέος ορισμός για τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις, με βάση τον αριθμό οξείδωσης (ΑΟ). 1. Αριθμός οξείδωσης (ΑΟ) Ο αριθμός οξείδωσης (ΑΟ) ενός ατόμου είναι μια συμβατική έννοια που, όμως, διευκολύνει σημαντικά τη μελέτη των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. Ορισμός του ΑΟ στις ιοντικές ενώσεις Αριθμός οξείδωσης (ΑΟ) ενός ατόμου (ιόντος) σε μια ιοντική (ετεροπολική) ένωση είναι το πραγματικό φορτίο του ιόντος στην ένωση αυτή. Παραδείγματα Το χλωριούχο ασβέστιο είναι μία ιοντική ένωση που σχηματίζεται ως εξής: Ca Cl Cl Ca + Cl Στην ένωση αυτή ισχύει: AO (Ca) = +, AO (Cl) = 1. Επίσης, στην ιοντική ένωση οξείδιο του μαγνησίου, ΜgO (Mg + O ) ο AO του Mg είναι + και ο AO του O είναι. Ορισμός του ΑΟ στις ομοιοπολικές ενώσεις Σειρά ηλεκτραρνητικότητας F > O > N > Cl > Br > I > C > > Η (μέταλλα) Αριθμός οξείδωσης (ΑΟ) ενός ατόμου σε ομοιοπολική ένωση, ονομάζεται το φαινομενικό φορτίο που θα αποκτήσει το άτομο, αν καθένα από τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων που σχηματίζει το άτομο αυτό με άλλα άτομα αποδοθεί αυθαίρετα στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο (το άτομο που τα έλκει περισσότερο). Σύμφωνα με τον ορισμό, λοιπόν, ο ΑΟ του Cl στο HCl είναι 1, γιατί με τη μετακίνηση του κοινού ζεύγους ηλεκτρονίων προς το Cl, «προσλαμβάνει» ένα ηλεκτρόνιο (το άλλο ηλεκτρόνιο του ζεύγους ήταν δικό του!), ενώ ο ΑΟ του Η είναι +1, γιατί χάνει ένα ηλεκτρόνιο: δ + Η Cl δ Το Cl είναι πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο από το Η Ας δούμε και το παράδειγμα του Η Ο: Η Ο Η Το Ο είναι πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο από το Η 3

14 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Στην ένωση αυτή, το άτομο του Ο σχηματίζει δύο απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς με δύο άτομα Η. Αποδίδοντας τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο του Ο, αυτό φαίνεται να προσλαμβάνει ηλεκτρόνια και επομένως ο ΑΟ του είναι. Επίσης, κάθε άτομο Η «χάνει» ένα ηλεκτρόνιο, οπότε ο ΑΟ του είναι +1. Για την εύρεση του ΑΟ ενός ατόμου σε μία ομοιοπολική ένωση, οι διπλοί και οι τριπλοί δεσμοί υπολογίζονται ξεχωριστά. Έτσι, π.χ. στο μόριο του CO (O=C=O), o ΑΟ του C είναι +4, ενώ ο ΑΟ του O είναι. Στα μόρια των στοιχείων, π.χ. του Cl (Cl Cl) δεν υπάρχει, προφανώς, διαφορά ηλεκτραρνητικότητας, ανάμεσα στα δύο άτομα, οπότε το κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων δεν μπορεί να αποδοθεί σε κανένα από αυτά. Επομένως, στην περίπτωση αυτή: ΑΟ (Cl) = Κανόνες εύρεσης του αριθμού οξείδωσης Ο αριθμός οξείδωσης ενός στοιχείου μπορεί να διαφέρει στις διάφορες ενώσεις που σχηματίζει το στοιχείο. Υπάρχουν, όμως, κάποιοι κανόνες που διευκολύνουν την εύρεσή του: Όλα τα ελεύθερα στοιχεία (και ανεξάρτητα από την ατομικότητά τους) έχουν ΑΟ ίσο με το 0. Π.χ. Na, Cl, Ρ 4 κτλ. Το φθόριο (F) έχει σε όλες τις ενώσεις του ΑΟ = 1, γιατί είναι το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο. Το οξυγόνο (Ο) στις ενώσεις του έχει ΑΟ =, εκτός από την ένωση OF, στην οποία έχει + και στα υπεροξείδια, π.χ. το Η Ο, όπου έχει ΑΟ = 1. Ο AO του υδρογόνου (Η) είναι +1, όταν ενώνεται με αμέταλλα, π.χ. ΗCl και 1 όταν ενώνεται με μέταλλα π.χ. στην ένωση CaH (υδρίδιο του ασβεστίου). Τα μέταλλα στις ενώσεις τους έχουν πάντα θετικό ΑΟ. Τα αλκάλια (π.χ. Li, Na, K) έχουν ΑΟ = +1 και οι αλκαλικές γαίες (π.χ. Ca, Mg) έχουν ΑΟ = +. Τα στοιχεία μετάπτωσης παρουσιάζουν, γενικά, πολλούς ΑΟ, ανάλογα με την ένωση στην οποία συμμετέχουν. Π.χ. στις ενώσεις FeO και Fe O 3 ο Fe παρουσιάζει ΑΟ + και +3, αντίστοιχα. Τα αμέταλλα, όταν ενώνονται με μέταλλα, παρουσιάζουν αρνητικό ΑΟ. (π.χ. στην έ- νωση Κ S το S έχει ΑΟ = ), ενώ όταν ενώνονται με αμέταλλα μπορούν να έχουν είτε θετικό είτε αρνητικό ΑΟ. Π.χ. το Cl στην ένωση Cl O έχει ΑΟ = +1, ενώ στην ένωση PCl 3 έχει ΑΟ = 1. Γενικά, τα περισσότερα αμέταλλα εμφανίζουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης, όταν όμως σχηματίζουν ενώσεις με μέταλλα έχουν αρνητικούς ΑΟ. Στο ΗΟ κάθε άτομο οξυγόνου σχηματίζει δύο ομοιοπολικούς δεσμούς. Στο δεσμό με το άλλο άτομο Ο δεν υπάρχει διαφορά ηλεκτραρνητικότητας, οπότε το κοινό ζεύγος η- λεκτρονίων δεν μπορεί να α- ποδοθεί σε κανένα από τα δύο άτομα Ο. Επομένως, ΑΟ (Ο) = 1. ΚΥΡΙΟΤΕΡΑ ΠΟΛΥΑΤΟΜΙΚΑ ΙΟΝΤΑ ΝΟ3 : νιτρικό SO4 : θειικό CO3 : ανθρακικό PO4 3 : φωσφορικό OH : υδροξείδιο HCO3 : όξινο ανθρακικό CN : κυάνιο NH4 + : αμμώνιο ΠΙΝΑΚΑΣ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΙΘΜΩΝ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΜΕΤΑΛΛΑ Κ, Νa, Ag : +1 Mg, Ca, Ba, Zn : + Αl : +3 Fe : + ή +3 Cu : +1 ή + ΑΜΕΤΑΛΛΑ F : 1 Cl, Br, I : 1 (όταν ενώνονται με μέταλλα) Η : +1 (εκτός αν ενώνεται με μέταλλα, οπότε έ- χει ΑΟ = 1) Ο : (εκτός από τις ενώσεις ΟF και Η Ο, στις οποίες έχει ΑΟ = + και 1, αντίστοιχα) 4

15 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ Αλγεβρικός υπολογισμός του ΑΟ Σε μια ένωση, το αλγεβρικό άθροισμα των ΑΟ όλων των ατόμων είναι ίσο με το μηδέν, ενώ το άθροισμα των ΑΟ των ατόμων σε ένα πολυατομικό ιόν ισούται με το φορτίο του ιόντος. Παραδείγματα α) Για να υπολογίσουμε αλγεβρικά τον ΑΟ του C (έστω x) στην ένωση Νa CO 3 θεωρούμε ότι ο ΑΟ του Na είναι ίσος με +1 και του Ο είναι (βλ. προηγούμενο πίνακα). Επομένως: (+1) + x + 3( ) = 0, x = 4 H ένωση Na3[Fe(CN)6] είναι ιοντική και αποτελείται από 3 κατιόντα Νa + και ένα ανιόν [Fe(CN)6] 3. To ανιόν αποτελείται από 6 ιόντα CN και ένα ιόν Fe, συνδεδεμένα μεταξύ τους. O AO του Fe υπολογίζεται ως εξής: x + 6( 1) = 3, x = +3. β) Υπολογισμός του ΑΟ του Cr στην ένωση Κ Cr O 7 : (+1) + x + 7( ) = 0, x = 6 γ) Υπολογισμός του ΑΟ του Ρ στην ένωση Ca 3 (PO 4 ) : 3(+) + x + 4( ) = 0, x = 5 δ) Υπολογισμός του ΑΟ του Ν στο ιόν NO 3 : x + 3( ) = 1, x = 5 ε) Υπολογισμός του ΑΟ του Ν στο ιόν ΝΗ 4 + : x + 4(+1) = 1, x = 3 Εφαρμογή 1 Να υπολογίσετε αλγεβρικά τον ΑΟ των στοιχείων με έντονα γράμματα στις εξής ενώσεις και ιόντα: H SO 4, ΑlPO 4, SO,, Cr O 7, Κ S O 3 και ΡH + 4. ΑΠΑΝΤΗΣΗ: +6, +5, +4, +6, + και Ο αριθμός οξείδωσης του C στις οργανικές ενώσεις Γενικά, ο ΑΟ του C στις οργανικές ενώσεις παρουσιάζει μεγάλη μεταβλητότητα, από 4 έως +4. Όταν η οργανική ένωση διαθέτει ένα μόνο άτομο C, ο ΑΟ του μπορεί να υπολογιστεί αλγεβρικά, κατά τα γνωστά: CH 4 : x + 4 = 0, x = 4 CH 3 OH : x + 4(+1) = 0, x = HCHO : (+1) + x = 0, x = 0 HCOOH : + x + ( ) = 0, x = + CHCl 3 : x ( 1) = 0, x = + Στις οργανικές ενώσεις, όμως, που περιέχουν δύο ή περισσότερα άτομα C, οι ΑΟ τους μπορεί να είναι διαφορετικοί. Στις περιπτώσεις αυτές, ο ΑΟ υπολογίζεται σύμφωνα με τον ορισμό του ΑΟ στις ομοιοπολικές ενώσεις και με βάση το συντακτικό τύπο της ένωσης. Π.χ. στην ένωση CH 3 CH OH (αιθανόλη) ο ΑΟ του C() υπολογίζεται ως εξής: 5

16 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σειρά ηλεκτραρνητικότητας: O > C > H Ο C() σχηματίζει 3 δεσμούς με αντίστοιχα άτομα Η και ένα δεσμό με το άλλο άτομο C(1). Τα ηλεκτρόνια που αντιστοιχούν στους δεσμούς C H αποδίδονται στο πιο ηλεκτραρνητικό άτομο του C με αποτέλεσμα το άτομο αυτό να φαίνεται να προσλαμβάνει 3 ηλεκτρόνια και να αποκτά φαινομενικό φορτίο 3. Να σημειωθεί ότι ο δεσμός C(1) C() είναι μεταξύ ίδιων ατόμων και δεν συμμετέχει στον υπολογισμό του ΑΟ. Άρα, ο ΑΟ του C() είναι 3. Στην ίδια ένωση ο ΑΟ του C(1) υπολογίζεται ως εξής: H ερώτηση της ημέρας: Ποιος είναι ο αριθμός οξείδωσης του Ο στη διπλανή οργανική έ- νωση; Δηλαδή ο ΑΟ του C(1) είναι 1, καθόσον προσλαμβάνει ηλεκτρόνια από τους δύο δεσμούς C(1) Η και αποβάλει ένα ηλεκτρόνιο προς το άτομο Ο που είναι ηλεκτραρνητικότερο στοιχείο. Εφαρμογή Να υπολογίσετε τον ΑΟ των ατόμων C στην οργανική ένωση που ακολουθεί (μεθυλοπροπενικό οξύ): ΑΠΑΝΤΗΣΗ: C(1): +3, C(): 0, C(3):, C(4): 3. Εφαρμογή 3 Να υπολογίσετε τον ΑΟ των ατόμων C στην ένωση C 3 H 8 (προπάνιο) με την αλγεβρική μέθοδο. Να εξηγήσετε γιατί το αποτέλεσμα δεν είναι αποδεκτό. ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Σύμφωνα με τον αλγεβρικό υπολογισμό του ΑΟ, έχουμε: 6 C 3 H 8 : 3x + 8 = 0, x = 8/3 Με βάση, λοιπόν, τον αλγεβρικό υπολογισμό, ο ΑΟ των ατόμων C είναι κλασματικός α- ριθμός, καθώς όλα τα άτομα άνθρακα στο μόριο του C 3 H 8 δεν έχουν τον ίδιο ΑΟ. Mε βάση το συντακτικό τύπο,

17 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ υπολογίζουμε ότι ο ΑΟ των C(1) και C(3) είναι ίσος με 3, ενώ ο ΑΟ του C() είναι ίσος με. Η τιμή 8/3 αντιστοιχεί απλά στο μέσο όρο των ΑΟ των τριών ατόμων C και προκύπτει ως εξής: ( 3) ( ) Σύγχρονος (3ος) ορισμός των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων Αντιδράσεις οξειδοαναγωγής είναι οι αντιδράσεις στις οποίες μεταβάλλεται ο ΑΟ τουλάχιστον δύο ατόμων ή ιόντων. Η μεταβολή αυτή του ΑΟ πραγματοποιείται, είτε μέσω μεταβίβασης ηλεκτρονίων (ιοντικός δεσμός), είτε μέσω μετατόπισης κοινού ζεύγους ηλεκτρονίων ομοιοπολικού δεσμού προς το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο. Έτσι, ο (3oς) ορισμός που καλύπτει όλες τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις σήμερα είναι ο εξής: Οξείδωση είναι η αύξηση του ΑΟ ατόμου ή ιόντος σε μία αντίδραση. Αναγωγή είναι η μείωση του ΑΟ ατόμου ή ιόντος σε μία αντίδραση. Σε μία οξειδοαναγωγική αντίδραση ένα σώμα (ένωση ή και στοιχείο) λέμε ότι οξειδώνεται όταν αυξάνεται ο ΑΟ σε ένα από τα άτομα που το απαρτίζουν. Το σώμα που προκαλεί την οξείδωση αυτή λέγεται οξειδωτικό μέσο. Κατ αντιστοιχία, ένα σώμα λέμε ότι ανάγεται όταν επέρχεται ελάττωση του ΑΟ σε ένα από τα άτομα που το απαρτίζουν. Το σώμα που προκαλεί την αναγωγή αυτή λέγεται αναγωγικό μέσο. Τα φαινόμενα οξείδωσης και αναγωγής είναι αλληλένδετα. Σε μία αντίδραση οξειδοαναγωγής το σώμα που οξειδώνεται προκαλεί την αναγωγή ενός άλλου σώματος, δηλαδή συμπεριφέρεται ως αναγωγικό μέσο. Αντιθέτως, το σώμα που ανάγεται προκαλεί την οξείδωση ενός άλλου σώματος, δηλαδή συμπεριφέρεται ως οξειδωτικό μέσο. Μπέρδεμα; Όχι ιδιαίτερα, αν δούμε τα κατάλληλα παραδείγματα. Η διπλανή αντίδραση παριστάνεται πιο απλά ως εξής: Zn + H + Zn + + H (τα ιόντα Cl που συνυπάρχουν δε συμμετέχουν στην αντίδραση). Ας δούμε μία αντίδραση, που ήδη ξέρουμε, για να εφαρμόσουμε όσα μάθαμε, μια αντίδραση απλής αντικατάστασης: Zn + HCl ZnCl + H Στην οξειδοαναγωγική αυτή αντίδραση, ο Zn οξειδώνεται, καθώς ο ΑΟ του αυξάνεται από 0 σε +, ενώ το Η (στο HCl) ανάγεται από +1 σε 0 (στο Η ). Ο Zn είναι αναγωγικό σώμα γιατί προκαλεί την αναγωγή του υδρογόνου. Το ΗCl είναι οξειδωτικό σώμα γιατί προκαλεί την οξείδωση του Zn. 7

18 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Εφαρμογή 4 Παρατηρήστε την αντίδραση: 3Η S + ΗNΟ 3 3S + NΟ + 4Η Ο. α) Να εξηγήσετε γιατί η αντίδραση αυτή είναι αντίδραση οξειδοαναγωγής. β) Ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται; γ) Ποιο είναι το οξειδωτικό σώμα και ποιο το αναγωγικό; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Παρατηρούμε ότι ο ΑΟ του S στο H S είναι, ενώ στα προϊόντα σχηματίζεται το στοιχείο S του οποίου ο ΑΟ είναι 0. Επίσης, στο ΗΝΟ 3 το Ν έχει ΑΟ = +5, ενώ στα προϊόντα σχηματίζεται το ΝΟ στο οποίο το Ν εμφανίζει ΑΟ = +. β) Το Ν στην παραπάνω αντίδραση ανάγεται, καθώς ο ΑΟ του μειώνεται από +5 σε +. Αντίθετα, το S οξειδώνεται, γιατί ο ΑΟ του αυξάνεται από σε 0. γ) Το ΗNΟ 3 λέμε ότι είναι οξειδωτικό σώμα, γιατί προκαλεί την οξείδωση του S στο Η S. To H S είναι το αναγωγικό σώμα, καθώς προκαλεί την αναγωγή του Ν στο ΗΝΟ Πότε μία αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική και πότε όχι; Είπαμε ότι οξειδοαναγωγικές είναι οι αντιδράσεις στις οποίες συμβαίνει μεταβολή του ΑΟ σε δύο από τα στοιχεία που συμμετέχουν στην αντίδραση. Στο ένα από αυτά τα στοιχεία αυξάνεται ο ΑΟ ενώ στο άλλο μειώνεται. Πάντως, υπάρχουν αντιδράσεις στις οποίες δεν μεταβάλλεται ο ΑΟ σε κανένα από τα στοιχεία που συμμετέχουν. Οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται μεταθετικές ή μη οξειδοαναγωγικές. Τέτοιες είναι π.χ. οι αντιδράσεις εξουδετέρωσης και οι αντιδράσεις διπλής αντικατάστασης, ενώ αντίθετα οι αντιδράσεις απλής αντικατάστασης είναι οξειδοαναγωγικές. Οι αντιδράσεις σχηματισμού μιας ένωσης από τα συστατικά της στοιχεία είναι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Π.χ. η αντίδραση Η + Ο Η Ο, είναι οξειδοαναγωγική α- ντίδραση, καθώς το Η οξειδώνεται (από 0 σε +1), ενώ το Ο ανάγεται (από 0 σε ). Οι αντιδράσεις αποσύνθεσης είναι επίσης αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Π.χ. η αντίδραση: ΝΗ 3 Ν + 3Η, είναι οξειδοαναγωγική. Στην αντίδραση αυτή το Ν οξειδώνεται από 3 σε 0, ενώ το Η ανάγεται από +1 σε 0. Οι αντιδράσεις διάσπασης, στις οποίες μια ένωση διασπάται σε άλλες απλούστερες ενώσεις ή και στοιχεία, μπορεί να είναι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις ή όχι. Π.χ. η διάσπαση του χλωρικού καλίου, ΚClΟ 3 ΚCl + 3O είναι οξειδοαναγωγική αντίδραση, ενώ η διάσπαση του ανθρακικού ασβεστίου, CaCO 3 CaO + CO, δεν είναι: ΚClΟ 3 ΚCl + 3O Στην αντίδραση αυτή, το Cl ανάγεται από +5 σε 1, ενώ το Ο οξειδώνεται από σε CaCO 3 CaO + CO Τα στοιχεία που συμμετέχουν στην προηγούμενη αντίδραση δεν μεταβάλλουν τον ΑΟ τους και επομένως δεν είναι οξειδοαναγωγική.

19 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ 1.7 Εύρεση συντελεστών σε μία οξειδοαναγωγική αντίδραση Η διπλανή διαδικασία εξασφαλίζει ότι ο αριθμός των η- λεκτρονίων που αποβάλλονται από το σώμα που οξειδώνεται (αναγωγικό σώμα) ισούται με τον αριθμό ηλεκτρονίων που προσλαμβάνει το σώμα που ανάγεται (οξειδωτικό μέσο). Έστω ότι έχουμε τα αντιδρώντα και τα προϊόντα μιας οξειδοαναγωγικής αντίδρασης και θέλουμε νε βάλουμε τους συντελεστές, να κάνουμε δηλαδή ισοστάθμιση μάζας. Γενικά, σε μια πολύπλοκη αντίδραση οξειδοαναγωγής, π.χ. με 5 ή και περισσότερα αντιδρώντα και προϊόντα σώματα, δεν είναι μια απλή υπόθεση. Συνήθως, εκτελούμε τη διαδικασία που ακολουθεί: 1. Έστω η οξειδοαναγωγική αντίδραση: Η S + ΗNΟ 3 S + NΟ + Η Ο Αρχικά, επισημαίνουμε το στοιχείο που οξειδώνεται και το στοιχείο του ανάγεται. Το S από AO = που έχει στο H S πηγαίνει σε 0 (S), ενώ το Ν από +5 που έχει στο ΗΝΟ 3 πηγαίνει σε + (στο ΝΟ). Στα άλλα στοιχεία δεν υπάρχει μεταβολή ΑΟ Η S + ΗNΟ 3 S + NΟ + Η Ο. Σημειώνουμε τις μεταβολές στους ΑΟ. Σύμφωνα με τα παραπάνω, οι μεταβολές στους ΑΟ είναι κατά στο S και κατά 3 στο Ν (κατ απόλυτη τιμή): Η S + ΗNΟ 3 S + NΟ + Η Ο 3 3. Στη συνέχεια εφαρμόζουμε τον εξής κανόνα: Η μεταβολή του ΑΟ του S () πηγαίνει συντελεστής στο Ν, ενώ η μεταβολή του ΑΟ του Ν (3) πηγαίνει συντελεστής στο S: NO Η S + ΗNΟ 3 S + NΟ + Η Ο 3Η S + ΗNΟ 3 3S + NΟ + Η Ο 4. Συμπληρώνουμε τους συντελεστές που λείπουν, κατά τα γνωστά: 3Η S + ΗNΟ 3 3S + NΟ + 4Η Ο Προσοχή θα πρέπει να λαμβάνεται σε περιπτώσεις κατά τις οποίες ένα στοιχείο εμφανίζεται στα προϊόντα και με τον αρχικό του ΑΟ. Π.χ. στην οξειδοαναγωγική αντίδραση, Cu + HΝΟ 3 Cu(ΝΟ 3 ) + ΝO + H O 3 Επίδραση πυκνού διαλύματος HNO3 σε Cu. Παρατηρείται η έκλυση NO (καφέ αέριο). το στοιχείο Ν ανάγεται από +5 (στο ΗΝΟ 3 ) σε +4 (στο ΝΟ ). Παράλληλα, όμως, εμφανίζεται στο ο μέλος της εξίσωσης και με τον αρχικό του ΑΟ (+5), στο προϊόν Cu(ΝΟ 3 ). Στην περίπτωση αυτή, θα βάλουμε συντελεστή στο ΗΝΟ 3 αφού έχουμε βάλει συντελεστές σε όλες τις ενώσεις του ου μέλους, όπου εμφανίζεται το Ν: 9

20 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Cu + HΝΟ 3 Cu(ΝΟ 3 ) + ΝO + H O 1Cu + HΝΟ 3 1Cu(ΝΟ 3 ) + ΝO + H O 1Cu + 4HΝΟ 3 1Cu(ΝΟ 3 ) + ΝO + H O Cu + 4HΝΟ 3 Cu(ΝΟ 3 ) + ΝO + H O Προσοχή επίσης θα πρέπει να λαμβάνεται σε περιπτώσεις κατά τις οποίες το στοιχείο που οξειδώνεται ή ανάγεται εμφανίζεται με δείκτη διάφορο του 1 (συνήθως ). Π.χ. στην ο- ξειδοαναγωγική αντίδραση, : = 1 +4 ΜnO + 1 HCl + MnCl + Cl 0 + H O 1 1 η μεταβολή του ΑΟ του Mn διαιρείται με το δείκτη του Cl πριν πάει συντελεστής: 1ΜnO + HCl 1MnCl + 1Cl + H O ΜnO + 4HCl MnCl + Cl + H O ΜnO + 4HCl MnCl + Cl + H O Παρατήρηση: Αν προκύπτουν κλασματικοί συντελεστές, διπλασιάζουμε τις μεταβολές των ΑΟ, ώστε οι συντελεστές να γίνουν (οι μικρότεροι δυνατοί) ακέραιοι. Οι παραπάνω διαδικασίες για την εύρεση των συντελεστών μιας πολύπλοκης οξειδοαναγωγικής αντίδρασης λέγεται μέθοδος του αριθμού οξείδωσης και εξασφαλίζει ότι «η συνολική μεταβολή του ΑΟ του οξειδωτικού ισούται με τη συνολική μεταβολή του ΑΟ του αναγωγικού». 1.8 Μερικά οξειδωτικά και αναγωγικά σώματα Σε πολλές περιπτώσεις οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων η συμπεριφορά των οξειδωτικών ή των αναγωγικών σωμάτων είναι η ίδια, ανεξάρτητα από το αναγωγικό ή το οξειδωτικό μέσο με το οποίο αλληλεπιδρούν. Παραδείγματα οξειδωτικών μέσων 1) ΚMnO 4 (υπερμαγγανικό κάλιο) παρουσία οξέος, π.χ. HCl, H SO 4 κτλ. Στις αντιδράσεις αυτές το Μn ανάγεται από +7 σε +, σχηματίζοντας άλατα με το ανιόν το οξέος (ΜnCl, MnSO 4 κτλ. Το Κ δεν μεταβάλλει τον ΑΟ και εμφανίζεται στα προϊόντα με τη μορφή άλατος (KCl, K SO 4 κτλ.). Παράλληλα, επέρχεται αποχρωματισμός του ιώδους διαλύματος του ΚMnO 4, καθώς τα άλατα του Mn + είναι άχρωμα. 10

21 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ ) Κ Cr O 7 (διχρωμικό κάλιο) παρουσία οξέος, π.χ. HCl, H SO 4 κτλ. Στις αντιδράσεις αυτές το Cr ανάγεται από +6 σε +3, σχηματίζοντας άλατα του τύπου CrCl 3, Cr (SO 4 ) 3 κτλ. Το Κ δεν μεταβάλλει τον ΑΟ και σχηματίζει άλατα, KCl, K SO 4 κτλ. Παράλληλα, επέρχεται μεταβολή χρώματος του διαλύματος από πορτοκαλί (Κ Cr O 7 ) σε πράσινο (άλατα του Cr 3+ ). 3) Οξείδια μετάλλων, π.χ. CuO. Παρουσία αναγωγικού ο Cu ανάγεται από + σε 0. Παραδείγματα αναγωγικών μέσων 1) Το μονοξείδιο του άνθρακα, CO, το οποίο παρουσία οξειδωτικού μετατρέπεται σε CO. Στην αντίδραση αυτή, ο C οξειδώνεται από + σε +4. ) Η αμμωνία, ΝΗ 3, η οποία παρουσία οξειδωτικού μετατρέπεται, συνήθως, σε αέριο Ν. Στην αντίδραση αυτή, το Ν οξειδώνεται από 3 σε 0. 3) Άλατα του Fe +, τα οποία παρουσία οξειδωτικού οξειδώνονται σε άλατα του Fe Πλήρεις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις Στην ΝΗ3 το Ν οξειδώνεται από 3 σε 0 (Ν). Για το λόγο αυτό, η ΝΗ3 λειτουργεί ως α- ναγωγικό σώμα! 1) Οξείδωση ΝΗ 3 από CuO 3 NH 3 + 3CuO N + 3Cu + 3Η Ο : = 1 ) Οξείδωση CO από διάλυμα ΚΜnO 4, παρουσία H SO 4 5 KMnO 4 + 5CO + 3H SO 4 MnSO 4 + 5CO + 1K SO 4 + 3H O Στην περίπτωση αυτή, ο συντελεστής στο H SO 4 μπαίνει αφού έχουμε βάλει συντελεστές σε όλες τις ενώσεις που περιέχουν S, ενώ ο συντελεστής στο Η Ο μπαίνει στο τέλος. Να σημειωθεί πάλι ότι το διάλυμα του ΚΜnO 4 είναι ιώδες (μωβ) και όταν εκτελεί την οξειδωτική του δράση αποχρωματίζεται καθώς τα ιόντα Μn + είναι άχρωμα. 3) Οξείδωση FeCl από διάλυμα Κ Cr O 7, παρουσία HCl Στο KCrO7 ο συντελεστής που θα έμπαινε θα ήταν 1/ (γιατί ο δείκτης στο Cr είναι ). Για την αποφυγή κλασματικών συντελεστών διπλασιάζουμε τις μεταβολές των ΑΟ. Στην περίπτωση αυτή, οι μεταβολές των ΑΟ θα πρέπει να διπλασιαστούν ώστε να μην προκύψει κλασματικός συντελεστής (στο K Cr O 7 ): 3x = 6 K Cr O 7 + 6FeCl + 14HCl CrCl 3 + 6FeCl 3 + KCl + 7H O 1x = 11

22 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Να χαρακτηριστούν οι αντιδράσεις που ακολουθούν ως οξειδοαναγωγικές ή όχι. Στην περίπτωση οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων να επισημανθεί ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται. α) C + O CO β) Κ + F ΚF γ) Ca(OH) + HCl CaCl + H O δ) CO + Mg(OH) MgCO 3 + H O ε) C + H SO 4 CO + SO + H O ΑΠΑΝΤΗΣΗ Όλες είναι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις εκτός από τις περιπτώσεις γ και δ, που αντιστοιχούν σε μεταθετικές αντιδράσεις (εξουδετέρωσης). Στις δύο αυτές περιπτώσεις δεν υπάρχει μεταβολή του ΑΟ σε κανένα από τα στοιχεία που συμμετέχουν. α) Ο C οξειδώνεται από 0 σε +4 και το Ο ανάγεται από 0 σε. β) Το Κ οξειδώνεται από 0 σε +1 και το F ανάγεται από 0 σε 1. ε) Ο C οξειδώνεται από 0 σε +4 και το S ανάγεται από +6 (στο H SO 4 ) σε +4 (στο SO ).. Να εξηγήσετε γιατί οι αντιδράσεις, α) ΚClΟ 3 ΚCl + 3O και β) Cl + KOH KCl + KClO 3 + H O, είναι οξειδοαναγωγικές ενώ η αντίδραση: γ) CaCO 3 CaO + CO δεν είναι. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Στην ένωση KClO 3 το Cl έχει ΑΟ = +5, ενώ στο KCl το Cl έχει ΑΟ = 1. Επίσης, στην ένωση KClO 3 το Ο έχει ΑΟ =, ενώ στο Ο έχει ΑΟ = 0. Επομένως, η αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική κατά την οποία το Cl ανάγεται και το Ο οξειδώνεται. Να σημειωθεί ότι τα δύο στοιχεία που μεταβάλλουν το ΑΟ τους ανήκουν στην ίδια ένωση. Με άλλα λόγια, το οξειδωτικό σώμα και το αναγωγικό είναι το ίδιο σώμα! β) Το Cl από 0 οξειδώνεται σε +5 (στο KClO 3 ). Το ίδιο στοιχείο ανάγεται από 0 σε 1 (στο KCl). Επομένως, πρόκειται για οξειδοαναγωγική αντίδραση στην οποία το ίδιο στοιχείο ταυτόχρονα οξειδώνεται και ανάγεται. γ) H αντίδραση δεν είναι οξειδοαναγωγική, καθώς κανένα από τα στοιχεία που συμμετέχουν δεν μεταβάλλει τον ΑΟ του. 3. α) Η αντίδραση, CH 3 CH=O + H CH 3 CH OH, χαρακτηρίζεται ως αναγωγή της αιθανάλης. Να εξηγήσετε γιατί, σύμφωνα με τον 1ο και τον 3ο ορισμό. β) Να εξηγήσετε γιατί η πλήρης προσθήκη HCl σε CH CH, CH CH + HCl CH 3 CHCl χαρακτηρίζεται ως οξειδοαναγωγική αντίδραση. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Σύμφωνα με τον 1ο ορισμό η αντίδραση χαρακτηρίζεται ως αναγωγή καθώς η αιθανάλη προσλαμβάνει δύο άτομα Η. Στην ίδια αντίδραση το άτομο C της αλδεϋδομάδας ( CΗ=Ο) ανάγεται καθώς ο ΑΟ μειώνεται από +1 σε 1. Ταυτόχρονα, το Η οξειδώνεται από 0 (στο Η ) σε +1. 1

23 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ β) Στο CH CH και τα άτομα C έχουν ΑΟ = 1, λόγω του δεσμού C H (ο τριπλός δεσμός C C είναι μεταξύ ίδιων ατόμων τα οποία έχουν την ίδια ηλεκτραρνητικότητα και επομένως δεν συμμετέχει στον υπολογισμό του ΑΟ). Στην ένωση CH 3 CHCl οι ΑΟ των δύο ατόμων C διαφοροποιούνται. Το άτομο C που σχηματίζει 3 δεσμούς C H έχει ΑΟ = 3, ενώ το άτομο C που σχηματίζει δύο δεσμούς με δύο άτομα Cl έχει ΑΟ = +1. Επομένως, το ένα από τα δύο άτομα C ανάγεται από 1 σε 3 και το άλλο οξειδώνεται από 1 σε Να γράψετε το κύριο προϊόν της αντίδρασης προσθήκης HBr στο προπένιο (CH 3 CH=CH ), σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov. Nα εξηγήσετε γιατί η α- ντίδραση αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί ως οξειδοαναγωγική, επισημαίνοντας ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Στο προπένιο ο C(1) έχει ΑΟ = και ο C() έχει ΑΟ = 1. Το κύριο προϊόν της αντίδρασης είναι το -βρωμοπροπάνιο, στο οποίο ο C(1) έχει ΑΟ = 3 και ο C() έχει ΑΟ = 0. Με άλλα λόγια, ο C(1) ανάγεται και ο C() οξειδώνεται. Τα υπόλοιπα στοιχεία δεν μεταβάλλουν τον ΑΟ τους. 5. Να προβλέψετε αν ένα διάλυμα FeSO 4 1 M όγκου 100 ml μπορεί να αποχρωματίσει ή όχι ένα άλλο διάλυμα ΚMnO 4 0, Μ όγκου 300 ml, οξινισμένο με H SO 4. ΛΥΣΗ Υπολογίζουμε την ποσότητα (σε mol) του FeSO 4 που υπάρχουν στα 100 ml διαλύματος 1 M: n 1 = 0,1 1 = 0,1 mol FeSO 4. Mε ανάλογο τρόπο υπολογίζουμε τον αριθμό mol που υπάρχουν στα 300 ml του διαλύματος ΚMnO 4 0, Μ: n = 0,3 0, = 0,06 mol ΚMnO 4. ΚMnO FeSO 4 + 8H SO 4 MnSO 4 + 5Fe (SO 4 ) 3 + K SO 4 + 8H O 0,0 mol 0,1 mol Σύμφωνα με τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, τα 0,1 mol FeSO 4 αντιδρούν πλήρως με 0,0 mol ΚMnO 4. Επομένως, το διάλυμα που περιέχει 0,06 mol ΚMnO 4 δεν μπορεί να αποχρωματιστεί, καθώς απομένουν (0,06 0,0) mol KMnO 4 και επομένως παραμένει ιώδης χρωματισμός g δείγματος θείου (S), που περιέχει και ποσότητα αδρανών προσμίξεων, καίγεται πλήρως και το παραγόμενο SO αντιδρά πλήρως με διάλυμα Cl. Σχηματίζεται έτσι διάλυμα με δύο οξέα, το ΗCl και το H SO 4, για την πλήρη εξουδετέρωση των οποίων απαιτούνται 600 ml διαλύματος NaOH Μ. α) Να γραφούν οι χημικές εξισώσεις όλων των παραπάνω αντιδράσεων και να χαρακτηριστούν ως οξειδοαναγωγικές ή όχι. β) Να υπολογιστεί η % w/w περιεκτικότητα του δείγματος θείου σε καθαρό S. Σχετική ατομική μάζα, S:3. 13

24 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΛΥΣΗ α) S + O SO : οξειδοαναγωγική. SO + Cl + H O HCl + H SO 4 : οξειδοαναγωγική, HCl + NaOH NaCl + H O : μεταθετική (εξουδετέρωση), Η SO 4 + NaOH Na SO 4 + H O : μεταθετική (εξουδετέρωση). β) Έστω x mol καθαρού S στο δείγμα των 10 g. S + O SO SO + Cl + H O HCl + H SO 4 x mol x mol x mol x x HCl + NaOH NaCl + H O x x x x Η SO 4 + NaOH Na SO 4 + H O Η συνολική ποσότητα NaOH που απαιτείται για την εξουδετέρωση και των δύο οξέων είναι, επομένως, 4x mol. Επίσης, η ποσότητα του NaOH που περιέχεται στο διάλυμά του είναι: n(naoh) = c V = 0,6 = 1, mol. Επομένως, ισχύει: 4x = 1,, x = 0,3 mol, που αντιστοιχεί σε 0,3 3 = 9,6 g S. Στα 10 g δείγματος έχουμε 9,6 g καθαρού S Στα 100 g x = ; 96 g Άρα, η περιεκτικότητα του δείγματος σε καθαρό S είναι 96% w/w. 7. Κράμα Ag και Ζn έχει μάζα 3,89 g. Όλη η ποσότητα του κράματος κατεργάζεται με διάλυμα HCl, οπότε αντιδρά πλήρως ο Zn, σύμφωνα με την εξίσωση, 14 Ζn + HCl ZnCl + H, ενώ ο Ag δεν αντιδρά. Από την αντίδραση προκύπτουν 0,4 L αερίου Η, σε STP. Στη συνέχεια, ο Αg που υπήρχε στο κράμα αντιδρά πλήρως με διάλυμα HNO 3, σύμφωνα με την εξίσωση: Ag + HNO 3 AgNO 3 + NO + H O, χωρίς συντελεστές. α) Nα υπολογιστεί η μάζα κάθε συστατικού στο αρχικό κράμα. β) Ποιος όγκος του αερίου ΝΟ, σε STP, που προκύπτει από τη δεύτερη αντίδραση; Σχετικές ατομικές μάζες, Cu: 65, Ag:108. ΛΥΣΗ α) H ποσότητα του Η είναι: n = 0,4/,4 = 0,01 mol. Ζn + HCl ZnCl + H 0,01 0,01 mol Η μάζα του Zn είναι 0,01 65 = 0,65 g. Επομένως, η μάζα του Ag θα είναι: 3,89 0,65 = 3,4 g. β) n(ag) = 3,4/108 = 0,03 mol. 3Ag + 4HNO 3 3AgNO 3 + NO + H O 0,03 mol 0,01 mol V(NO) = 0,01,4 = 0,4 L.

25 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1.1. Ο AO ενός αμετάλλου που συμμετέχει σε ιοντική έ- νωση ισούται: A) με το φορτίο του πυρήνα του B) με τον αριθμό ηλεκτρονίων της εξωτερικής του στιβάδας Γ) με τον αριθμό ηλεκτρονίων που αποβάλλει το άτομο του αμετάλλου κατά το σχηματισμό του ιοντικού δεσμού Δ) με το ηλεκτρικό του φορτίο μετά το σχηματισμό του δεσμού 1.. Στις ομοιοπολικές ενώσεις ο AO κάθε ατόμου ισούται με: A) το ηλεκτρικό του φορτίο B) το φαινομενικό φορτίο του ατόμου μετά την απόδοση των κοινών ηλεκτρονίων στο ηλεκτραρνητικότερο άτομο Γ) τον αριθμό των ηλεκτρονίων που έχει στην εξωτερική του στιβάδα Δ) τον αριθμό των ηλεκτρονίων που συνεισφέρει το άτομο 1.3. Το Cl στην ένωση ΝaCl έχει αρνητικό AO διότι: A) κατά τη δημιουργία του ιοντικού δεσμού αποβάλλει ένα ηλεκτρόνιο B) έχει πραγματικό φορτίο 1 Γ) είναι λιγότερο ηλεκτραρνητικό από το Na Δ) το Cl εμφανίζει πάντα AO = Στο μόριο Cl κάθε άτομο Cl έχει AO ίσο με: A) +1, διότι κατά το σχηματισμό του δεσμού μεταξύ των δύο ατόμων Cl εμφανίζεται ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων B 1, διότι κατά το σχηματισμό του δεσμού μεταξύ των δύο ατόμων Cl εμφανίζεται ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων. Γ) 0, διότι το μόριο Cl είναι ηλεκτρικά ουδέτερο Δ) 0, διότι έχει σχηματιστεί ομοιοπολικός δεσμός μεταξύ α- τόμων του ίδιου στοιχείου 1.5. Σε ποια από τις παρακάτω ουσίες το O έχει AO = +; A) CO B) H O Γ) O 3 Δ) OF 1.6. Ο ΑΟ του οξυγόνου στις χημικές ενώσεις CO, H O, OF είναι, αντίστοιχα: A), + και + B), +1 και +1 Γ), 1 και + Δ) +, 1 και [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 1.7. Στις ενώσεις CH 4, CH 3 Cl, CH Cl, CO και CO ο άνθρακας εμφανίζει τους AO: A) 4 και +4 B) 4,, 1, 0 και +4 Γ) 4, 0 και +4 Δ) 4,, 0, + και Οι AO του Ν στις ενώσεις ΝH 3 και ΗΝΟ 3 είναι, αντίστοιχα: A) +3, +5 B) +3, 5 Γ) 3, 5 Δ) 3, Σε ποια από τις παρακάτω ενώσεις ο ΑΟ του C είναι μηδέν; A) CCl 4 B) CO Γ) CH 4 Δ) CH Cl Στην αντίδραση, Cl + H O HCl + HClO, τα άτομα του Cl: A) μόνο οξειδώνονται B) μόνο ανάγονται Γ) άλλα οξειδώνονται και άλλα ανάγονται Δ) ούτε οξειδώνονται ούτε ανάγονται [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Ποια από τις παρακάτω αντιδράσεις δεν είναι οξειδοαναγωγική; A) KOH + HCl KCl + H O B) Βr + NaΙ ΝaBr + I Γ) Νa + H O NaOH + H Δ) Νa + Cl NaCl [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 1.1. Από τις παρακάτω αντιδράσεις: H + Cl HCl (I) CaCO 3 CaO + CO (II) KClO 3 KCl + 3O (III) NaOH + CO NaHCO 3 (IV) αντιδράσεις οξειδοαναγωγής είναι μόνο οι: A) (I) και (II) B) (I), (II) και (III) Γ) (I), (II) και (IV) Δ) (I) και (III) Στο ιόν [Fe(CN) 6 ] 4, ο AO του Fe είναι ίσος με: Α) +3 Β) 3 Γ) + Δ) Στην αντίδραση, 3ΝΟ + H O HNO 3 + NO: A) το Ν οξειδώνεται και το Η ανάγεται B) το Ν οξειδώνεται και το Ο δρα ως οξειδωτικό Γ) ορισμένα άτομα Ν οξειδώνονται ενώ άλλα ανάγονται Δ) δεν παρατηρείται οξειδοαναγωγή Στην αντίδραση, ΝΗ 3 + 3CuO N + 3Cu + 3H O: A) η ΝΗ 3 είναι το αναγωγικό και το CuO είναι το οξειδωτικό B) το άζωτο ανάγεται Γ) ο χαλκός οξειδώνεται Δ) δεν υπάρχει οξειδοαναγωγικό φαινόμενο Από τις ενώσεις: KMnO 4, NH 3, K Cr O 7 και FeCl : A) αναγωγικά είναι το KMnO 4 και K Cr O 7 B) οξειδωτικά είναι το KMnO 4 και K Cr O 7 Γ) οξειδωτικά είναι η NH 3 και το FeCl Δ) αναγωγικά είναι το KMnO 4 και η NH Αν σε υδατικό διάλυμα ΚΜnO 4 /Η SO 4 διαλύσουμε ποσότητα FeCl, τότε το διάλυμα KMnO 4 : A) θα αποχρωματιστεί πλήρως B) δεν θα αποχρωματιστεί Γ) θα αλλάξει χρώμα Δ) είναι πιθανό να αποχρωματιστεί πλήρως Να εξηγήσετε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές (Σ) ή όχι (Λ). α) Η αποβολή ηλεκτρονίων χαρακτηρίζεται ως αναγωγή. β) Στην αντίδραση, C + F CF 4, ο C δρα ως οξειδωτικό. γ) Η αποβολή ηλεκτρονίων από το άτομο στοιχείου και γενικότερα η αύξηση του ΑΟ του ονομάζεται οξείδωση. δ) Ο AO του H στις ενώσεις του είναι +1 εκτός από τις ενώσεις του με μέταλλα, οπότε ο ΑΟ του είναι 1. 15

26 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ε) Στις αντιδράσεις, S + O SO και H + S H S, το S λειτουργεί ως αναγωγικό και ως οξειδωτικό, αντίστοιχα. στ) Κάθε αύξηση του ΑΟ ενός στοιχείου αντιστοιχεί σε ο- ξείδωση και αντιστρόφως κάθε φαινόμενο οξείδωσης αντιστοιχεί σε κάποια αύξηση του ΑΟ ενός στοιχείου. ζ) Σε κάθε οξείδωση παρατηρείται πραγματική αποβολή η- λεκτρονίων. η) Στην αντίδραση, Ca + H CaH, το Η δρα ως αναγωγικό. θ) Για να γίνει οξείδωση δεν είναι οπωσδήποτε απαραίτητο το οξυγόνο, αλλά οποιοδήποτε ηλεκτραρνητικό στοιχείο, που έχει τάση να προσλαμβάνει ηλεκτρόνια. ι) Τα μέταλλα όταν συμμετέχουν ως αντιδρώντα με τη στοιχειακή τους μορφή λειτουργούν ως αναγωγικά Να γράψετε τα γράμματα της στήλης Ι (ουσίες) και δίπλα τον αριθμό της στήλης ΙΙ που αντιστοιχεί στο σωστό αριθμό οξείδωσης του θείου (S) στην αντίστοιχη ουσία: Στήλη Ι (ουσίες) Στήλη ΙΙ (ΑΟ του S) Α. Η S Β. SO. 0 Γ. S 3. Δ. H SO Να υπολογίσετε αλγεβρικά τον ΑΟ του C στις παρακάτω ενώσεις: C H 6, HCHO, HCOOH και (COOH) Δίνεται η αντίδραση, ΚClO 3 KCl + 3O. Nα γράψετε τους αριθμούς οξείδωσης του Κ, του Cl και του Ο στο αντιδρών σώμα και στα προϊόντα της αντίδρασης και να βρείτε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο στοιχείο ανάγεται. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 1.. α) Να υπολογιστούν οι ΑΟ του Cl στις ενώσεις: HCl, HClO, KClO 4, KClO 3. β) Να υπολογιστούν αλγεβρικά οι ΑΟ των στοιχείων Αl, S, N και Cr στις ενώσεις που ακολουθούν: Αl Ο 3, Η SO 4, NH 3, K Cr O α) Να υπολογίσετε τους ΑΟ όλων των ατόμων C στις ενώσεις: CH 3 CH OH (Ι), CH 3 CH=O (ΙΙ), CH 3 COOH (ΙΙΙ). β) Να εξηγήσετε γιατί οι μετατροπές, Ι ΙΙ, Ι ΙΙΙ και ΙΙ ΙΙΙ είναι αντιδράσεις οξείδωσης, σύμφωνα με τον 1ο και τον 3ο ορισμό Δίνεται η αντίδραση (χωρίς συντελεστές): ΜnO + HCl MnCl + Cl + H O. α) Να καθορίσετε το οξειδωτικό και το αναγωγικό σώμα στην παραπάνω αντίδραση. β) Να συμπληρώσετε τη χημική εξίσωση με τους απαραίτητους συντελεστές (μικρότεροι δυνατοί ακέραιοι αριθμοί) Στις μπαταρίες Ni - Cd η ηλεκτρική ενέργεια παρέχεται με τη βοήθεια της αντίδρασης: Cd(s) + NiO (s) + H O(l) Cd(OH) (s) + Ni(OH) (s) α) Να αναγνωρίσετε το στοιχείο που οξειδώνεται και το στοιχείο που ανάγεται. 16 β) Ποιο είναι το οξειδωτικό και ποιο το αναγωγικό μέσο στην αντίδραση αυτή; 1.6. Δίνεται η εξίσωση: K Cr O 7 + HΒr Br + A + B + Γ. α) Να γράψετε τις ενώσεις που αντιστοιχούν στα Α, Β και Γ. β) Nα συμπληρώσετε την εξίσωση με τους συντελεστές. γ) Πως δρα το HΒr στην παραπάνω χημική αντίδραση, ως οξειδωτικό ή αναγωγικό; δ) Να εξηγήσετε αν είναι ορθή η πρόταση: «Όλα τα άτομα βρωμίου στο μόριο του HΒr οξειδώνονται» Να γράψετε την αντίδραση προσθήκης Η Ο στο προπένιο προς το κύριο προϊόν, σύμφωνα με τον κανόνα του Markovnikov. Nα εξηγήσετε γιατί η αντίδραση αυτή είναι οξειδοαναγωγική Nα συμπληρώσετε τις εξισώσεις των αντιδράσεων: α) NH 3 + CuO β) K Cr O 7 + CO + H SO 4 γ) KMnO 4 + FeCl + HCl δ) K Cr O 7 + CO + HCl ε) KMnO 4 + FeSO 4 + H SO 4 στ) KMnO 4 + CH 3 CH OH + H SO 4 CH 3 COOH +... ζ) K Cr O 7 + CH 3 CH(OH)CH 3 + H SO Να συμπληρώσετε τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις που ακολουθούν με τους κατάλληλους συντελεστές. 1) Al + Cu(ΝΟ 3 ) Al(ΝΟ 3 ) 3 + Cu ) Fe O 3 + C Fe + CO 3) CO + I O 5 CO + I 4) HNO 3 + H S NO + S + H O 5) ΗCl + O Cl + H O 6) SO + H S S + H O 7) H O + FeCl + HCl FeCl 3 + H O 8) Cl + KOH ΚCl + KClO 3 + H O 9) CaOCl + NH 3 CaCl + N + H O 10) HNO 3 + Η Ο NO + O + H O 11) HNO 3 + S NO + SO + H O 1) KMnO 4 + HCl MnCl + Cl + KCl + H O 13) K Cr O 7 + HBr CrBr 3 + Br + KBr + H O 14) KMnO 4 + H O + H SO 4 MnSO 4 + O + K SO 4 + H O 15) K Cr O 7 + H S + H SO 4 Cr (SO 4 ) 3 + S + K SO 4 + H O 16) KMnO 4 + SO + H SO 4 +H O ΜnSO 4 +H SO 4 + K SO 4 17) K Cr O 7 + CH 3 CH OH + H SO 4 Cr (SO 4 ) 3 + CH 3 COOH + K SO 4 + H O 18) HCOOH+ΚMnO 4 + Η SO 4 MnSO 4 +CO +K SO 4 +H O 19) Zn + HNO 3 Zn(NO 3 ) + NO + H O 0) K Cr O 7 + SnCl + HCl CrCl 3 + SnCl 4 + KCl + H O 1) M(μέταλλο) + Η SO 4 M (SO 4 ) x + SO + H O ) KMnO 4 + ΜCl x + HCl MnCl + MCl y + KCl + H O 3) Ι + ΗΝΟ 3 ΗΙΟ 3 + ΝΟ + Η Ο 4) Ca 3 (PO 4 ) + SiO + C P 4 + CO + CaSiO 3

27 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ Προβλήματα Να υπολογίσετε τον όγκο διαλύματος K Cr O 7 0, M που απαιτείται για να αντιδράσει πλήρως με 10 ml διαλύματος FeCl 1 Μ, παρουσία ΗCl Στερεό μίγμα μάζας 4,5 g, που αποτελείται από FeCl και FeCl 3, αντιδρά πλήρως με 0 ml διαλύματος KMnO 4 0,1 M, οξινισμένου με HCl. α) Ποιο από τα δύο συστατικά του μίγματος αντιδρά με το KMnO 4 : Να αιτιολογήστε την απάντησή σας. β) Ποια η μάζα καθενός συστατικού στο μίγμα των 4,5 g; 1.3. g δείγματος, που αποτελείται από FeSO 4 και άλλες αδρανείς ύλες, αποχρωματίζουν ακριβώς 0 ml διαλύματος KMnO 4 0,1 M, οξινισμένου με H SO 4. α) Ποια η %w/w περιεκτικότητα του δείγματος σε FeSO 4 ; β) Ποιος όγκος διαλύματος Κ Cr O 7 συγκέντρωσης 1/3 Μ, οξινισμένου με H SO 4, αντιδρά με τα g του δείγματος; Αέριο μίγμα όγκου 8,96 L σε STP αποτελείται από CO και CO. Αν είναι γνωστό ότι το μίγμα αποχρωματίζει 400 ml διαλύματος ΚΜnO 4 0,1 M, οξινισμένο με H SO 4, ποια η %v/v σύσταση του μίγματος; Ποσότητα Cu διαλύεται σε H SO 4 και διεξάγεται η α- ντίδραση (1): Cu + H SO 4 CuSO 4 + SO + H O, χωρίς συντελεστές. Κατά την αντίδραση αυτή παράχθηκε αέριο SO, όγκου 1,1 L σε STP. Ίδια ποσότητα Cu διαλύεται πλήρως σε διάλυμα HNO 3 και λαμβάνει χώρα η αντίδραση (): Cu + HΝO 3 Cu(ΝΟ 3 ) + ΝO + H O (), χωρίς συντελεστές. Πόσα L αερίου NO, (σε STP) θα παραχθούν στην περίπτωση αυτή; g ορείχαλκου (κράμα Cu και Zn) προστίθεται σε περίσσεια διαλύματος H SO 4, οπότε αντιδρά μόνο ο Zn, σύμφωνα με την εξίσωση: Ζn + H SO 4 ΖnSO 4 + H. Aν από την αντίδραση εκλύεται αέριο όγκου 0,67 L σε STP, ποια η %w/w περιεκτικότητα του ορείχαλκου σε Cu; ,05 g κράματος Cu-Ag διαλύεται σε διάλυμα HNO 3, οπότε συμβαίνουν οι αντιδράσεις (χωρίς συντελεστές): Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) + NO + H O και Ag + HNO 3 AgNO 3 + NO + H O α) Να συμπληρώσετε τους συντελεστές στις δύο αντιδράσεις. β) Από τις δύο αντιδράσεις προέκυψαν συνολικά 1,1 L αερίου (μετρημένα σε STP). Ποιες είναι οι μάζες των δύο συστατικών του κράματος; Σε 800 ml διαλύματος ΚΜnO 4 0,1 M οξινισμένο με H SO 4 προστίθεται ποσότητα -προπανόλης μάζας 6 g. Να εξηγήσετε αν θα γίνει αποχρωματισμός του διαλύματος ,8 g μετάλλου (Μ) διαλύονται πλήρως σε ΗΝΟ 3 και προκύπτουν 6,7 L NO(g), σε STP, σύμφωνα με την αντίδραση: Μ + HΝO 3 Μ(ΝΟ 3 ) 3 + ΝO + H O, χωρίς συντελεστές. α) Να γραφεί η παραπάνω χημική εξίσωση συμπληρωμένη με τους κατάλληλους συντελεστές. β) Να υπολογιστεί η σχετική ατομική μάζα του μετάλλου (Μ) Το Η S αντιδρά με διάλυμα KMnO 4 παρουσία H SO 4, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): ΚΜnO 4 + H S + H SO 4 MnSO 4 + S + K SO 4 + H O α) Να εξηγήσετε γιατί η αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική και να σημειώσετε το οξειδωτικό και το αναγωγικό σώμα. β) Να υπολογίσετε την ποσότητα (σε g) του Η S που αποχρωματίζει ακριβώς 500 ml διαλύματος KMnO 4 0,1 Μ οξινισμένου με H SΟ Το KMnO 4 αντιδρά με SnCl, παρουσία HCl, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): ΚΜnO 4 + SnCl + HCl MnCl + SnCl 4 + A + H O α) Nα συμπληρώσετε την εξίσωση με τον τύπο της ένωσης Α, καθώς και με τους κατάλληλους συντελεστές. β) Για την οξείδωση 50 ml διαλύματος SnCl 0, M απαιτούνται 40 ml διαλύματος KMnO 4, παρουσία HCl. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση του διαλύματος KMnO 4. γ) Ποιος όγκος του ίδιου διαλύματος KMnO 4 απαιτείται για την οξείδωση 40 ml διαλύματος FeSO 4 0,5 M, παρουσία H SO 4 ; Ο άνθρακας και το θείο αντιδρούν με Η SO 4 σύμφωνα με τις χημικές εξισώσεις (χωρίς συντελεστές): C + H SO 4 CO + SO + H O S + H SO 4 SO + H O α) Οι παραπάνω αντιδράσεις είναι ή όχι οξειδοαναγωγικές; Να τις συμπληρώσετε με τους κατάλληλους συντελεστές. β) Ισομοριακό μίγμα C και S συνολικής μάζας 8,8 g αντιδρά πλήρως με περίσσεια διαλύματος Η SO 4, σύμφωνα με τις παραπάνω εξισώσεις (σωστά συμπληρωμένες). Σχηματίζεται έτσι ένα αέριο μίγμα που αποτελείται από SO και CO. Να υπολογιστεί ο όγκος του αερίου αυτού μίγματος σε STP Ποσότητα S μάζας 8 g καίγεται πλήρως προς SO. Η ποσότητα του SO που παράχθηκε αντιδρά πλήρως με υδατικό διάλυμα Cl, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): SO + Cl + Η Ο Η SO 4 + HCl. To διάλυμα που προκύπτει περιέχει τα οξέα HCl και H SO 4 και εξουδετερώνονται από διάλυμα ΚOH Μ. α) Να γίνει ισοστάθμιση μάζας (με τους κατάλληλους συντελεστές) στην παραπάνω χημική εξίσωση και να σημειωθεί ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται. β) Ποιος είναι ο όγκος του διαλύματος ΚOH που απαιτείται για την εξουδετέρωση; ΚΟΗ + ΗCl KCl + H O, KOH + H SO 4 K SO 4 + H O α) 18 g μεταλλικού Hg αντιδρούν πλήρως με 300 ml διαλύματος K Cr O 7 0,1 M, παρουσία HCl και προκύπτει έ- νωση του τύπου HgCl x. Nα υπολογιστεί η τιμή του x. β) Άλλα 18 g Ηg αντιδρούν πλήρως με 00 ml διαλύματος K Cr O 7 0,1 M, παρουσία HCl και προκύπτει μίγμα δύο ε- νώσεων του υδραργύρου, HgCl και HgCl. Nα υπολογίσετε το ποσοστό του Hg που οξειδώνεται σε Hg +. 17

28 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ποσότητα CO(g) αντιδρά πλήρως με 500 ml διαλύματος KMnO 4, οξινισμένου με H SO 4 και παρατηρείται ο σχηματισμός 5,6 L CO (g), σε STP. α) Να γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης και να σημειώσετε το οξειδωτικό και το αναγωγικό σώμα. β) Να υπολογίσετε τη μάζα του CO που αντέδρασε. γ) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος του KMnO 4. δ) Η ίδια ποσότητα του παραπάνω διαλύματος ΚΜnO 4, οξινισμένου με H SO 4, αντιδρά πλήρως με 0,5 mol άλατος του τύπου ΜSO 4 (M: μέταλλο με AO = +) και προκύπτει νέο άλας με τύπο M (SO 4 ) x, στο οποίο το μέταλλο Μ έχει AO = +x. Να υπολογίσετε την τιμή του x. ΕΙΔΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Δείγμα ορυκτού αιματίτη, μάζας g, περιέχει Fe O 3 και άλλες αδρανείς ουσίες. Το δείγμα κατεργάζεται με περίσσεια HCl και λαμβάνει χώρα η αντίδραση: Fe O 3 + 6ΗCl FeCl 3 + 3H O (1) Στη συνέχεια, όλη η ποσότητα του παραγόμενου FeCl 3 αντιδρά με Zn, σύμφωνα με την εξίσωση: Zn + FeCl 3 ZnCl + FeCl () To διάλυμα που σχηματίστηκε (διάλυμα Α) μεταφέρθηκε σε ογκομετρική φιάλη των 50 ml και προστίθεται αποσταγμένο νερό μέχρι τη χαραγή (διάλυμα Β). Για την πλήρη ο- ξείδωση 5 ml του διαλύματος Β, απαιτήθηκαν 4 ml K Cr O 7 0,01 M, παρουσία HCl. α) Να εξηγήσετε αν οι αντιδράσεις που αντιστοιχούν στις εξισώσεις (1) και () είναι οξειδοαναγωγικές ή όχι. β) Να γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης οξείδωσης του διαλύματος Β. γ) Να υπολογίσετε την % w/w περιεκτικότητα του αιματίτη σε καθαρό Fe O To θειώδες νάτριο (Na SO 3 ) αντιδρά με το ιώδιο (Ι ) σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): Na SO 3 + I + Η Ο Na SO 4 + HI Για τον εντοπισμό του σημείου στο οποίο ολοκληρώνεται η παραπάνω αντίδραση χρησιμοποιείται άμυλο, το οποίο παρουσία ιωδίου (Ι ) παίρνει βαθύ μπλε χρώμα. α) Να εξηγήσετε αν η παραπάνω αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική και να τη συμπληρώστε με τους συντελεστές της. β) Σε φοιτητή χημείας δίνεται υδατικό διάλυμα Na SO 3 με σκοπό να υπολογίσει τη συγκέντρωσή του. Μεταφέρει σε κωνική φιάλη 50 ml του διαλύματος αυτού και μικρή ποσότητα αμύλου. Στη συνέχεια προσθέτει, σταδιακά, διάλυμα Ι συγκέντρωσης 0, Μ και παράλληλα παρατηρεί το χρώμα του διαλύματος. Με την προσθήκη συνολικά 55 ml διαλύματος Ι, το χρώμα γίνεται απότομα βαθύ μπλε, οπότε η α- ντίδραση ολοκληρώθηκε. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος Na SO 3. Χημεία και τέρατα: «100 και χρόνια μοναξιάς!» Όταν μία σταγόνα νερού στο οποίο είναι διαλυμένο οξυγόνο του αέρα πέφτει σε μία σιδερένια σωλήνα, ο σίδηρος κάτω από τη σταγόνα οξειδώνεται, αποβάλλοντας ηλεκτρόνια: Fe(s) Fe + (aq) + e Τα ηλεκτρόνια αυτά προσλαμβάνονται από κατιόντα Η + και το Ο στις άκρες της σταγόνας παράγοντας νερό: 4e + 4H + (aq) + O (aq) H O(l) Έτσι, όσο πιο όξινο είναι το νερό της σταγόνας τόσο πιο γρήγορη η διάβρωση με την προϋπόθεση της επαρκούς παροχής οξυγόνου. Αν το ph της σταγόνας είναι χαμηλό, αλλά δεν υπάρχει επαρκής ποσότητα οξυγόνου, συμβαίνει κάτι άλλο. Τα ηλεκτρόνια που αποβάλλονται από το σίδηρο προσλαμβάνονται από τα κατιόντα υδρογόνου (μόνο) και προκύπτει αέριο υδρογόνο: H + (aq) + e H (g) Καθώς η διάβρωση προχωρά, το ph της σταγόνας αυξάνεται και αυξάνεται η συγκέντρωση των ιόντων OH. Tα ιόντα αυτά αντιδρούν με το δισθενή σίδηρο παράγοντας αδιάλυτο υδροξείδιο του σιδήρου: Fe + (aq) + OH (aq) Fe(OH) (s) Tα ιόντα Fe + αντιδρούν επίσης με τα ιόντα Η + και το Ο παράγοντας Fe 3+ : Fe + (aq) + 4H + (aq) + O (aq) Fe 3+ (aq) + H O(l) Tα ιόντα Fe 3+ αντιδρούν με τα ιόντα OH παράγοντας Fe(OH) 3 : Fe 3+ (aq) + 3OH (aq) Fe(OH) 3 (s) Η ξήρανση του Fe(OH) 3 οδηγεί στο τριοξείδιο του σιδήρου, μία κοκκινωπή σκόνη, αυτό που λέμε σκουριά. Γιατί τα μεταλλικά μέρη του Τιτανικού διαβρώνονται πολύ αργά; Το θαλασσινό νερό αν και διαβρώνει τα σιδερένια αντικείμενα δεν προξενεί τόσο γρήγορη διάβρωση, π.χ. ο χάλυβας διαβρώνεται με ρυθμό 0,1 mm/έτος. Η ταχύτητα της διάβρωσης είναι ακόμη μικρότερη στα βάθη των ωκεανών για δύο κυρίως λόγους. Πρώτον, στα βάθη των ωκεανών η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου είναι πολύ μικρότερη από ότι στην επιφάνεια και δεύτερο η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή και άρα η ταχύτητα των αντιδράσεων είναι μικρότερες. Αυτό εξηγεί γιατί ο Τιτανικός που βυθίστηκε το 191 διατηρείται σε σχετικά καλό βαθμό μετά από 105 χρόνια μοναξιάς στα βάθη του ωκεανού 18

29 ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-6, να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. 1. Σε μια χημική αντίδραση ως οξειδωτικό χαρακτηρίζεται εκείνη η χημική ουσία που περιέχει: Α) άτομα ή ιόντα που οξειδώνονται Β) οπωσδήποτε άτομο/άτομα οξυγόνου Γ) άτομα ή ιόντα που μειώνεται ο αριθμός οξείδωσής τους Δ) άτομα ή ιόντα που αποβάλλουν ηλεκτρόνια [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016]. Σε ποια από τις παρακάτω ενώσεις ο αριθμός οξείδωσης του C έχει τιμή 0; Α) HCHO Β) HCOOH Γ) CO Δ) CH 3 OH [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] 3. Στο ιόν B(OH) 4, ο ΑΟ του βορίου (Β) είναι: Α) 1 Β) +1 Γ) +4 Δ) Από τις ακόλουθες ενώσεις ή ιόντα μπορεί να αναχθεί προς το σχηματισμό ΝO : A) το N O Β) το NO 3 Γ) το NO Δ) το NO [Π.Μ.Δ.Χ.] 5. Στην αντίδραση που ακολουθεί, 8KI + 9H SO 4 4I + 8KHSO 4 + H S + 4H O, το στοιχείο που ανάγεται είναι το: A) κάλιο Β) ιώδιο Γ) υδρογόνο Δ) θείο Ε) οξυγόνο 6. Στην οξειδοαναγωγική αντίδραση, As S HNO 3 H 3 AsO 4 + 5H SO NO τι από τα παρακάτω ισχύει; A) Το S ανάγεται Β) Το N ανάγεται Γ) Το As οξειδώνεται Δ) Το As ανάγεται Ε) Το As S 5 λειτουργεί ως οξειδωτικό 7. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). α) Στο ιόν SeO 3, ο αριθμός οξείδωσης του Se (σελήνιο) είναι ίσος με +4.. β) Στη χημική αντίδραση που περιγράφεται από την εξίσωση, Br + KI KBr + I, το Br είναι αναγωγικό σώμα. 8. Να χαρακτηριστούν οι αντιδράσεις που ακολουθούν ως οξειδοαναγωγικές ή όχι. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. α) Na + H O NaOH + H β) CO + KOH K CO 3 + H O γ) C + H SO 4 CO + SO + H O 9. Να εξετάσετε αν η αντίδραση που ακολουθεί είναι οξειδοαναγωγική ή όχι. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. 19

30 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 10. Να εξηγήσετε γιατί ο ορισμός, «οξείδωση είναι η αύξηση του αριθμού οξείδωσης ενός ατόμου ή ιόντος» είναι γενικότερος από τον ορισμό, «οξείδωση είναι η αποβολή ηλεκτρονίων». 11. Να συμπληρώσετε την οξειδοαναγωγική αντίδραση: CuO + NH 3, με τα κατάλληλα προϊόντα και τους συντελεστές. Με βάση την αντίδραση αυτή να εξηγήσετε την ισχύ της πρότασης: «Σε κάθε οξειδοαναγωγική αντίδραση η συνολική μεταβολή του ΑΟ του οξειδωτικού είναι ίση με τη συνολική μεταβολή του ΑΟ του αναγωγικού.» 1. Να συμπληρώσετε τις χημικές εξισώσεις που ακολουθούν με τα σώματα που λείπουν (Α, Β και Γ) και με τους κατάλληλους συντελεστές (μικρότεροι δυνατοί ακέραιοι αριθμοί): α) K Cr O 7 + Η S + HCl CrCl 3 + S + A + B β) KMnO 4 + H O + H SO 4 MnSO 4 + O + Γ + Β 13. Διαθέτουμε δείγμα FeSO 4 μάζας 5 g, που περιέχει και αδρανείς προσμίξεις. Διαλύουμε την ποσότητα αυτή σε νερό και οξινίζουμε με H SO 4. Το τελικό διάλυμα απαιτεί για πλήρη αντίδραση 30 ml του διαλύματος KMnO 4 0, M. Nα υπολογίσετε την % w/w περιεκτικότητα του δείγματος σε καθαρό FeSO 4. Σχετικές ατομικές μάζες, Fe:56, S:3, O:16. 0

31 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ.1 Εξώθερμες και ενδόθερμες αντιδράσεις Η θερμότητα είναι μία μορφή ενέργειας που «ρέει» από ένα σύστημα σ ένα άλλο, λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Μονάδα: 1 J. Ειδική μονάδα: 1 cal. 1 cal = 4,184 J. Τα στοιχεία και οι χημικές ενώσεις λειτουργούν ως αποθήκες ενέργειας και όταν συμμετέχουν σε χημικές αντιδράσεις μπορεί να γίνει απελευθέρωση ή απορρόφηση ενέργειας με διάφορες μορφές, π.χ. θερμική, ηλεκτρική, φωτεινή κτλ. H πιο συνηθισμένη μετατροπή είναι η μετατροπή της χημικής σε θερμική ενέργεια (και αντίστροφα), που είναι και το αντικείμενο ενός ειδικού κλάδου της Χημείας, της Θερμοχημείας. Ας δούμε για αρχή δύο παραδείγματα. Παράδειγμα 1: Η καύση του βουτανίου αποδίδεται από την εξίσωση: Εξήγηση των ενεργειακών μεταβολών σε μία αντίδραση. Μία αντίδραση περιλαμβάνει τη μετατροπή των αντιδρώντων σε προϊόντα. Κατά τη διαδικασία αυτή, οι δεσμοί στα αντιδρώντα διασπώνται και δημιουργούνται νέοι δεσμοί που αντιστοιχούν στα νέα μόρια (προϊόντα). Το «σπάσιμο» όμως ενός δεσμού απαιτεί ενέργεια, ενώ η δημιουργία ενός δεσμού παράγει ενέργεια. Έτσι, αν σε μια ορισμένη αντίδραση παράγεται περισσότερη ενέργεια κατά τη δημιουργία των νέων δεσμών, από ότι καταναλώνεται για το «σπάσιμο» των παλιών δεσμών, η αντίδραση θα είναι ε- ξώθερμη. Στην αντίθετη περίπτωση θα είναι ενδόθερμη. 13 C 4 H 10 (g) + O (g) 4CO (g) + 5H O(g) Η αντίδραση αυτή καθώς γίνεται παράγει θερμότητα. Τέτοιες αντιδράσεις που όταν γίνονται ελευθερώνουν ενέργεια στο περιβάλλον υπό μορφή θερμότητας ονομάζονται ε- ξώθερμες αντιδράσεις. H καύση των υδρογονανθράκων και η εξουδετέρωση είναι τυπικά παραδείγματα εξώθερμων αντιδράσεων. Παράδειγμα : Η φωτοσύνθεση είναι μία «έξυπνη» διαδικασία κατά την οποία τα φυτά απορροφούν ηλιακή ενέργεια για να μετατρέψουν το CO και το Η Ο της ατμόσφαιρας σε γλυκόζη (C 6 H 1 O 6 ): 6CO + 6H O + ενέργεια C 6 H 1 O 6 + 6Ο H αντίδραση απαιτεί 15 MJ ενέργειας (ηλιακής) για κάθε 1 kg γλυκόζης που παράγεται! Η ενέργεια αυτή απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία του μεταβολισμού στα ζώα ή τα φυτά. Oι αντιδράσεις που όταν γίνονται απορροφούν θερμότητα από το περιβάλλον ονομάζονται ενδόθερμες. H Θερμοχημεία αποτελεί κλάδο της Θερμοδυναμικής και επικεντρώνεται στις θερμικές μεταβολές που συνοδεύουν τις χημικές αντιδράσεις, δηλαδή, στα ποσά θερμότητας που τελικά εκλύονται ή απορροφώνται σε μία χημική αντίδραση. 1

32 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1. Ενθαλπία αντίδρασης (ΔΗ) Ένα σύστημα αντιδρώντων μορίων περιέχει ενέργεια που οφείλεται στις δυνάμεις των δεσμών που συγκρατούν τα άτομα μέσα στο μόριο, αλλά και στη κίνηση των ατόμων, των ηλεκτρονίων καθώς και του ίδιου του μορίου. Αν δεν υπάρχει αντίδραση, η χημική αυτή ενέργεια παραμένει εγκλωβισμένη στα μόρια. Το θερμικό περιεχόμενο ενός χημικού συστήματος που ανταλλάσσεται ως θερμότητα με το περιβάλλον κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης αποδίδεται με τον όρο ενθαλπία και συμβολίζεται με το γράμμα Η. Να προσέξουμε ότι η ενθαλπία δεν είναι θερμότητα. Ένα σώμα έχει ενθαλπία, αλλά όχι θερμότητα. Όταν όμως ένα σύστημα ανταλλάσσει θερμότητα με το περιβάλλον του, αλλάζει η ενθαλπία του. Η ενθαλπία είναι μία καταστατική ιδιότητα ενός συστήματος, εξαρτάται δηλαδή μόνο από την ποσότητά του και τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, και όχι από τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα έφτασε στην κατάσταση αυτή. Η καύση του CH 4 είπαμε ότι είναι μία εξώθερμη αντίδραση και παριστάνεται με την εξής θερμοχημική εξίσωση: Η ενθαλπία ενός συστήματος ορίζεται ως εξής: Η = U + P V, όπου U η εσωτερική ενέργεια του συστήματος. Προκύπτει ότι είναι καταστατική ιδιότητα και η μεταβολή της, υπό σταθερή πίεση, ΔH = ΔU + P ΔV, ισούται με το απορροφούμενο ή εκλυόμενο ποσό θερμότητας. CH 4 (g) + O (g) CO (g) + H O(l), ΔΗ = 890 kj Οι ενεργειακές μεταβολές στην περίπτωση αυτή φαίνονται στο διάγραμμα που ακολουθεί: E Από το διάγραμμα προκύπτει ότι το σύστημα των αντιδρώντων, 1 mol CH 4 (g), mol O (g) έχει ενθαλπία κατά 890 kj μεγαλύτερη από το σύστημα των προϊόντων, 1 mol CO (g), mol H O(l) και ότι κατά τη μετατροπή αυτή υπό σταθερή πίεση ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 890 kj. Στην περίπτωση των ενδόθερμων αντιδράσεων, το αντίστοιχο ενεργειακό διάγραμμα είναι το εξής: E 1 mol CH 4, mol O ενθαλπία αντιδρώντων (Η π ) ΔΗ < 0 q = +890 kj (έκλυση θερμότητας προς το περιβάλλον) mol Η Ο(l), 1 mol CO ενθαλπία προϊόντων (Η α ) προϊόντα ΔΗ > 0 αντιδρώντα q < 0 (απορρόφηση θερμότητας από το περιβάλλον) H ενθαλπία είναι καταστατική ιδιότητα. mol ΗΟ(g) σε Ρ = 1 atm και θ = 5 C έχουν την ίδια ενθαλπία, είτε σχηματίστηκαν από την αντίδραση mol Η με 1 mol Ο, είτε με εξάτμιση mol υγρού νερού. Η διάλυση του NH4Cl στο νερό είναι ενδόθερμο φαινόμενο. Έ- τσι όταν η ουσία αυτή διαλυθεί σε νερό σε δοκιμαστικό σωλήνα, ο σωλήνας ψύχεται, καθώς απορροφάται θερμότητα από αυτόν για να επιτευχθεί η διάλυση. NH 4 Cl(s) + H O(l) NH 4 Cl(aq), ΔΗ > 0 Παράδειγμα: Όταν 1 mol N (g) αντιδρά με 1 mol O (g) προς σχηματισμό mol NO(g), υπό σταθερή πίεση, απορροφάται ποσό θερμότητας ίσο με 180,5 kj. Το φαινόμενο εκφράζεται με την εξίσωση που ακολουθεί: N (g) + O (g) NO(g), ΔΗ = +180,5 kj

33 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Συνοπτικά: Αντίδραση Ενδόθερμη Αντίδραση Εξώθερμη α- ντίδραση Η πρ > Η αντ ΔΗ > 0 q < 0 Η πρ < Η αντ ΔΗ < 0 q > 0 Απορρόφηση θερμότητας από το περιβάλλον Έκλυση θερμότητας προς το περιβάλλον Η ενθαλπία, λοιπόν, χρησιμοποιείται ως «εργαλείο» για να περιγράψουμε τη ροή θερμότητας σε μία αντίδραση που γίνεται υπό σταθερή πίεση και κάτω από ορισμένες συνθήκες (συνήθως οι αντιδράσεις πραγματοποιούνται σε ανοικτά δοχεία υπό σταθερή ατμοσφαιρική πίεση). Όταν από τα αντιδρώντα πάμε στα προϊόντα η ενθαλπία αλλάζει και η μεταβολή αυτή αντιστοιχεί στη θερμότητα που α- νταλλάσσεται με το περιβάλλον. Στις χημικές αντιδράσεις -αλλά και σε όλες τις φυσικοχημικές μεταβολές- η ενθαλπία των αντιδρώντων ή των προϊόντων δε μπορεί άμεσα να προσδιοριστεί, αλλά εκείνο που μας ενδιαφέρει είναι η μεταβολή της ενθαλπίας (ΔΗ). Αν η μεταβολή αυτή αναφέρεται σε μία χημική αντίδραση, η μεταβολή ενθαλπίας ΔΗ μεταξύ των αντιδρώντων και προϊόντων, για δεδομένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας ονομάζεται ενθαλπία αντίδρασης. Δηλαδή: Ενθαλπία αντίδρασης: ΔΗ = Η προϊόντων Η αντιδρώντων Όταν τόσο τα αντιδρώντα όσο και τα προϊόντα λαμβάνονται στην πρότυπή τους κατάσταση, η αντίστοιχη μεταβολή της ενθαλπίας σε μία αντίδραση ονομάζεται πρότυπη ενθαλπία α- ντίδρασης και συμβολίζεται με ΔΗ ο. Εφόσον η αντίδραση πραγματοποιείται υπό σταθερή πίεση, η ενθαλπία αντίδρασης, ΔΗ, ισούται με το απορροφούμενο ή εκλυόμενο ποσό θερμότητας q και η μεταβολή αυτή είναι ανεξάρτητη από τον τρόπο (τις συνθήκες) με τον οποίο πάμε από τα αντιδρώντα στα προϊόντα, δηλαδή: ΔΗ = q. Καθώς η μεταβολή της ενθαλπίας σε μια χημική αντίδραση, εξαρτάται από τις συνθήκες που λαμβάνονται τα αντιδρώντα και τα προϊόντα, θα πρέπει να οριστεί κάποια κατάσταση αναφοράς ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση των λαμβανομένων τιμών. Σαν τέτοια έχει οριστεί η πρότυπη κατάσταση. Η πρότυπη κατάσταση μιας ουσίας (στοιχείου ή ένωσης) είναι η πιο σταθερή μορφή της σε θερμοκρασία 5 C και σε πίεση 1 atm (και για διαλύματα, c = 1 Μ)..3 Τι είναι η χημική κινητική Είδαμε στις προηγούμενες παραγράφους τις ενεργειακές μεταβολές οι οποίες συνοδεύουν μία χημική αντίδραση με τη μορφή θερμότητας. Στη συνέχεια θα μας απασχολήσει μια χημική αντίδραση σε σχέση με έναν άλλο βασικό παράγοντα, το χρόνο. Παραδείγματα H καύση του προπανίου, C 3 H 8, είναι μια ταχύτατη αντίδραση. Αντίθετα, το σκούριασμα του σιδήρου στην ατμόσφαιρα (μετατροπή του Fe σε Fe O 3 ) είναι μια αργή αντίδραση και τις περισσότερες περιπτώσεις θέλουμε να την κάνουμε ακόμη πιο αργή! Υπάρχουν επίσης και πολύ πιο αργές αντιδράσεις, τόσο πολύ αργές που πρακτικά «δε γίνονται». Tα παραπάνω είναι φαινόμενα με τα οποία ασχολείται ένας ειδικός κλάδος της φυσικοχημείας, η χημική κινητική. 3

34 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Πιο συγκεκριμένα η χημική κινητική μελετά: α) Το πόσο γρήγορα ή πόσο αργά γίνεται μία αντίδραση, το ρυθμό δηλαδή με τον οποίο τα αντιδρώντα μετασχηματίζονται στα προϊόντα (ταχύτητα αντίδρασης). β) Τους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα μιας αντίδρασης. γ) Τα τυχόν ενδιάμεσα στάδια ή στοιχειώδεις αντιδράσεις που ακολουθεί μία αντίδραση για να οδηγηθεί από τα αντιδρώντα στα προϊόντα. Τo σύνολο των ενδιάμεσων αυτών σταδίων καθορίζει το λεγόμενο μηχανισμό της αντίδρασης..4 Θεωρία των συγκρούσεων Ας ξεκινήσουμε από τα «αυτονόητα». Για να αντιδράσουν δύο μόρια πρέπει να συγκρουστούν μεταξύ τους, ώστε να «σπάσουν» οι παλιοί δεσμοί στα αντιδρώντα και να δημιουργηθούν οι νέοι δεσμοί που αντιστοιχούν στα προϊόντα. Αυτό είναι η κεντρική ιδέα της θεωρίας των συγκρούσεων, που διατυπώθηκε το 1888 από το Σουηδό χημικό Svante Arrhenius. Σύμφωνα με τη θεωρία των συγκρούσεων: Για να είναι μία σύγκρουση μεταξύ των αντιδρώντων μορίων αποτελεσματική (να οδηγήσει, δηλαδή, σε αντίδραση) θα πρέπει τα αντιδρώντα μόρια να έχουν την κατάλληλη ενέργεια (κινητική) και το σωστό προσανατολισμό. Τι σημαίνει κατάλληλος προσανατολισμός σε μία σύγκρουση; Έστω π.χ. η αντίδραση: CO(g) + NO (g) CO (g) + NO(g), Σε ένα μίγμα αερίων Η και Ι σε συνηθισμένη θερμοκρασία παράγονται συγκρούσεις το δευτερόλεπτο. Αν όλες αυτές οι συγκρούσεις οδηγούσαν στο σχηματισμό του προϊόντος (ΗΙ), τότε η αντίδραση θα ολοκληρωνόταν σε λιγότερο από 1s. Στην πραγματικότητα όμως η αντίδραση σε θερμοκρασία δωματίου (5 ο C) η αντίδραση είναι πολύ αργή καθώς μόνο μία σε κάθε συγκρούσεις οδηγεί στο προϊόν. η οποία απαιτεί τη σύγκρουση μορίων CO με μόρια ΝΟ. Αν η σύγκρουση γίνει με τον τρόπο που ακολουθεί, δεν μπορεί να είναι αποτελεσματική, καθώς δεν διευκολύνεται η σύνδεση του ατόμου C με ένα επιπλέον άτομο Ο του NO. Αντίθετα, η σύγκρουση, μπορεί να είναι αποτελεσματική, καθώς το άτομο C του CO συγκρούεται με ένα άτομο Ο του ΝΟ. Τι σημαίνει κατάλληλη ενέργεια; Σημαίνει ότι τα αντιδρώντα μόρια θα πρέπει να υπερπηδήσουν ένα «φράγμα» κινητικής ενέργειας, ώστε η σύγκρουση να οδηγήσει σε αντίδραση. Η ελάχιστη τιμή της κινητικής ενέργειας των αντιδρώντων που απαιτείται για να είναι μία σύγκρουση αποτελεσματική ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης (Ε a ) και εμφανίζεται α- νεξάρτητα αν η αντίδραση είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. 4

35 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Για την εξώθερμη αντίδραση, Ν Ο(g) + ΝΟ(g) Ν (g) + ΝΟ (g), ι- σχύει: Ea = 09 kj. To ενεργοποιημένο σύμπλοκο είναι της μορφής: Ν Ν Ο Ν Ο Παρατηρούμε ότι ο δεσμός Ν Ο στο ΝΟ έχει εξασθενίσει, ενώ έχει αρχίσει να σχηματίζεται ο δεσμός Ο Ν στο ΝΟ. Ε.5 Θεωρία της μεταβατικής κατάστασης Σύμφωνα με τη θεωρία της μεταβατικής κατάστασης, τα αντιδρώντα κατά τη σύγκρουση απορροφούν την ενέργεια ενεργοποίησης E a και σχηματίζουν ένα ασταθές σωματίδιο υ- ψηλής ενέργειας, το ενεργοποιημένο σύμπλοκο που διασπάται ταχύτατα σχηματίζοντας είτε τα προϊόντα είτε τα αρχικά σώματα (αντιδρώντα). Τα ενεργειακά διαγράμματα για μία εξώθερμη αντίδραση, της μορφής: Α + Β Γ + Δ, καθώς και για την αντίστροφή της, Γ + Δ Α + Β (προφανώς ενδόθερμη) αποδίδονται στα διαγράμματα που ακολουθούν: 1 mol A, 1 mol B Ενεργοποιημένο σύμπλοκο Ε 1 mol Γ, 1 mol Δ ΔΗ < 0 Ε 1 mol Γ, 1 mol Δ Ενεργοποιημένο σύμπλοκο Ε a 1 mol A, 1 mol B ΔΗ > 0 πορεία αντίδρασης πορεία αντίδρασης Για την αντίστροφη αντίδρασης, Γ + Δ Α + Β, η ενέργεια ενεργοποίησης (Ε a ) δίνεται από τη σχέση: Ε a = E a + ΔΗ, ενώ για την ενθαλπία ισχύει: ΔΗ = ΔΗ. Δ[Ν] = μεταβολή της συγκέντρωσης του Ν = τελική συγκέντρωση του Ν αρχική συγκέντρωση του Ν, στο θεωρούμενο χρονικό διάστημα Δt. Στην διπλανή αντίδραση η Δ[Ν] = [Ν]τελ [Ν]αρχ είναι προφανώς αρνητική, καθώς στα αντιδρώντα η συγκέντρωση συνεχώς μειώνεται. Αντίθετα, στα προϊόντα η μεταβολή της συγκέντρωσης είναι θετική, καθώς η συγκέντρωσή τους αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου..6 Ορισμός της ταχύτητας αντίδρασης Η ταχύτητα μιας αντίδρασης είναι ο ρυθμός μετατροπής των αντιδρώντων σε προϊόντα. Προφανώς, οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων μειώνονται με την πάροδο του χρόνου, ενώ οι συγκεντρώσεις των προϊόντων αυξάνονται. Έστω π.χ. η αντίδραση: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) O ρυθμός κατανάλωσης του Ν, του Η καθώς και η ταχύτητα παραγωγής της ΝΗ 3 δίνεται, αντίστοιχα, από τις σχέσεις, Δ[Ν ] υ N = Δ[Η ], υ Η = Δt, Δt υ ΝΗ 3 = Δ[ΝΗ3 ] Δt όπου [Ν ] η συγκέντρωση του Ν και Δ[Ν ] η μεταβολή της συγκέντρωσης του Ν σε ένα χρονικό διάστημα Δt (αντίστοιχα και για τα άλλα σώματα της αντίδρασης). Οι μεταβολές των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων είναι αρνητικές και σε αυτές εισάγεται το πρόσημο ( ) ώστε τα αντίστοιχα μεγέθη να είναι θετικά. Καθώς τα x mol Ν αντιδρούν με 3x mol Η παράγοντας x mol NH 3, θα ισχύουν: υ Η = 3 υ Ν και υ ΝΗ 3 = υν. Με άλλα λόγια, ο ρυθμός μείωσης της συγκέντρωσης του Η είναι 3πλάσιος από το ρυθμό μείωσης της συγκέντρωσης του Ν, ενώ ο ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης της NH 3 είναι πλάσιος από το ρυθμό μείωσης της συγκέντρωσης του Ν. 5

36 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Για την προηγούμενη αντίδραση, η μέση ταχύτητα σε κάποιο θεωρούμενο χρονικό διάστημα Δt ορίζεται ως εξής: Δ[Ν ] υ = 1 Δ[Η ] = Δt 3 Δt = Δ[ΝΗ 1 3 Δt ] Γενικότερα η μέση ταχύτητα της αντίδρασης (α, β, γ, δ: συντελεστές), αα + ββ γγ + δδ για κάποιο χρονικό διάστημα Δt εκφράζεται ως εξής: υ = 1 Δ[ Α] = α Δt 1 Δ[ Β] β Δt = 1 Δ[ Γ] = γ Δt 1 Δ[ Δ] δ Δt Ο ορισμός της ταχύτητας μιας αντίδρασης δεν εκφράζεται με βάση τα στερεά αντιδρώντα, καθώς σε αυτά δε μπορεί να α- ποδοθεί συγκέντρωση (δεν είναι σε ομογενή διαμερισμό στο δοχείο της αντίδρασης) και η συγκέντρωσή τους θεωρείται σταθερή και ίση με 1 Μ. Μονάδες ταχύτητας αντίδρασης. Από τον παραπάνω ορισμό της ταχύτητας αντίδρασης, προκύπτει η μονάδα mol L 1 s 1 ή 1 Μ s 1. Σε πιο αργές αντιδράσεις χρησιμοποιείται και η μονάδα Μ min 1. Προφανώς ισχύει: 1 mol L 1 s 1 = 60 mol L 1 min 1. Στιγμιαία ταχύτητα. Η μαθηματική έκφραση για τη στιγμιαία ταχύτητα μιας χημικής α- ντίδρασης της γενικής μορφής: αα + ββ γγ + δδ, για κάποια χρονική στιγμή t είναι η εξής: [ ] 1 d Α υ = α dt = 1 d[ Β] = β dt 1 d[ Γ] = γ dt 1 d[ Δ] δ dt όπου d[α), d[b], d[γ] και d[δ] απειροελάχιστες μεταβολές των αντίστοιχων συγκεντρώσεων σε μία απειροελάχιστη μεταβολή dt του χρόνου στη χρονική στιγμή t. Εφαρμογή 1 Ο ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του HΙ(g), σύμφωνα με την αντίδραση: Η (g) + Ι (g) HΙ(g), σε κάποιο χρονικό διάστημα Δt είναι ίσος με 0,04 mol L 1 s 1. α) Ποιος είναι ο ρυθμός μείωσης της συγκέντρωσης του Η (g) στο ίδιο χρονικό διάστημα; β) Ποια είναι η τιμή της ταχύτητας της αντίδρασης στο χρονικό διάστημα Δt; α) Ο ρυθμός μείωσης της [Η ] είναι: υ Η = Δ[Η ] (1). Δt Δ[ΗΙ] O ρυθμός αύξησης της [ΗΙ] είναι: υ ΗΙ = (). Δt Καθώς υ ΗΙ = υη, προκύπτει: υ Η = 0,0 mol L 1 s 1. β) Η ταχύτητα της παραπάνω αντίδρασης ορίζεται ως εξής: Δ[Η ] 1 υ = = 0,0 mol L 1 s Δt 6

37 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Εφαρμογή Έστω η αντίδραση που περιγράφεται από την εξίσωση: 4HCl(g) + O (g) H O(g) + Cl (g) Να γράψετε την έκφραση του ορισμού της ταχύτητας της αντίδρασης, καθώς και τις εκφράσεις των ρυθμών μείωσης της συγκέντρωσης του HCl και του O και των ρυθμών αύξησης της [H O] και του [Cl ]. Να γράψετε επίσης τις σχέσεις που έχουν οι παραπάνω ρυθμοί μεταβολής των συγκεντρώσεων με την ταχύτητα της αντίδρασης. Παρόλο που από μαθηματική άποψη η ταχύτητα μιας αντίδρασης θεωρητικά δεν μηδενίζεται ποτέ (τείνει ασυμπτωτικά στην τιμή 0), πρακτικά από κάποια χρονική στιγμή (tv) και μετά θεωρούμε ότι έ- χει ουσιαστικά μηδενιστεί. 1 υ = 4 υ ΗCl Δ[ΗCl] Δt Δ[ΗCl] =, υ O = Δt υ ΗCl = 4υ, υ = υ, υ O = υ, O Δ[O ] = = 1 Δ[Η O] 1 Δ[Cl] Δt Δt = Δt Η Δ[O ], υ = Δt Η O υ Cl = υ Δ[Η O], υ = Δt Cl Δ [Cl ] Δt H ταχύτητα μιας αντίδρασης δεν είναι σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Συνήθως, για t = 0, η ταχύτητα έχει τη μέγιστη τιμή, με την πάροδο του χρόνου, όμως, μειώνεται συνεχώς και τείνει ασυμπτωτικά στην τιμή 0 (τέλος αντίδρασης). Σε σπάνιες περιπτώσεις (π.χ. σε περιπτώσεις που τα αντιδρώντα είναι στερεά), η ταχύτητα της αντίδρασης είναι σταθερή. Έτσι, το διάγραμμα της ταχύτητας μιας αντίδρασης με την πάροδο του χρόνου έχει, συνήθως, την εξής μορφή: υ max.7 Καμπύλες αντίδρασης t t v Καμπύλη αντίδρασης είναι η γραφική παράσταση της συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος ή ενός προϊόντος σε συνάρτηση με το χρόνο κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης. Περίπτωση 1: Τα δύο συστατικά είναι σε στοιχειομετρική αναλογία Με τον όρο στοιχειομετρική αναλογία εννοούμε ότι οι αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων βρίσκονται σε αναλογία mol ίδια με την αναλογία των συντελεστών με τους οποίους αντιδρούν. Για παράδειγμα, αν και τα δύο αντιδρώντα έχουν συντελεστή 1, στοιχειομετρική αναλογία σημαίνει ίσες αρχικές ποσότητες, σε mol. Μάλιστα, όταν τα δύο αντιδρώντα βρίσκονται αρχικά σε στοιχειομετρική αναλογία, στο τέλος της αντίδρασης οι ποσότητες και των δύο θα είναι ίσες με το 0. Σε δοχείο όγκου V = L στους θ o C εξελίσσεται από t = 0 μέχρι t = t v, η αντίδραση: SO (g) + Ο (g) SO 3 (g). Οι αρχικές ποσότητες των SO (g) και Ο (g) είναι, έστω, 4 mol και mol, αντίστοιχα. Δηλαδή, οι αρχικές ποσότητες των δύο αντιδρώντων είναι σε στοιχειομετρική αναλογία. 7

38 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Καταστρώνουμε τον πίνακα που ακολουθεί στον οποίο με ( ) σημειώνονται οι μεταβολές στις ποσότητες των αντιδρώντων που αντιδρούν και με (+) οι μεταβολές στις ποσότητες των προϊόντων που παράγονται: mol SO (g) + Ο (g) SO 3 (g) Αρχικά (t = 0) 4 Μεταβολές 4 +4 Τελικά (t v ) +4 Οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων δεν ελαττώνονται αναλογικά με την πάροδο του χρόνου. Αρχικά, οι ποσότητες των δύο αντιδρώντων μειώνονται γρήγορα, αλλά στη συνέχεια μειώνονται με μικρότερο ρυθμό, μέχρι που τελικά μηδενίζονται με την ολοκλήρωση της αντίδρασης. Επίσης, το προϊόν αρχικά σχηματίζεται με γρήγορο ρυθμό, στη συνέχεια όμως ο ρυθμός σχηματισμού του μειώνεται σταδιακά μέχρι που η ποσότητά του σταθεροποιείται στο τέλος της αντίδρασης. Οι παρατηρήσεις αυτές οπτικοποιούνται στις καμπύλες αντίδρασης που ακολουθούν: [SO ] c(m) 1 [O ] [SO 3 ] t t v Περίπτωση : Το ένα από τα δύο αντιδρώντα είναι σε έλλειμμα Θεωρούμε ότι σε δοχείο όγκου V = L στους θ o C εξελίσσεται από t = 0 μέχρι t = t v η αντίδραση: Η (g) + Cl (g) HCl(g). Οι αρχικές ποσότητες των Η (g) και Cl (g) είναι, έστω, 4 mol και mol, αντίστοιχα. Καταστρώνουμε τον πίνακα που ακολουθεί στον οποίο με ( ) σημειώνονται πάλι οι μεταβολές στις ποσότητες των αντιδρώντων που αντιδρούν και με (+) οι μεταβολές στις ποσότητες των προϊόντων που παράγονται): mol Η (g) + Cl (g) HCl(g) Αρχικά (t = 0) 4 Αντιδρούν Παράγονται 4 Τελικά (t v ) 4 Παρατηρούμε ότι η [Η ] μεταβάλλεται από την αρχική τιμή (για t = 0) 4: = Μ, στην τελική τιμή : = 1 Μ. Αντίστοιχα, η [Cl ] μεταβάλλεται από την αρχική τιμή 1 Μ, στην τελική τιμή 0. Τέλος, η συγκέντρωση του ΗCl μεταβάλλεται από την αρχική τιμή 0, στην τελική τιμή Μ. Τα αποτελέσματα αυτά εμφανίζονται στις καμπύλες αντίδρασης που ακολουθούν. 8

39 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Παρατηρείστε ότι το Η(g) είναι σε περίσσεια. Αν και στο τέλος της αντίδρασης υ- πάρχει ακόμη Η δε μπορεί να αντιδράσει, καθώς δεν υ- πάρχει άλλο Cl! c(m) 1 [H [Cl [HCl Θεωρία των συγκρούσεων. Για t = 0 έχουμε τις μεγαλύτερες συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και η πιθανότητα των συγκρούσεων είναι σχετικά μεγάλη. Με την πάροδο του χρόνου και καθώς οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων ελαττώνεται, η πιθανότητα των συγκρούσεων όλο και μικραίνει. t Αναφέραμε ήδη ότι η ταχύτητα μιας αντίδρασης παρουσιάζει τη μεγαλύτερή της τιμή για t = 0 ενώ στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά μέχρι να μηδενιστεί. Το γεγονός αυτό μπορεί να παρατηρηθεί και με βάση τις καμπύλες αντίδρασης. Στην αρχή οι μεταβολές είναι απότομες, ενώ σταδιακά τείνουν σε μία ορισμένη τιμή που αντιστοιχεί στη συγκέντρωση στο τέλος της αντίδρασης. Εφαρμογή 3 t v Να συμπληρώσετε τον πίνακα που ακολουθεί και στη συνέχεια στο ίδιο γράφημα να κατασκευάσετε τις καμπύλες της αντίδρασης για όλα τα αντιδρώντα και προϊόντα. Ο όγκος του δοχείου της αντίδρασης είναι V = L. mol Ν (g) + 3Η (g) ΝΗ 3 (g) Αρχικά (t = 0) 4 6 Μεταβολές Τελικά (t v ) 3M M 1M t ν t.8 Γραφικός υπολογισμός της μέσης και της στιγμιαίας ταχύτητας Με βάση την καμπύλη αντίδρασης, μπορούμε να υπολογίσουμε γραφικά τη μέση ταχύτητα σε κάποιο χρονικό διάστημα Δt, καθώς και τη στιγμιαία ταχύτητα της αντίδρασης κάποια χρονική στιγμή t. Έστω π.χ. η αντίδραση που περιγράφεται από την εξίσωση: Α(g) + Β(g) Γ(g) + Δ(g) Η καμπύλη της αντίδρασης για το προϊόν Γ φαίνεται στο γράφημα που ακολουθεί. Στο ίδιο γράφημα εμφανίζεται και ο υπολογισμός της μέσης ταχύτητας, γραφικά: 9

40 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 c Γ Δ[Γ] μέση ταχύτητα στο Δt Δ[Γ] υ = Δt Δt t t v Η στιγμιαία ταχύτητα την οποιαδήποτε χρονική στιγμή t 1 προκύπτει με βάση τη μαθηματική «τεχνική» που προκύπτει από το εξής γράφημα: c Γ ω Στιγμιαία ταχύτητα τη χρονική στιγμή t 1 υ t1 = εφω Δηλαδή, δάσκαλε, όσο πιο «απότομη» είναι η καμπύλη c = f(t) τόσο πιο μεγάλη η ταχύτητα της α- t t v Δηλαδή, η στιγμιαία ταχύτητα της αντίδρασης τη χρονική στιγμή t 1 προκύπτει από την εφαπτομένη της γωνίας που σχηματίζεται από την εφαπτομένη της καμπύλης για t = t 1 και την παράλληλη στον άξονα των t: υ = εφω. Η ταχύτητα δεν είναι σταθερή κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Γενικά, η ταχύτητα μειώνεται με το χρόνο, όπως φαίνεται και από το σχήμα που ακολουθεί: c Γ ω Βλέπε Μαθηματικά Γ Λυκείου: Παράγωγος συνάρτη- φ φ > ω εφφ > εφω υ ο > υ t t v Η μέγιστη ταχύτητα είναι η αρχική ταχύτητα της αντίδρασης. Στη συνέχεια, μειώνεται σταδιακά, μέχρις ότου, στο τέλος της αντίδρασης, να μηδενιστεί. 30

41 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Η ενθαλπία της αντίδρασης, Α + Β Γ + Δ, είναι ΔΗ = 0 kj, ενώ η ενέργεια ενεργοποίησης είναι Ε a = 60 kj. α) Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση ως εξώθερμη ή ενδόθερμη. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Ποιο από τα διαγράμματα Ι ή ΙΙ που ακολουθούν περιγράφει την ενέργεια του συστήματος ως συνάρτηση της πορείας της αντίδρασης; Ε Ι Ε ΙΙ 1 mol A, mol B 1 mol Γ, mol Δ 1 mol A, mol B 1 mol Γ, mol Δ πορεία αντίδρασης πορεία αντίδρασης γ) Ποια η τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης της αντίδρασης, Γ + Δ Α + Β; δ) Με κατάλληλη διαδικασία μεταβάλλουμε την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης, Α + Β Γ + Δ στην τιμή Ε a = 50 kj. Να εξηγήσετε αν η ταχύτητα της αντίδρασης θα μεταβληθεί και πως. ε) Να εκφραστεί η μέση ταχύτητα για την αντίδραση, Α + Β Γ + Δ, σε κάποιο χρονικό διάστημα Δt, με βάση τις μεταβολές των συγκεντρώσεων όλων των αντιδρώντων και των προϊόντων. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Η αντίδραση είναι εξώθερμη, γιατί ΔΗ < 0. β) Το διάγραμμα Ι, γιατί σε αυτό η ενθαλπία των προϊόντων είναι μικρότερη από την ενθαλπία των αντιδρώντων και επομένως ΔΗ < 0. Το διάγραμμα ΙΙ αντιστοιχεί σε ενδόθερμη αντίδραση (ΔΗ > 0). γ) Όπως φαίνεται και από το διάγραμμα Ι η ενέργεια ενεργοποίησης της αντίστροφης αντίδρασης θα είναι: Ε a = = 80 kj. δ) Εφόσον η ενέργεια ενεργοποίησης μειώθηκε, μειώθηκε επίσης το ενεργειακό φράγμα από τα αντιδρώντα στα προϊόντα και άρα η ταχύτητα της αντίδρασης θα αυξηθεί. ε) [ Α] Δ υ = = Δt [ ] 1 Δ Β = Δt Δ[ Γ] Δt = 1 Δ[ Δ] Δt 31

42 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1. Δίνεται η αντίδραση: Α(g) + 3B(g) Γ(g) + 4Δ(g) Η αντίδραση αυτή λαμβάνει χώρα σε δοχείο σταθερού όγκου και σε σταθερή θερμοκρασία. Αν στην αρχή (t = 0) έχουμε ισομοριακές ποσότητες των αερίων A και B, ποιες από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές και ποιες είναι λανθασμένες; Να αιτιολογήσετε τις επιλογές σας. α) H συγκέντρωση του B αυξάνεται σε όλη τη διάρκεια της αντίδρασης. β) H συγκέντρωση ταυ Γ αυξάνεται σε όλη τη διάρκεια της αντίδρασης. γ) Στο τέλος της αντίδρασης η συγκέντρωση του A μηδενίζεται. δ) Στο τέλος της αντίδρασης η συγκέντρωση του B μηδενίζεται. ε) Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης η πίεση παραμένει σταθερή. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Λανθασμένη. Το Β είναι αντιδρών και επομένως η συγκέντρωσή του με την πάροδο του χρόνου μειώνεται συνεχώς. β) Σωστή. Το Γ είναι προϊόν και επομένως η συγκέντρωσή του αυξάνεται συνεχώς μέχρι να σταθεροποιηθεί στο τέλος της αντίδρασης. γ) Το αντιδρών Α είναι σε περίσσεια και στο τέλος της αντίδρασης παραμένει κάποια ποσότητά του χωρίς να αντιδράσει. Έτσι, αν n mol οι (ισομοριακές) ποσότητες των Α και Β θα έχουμε τον πίνακα που ακολουθεί: mol Α(g) + 3Β(g) Γ(g) + 4Δ(g) Αρχικά (t = 0) n n Μεταβολές n/3 n n/3 4n/3 Τελικά (t v ) n/3 n/3 4n/3 δ) Σωστή, όπως φαίνεται και απόν παραπάνω πίνακα. ε) Για το σύστημα των αερίων, ισχύει: P V = n ολ R T, όπου n ολ o συνολικός αριθμός mol των αερίων. Εφόσον, τα μεγέθη V, R και Τ διατηρούνται σταθερά, η πίεση θα μεταβληθεί όπως μεταβάλλεται το n ολ. Παρατηρούμε ότι το άθροισμα των συντελεστών των (αερίων) αντιδρώντων είναι ίσο με το άθροισμα των συντελεστών των (αερίων) προϊόντων. Δηλαδή, όταν αντιδράσουν mol A με 3 mol B (συνολικά 5 mol), παράγονται 1 mol Γ και 4 mol Δ (συνολικά 5 mol). Αυτό σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια της αντίδρασης ο συνολικός αριθμός mol δεν μεταβάλλεται και επομένως δεν μεταβάλλεται και η πίεση στο δοχείο. 3. Για την αντίδραση, 4NH 3 (g) + 5O (g) 4NO(g) + 6H O(g), σε κάποιο χρονικό διάστημα Δt η NH 3 καταναλώθηκε με ρυθμό (ταχύτητα) 0,5 M s 1. Να υπολογιστούν: α) Η μέση ταχύτητα της αντίδρασης στο χρονικό διάστημα Δt. β) Ο ρυθμός (ταχύτητα) σχηματισμού του H O στο χρονικό διάστημα Δt. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Η ταχύτητα της αντίδρασης και ο ρυθμός μείωσης της συγκέντρωσης της NH 3 δίνονται, αντίστοιχα, από τις σχέσεις: 3

43 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ β) Δ[ΝΗ 3] 1 Δ[ΝΗ 3] υnh =, υ = 3 Δt 4 Δt 1 Δ[ΝΗ 3] 1 1 υ = = υνη = 0,15 M s 3 4 Δt 4 1 Δ[ΗΟ] 1 υ =, υ = υ ΗΟ, υ ΗΟ= 6 υ = 0,75 M s 6 Δt Σε δοχείο σταθερού όγκου L εισάγονται τη χρονική στιγμή t = 0, 0,6 mol αερίου Α και mol αερίου Β, που αντιδρούν σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: Α(g) + Β(g) 3Γ(g) Μετά από t = 10 s στο δοχείο προσδιορίστηκαν 0,4 mol A. Να υπολογιστούν: α) Η μέση ταχύτητα της αντίδρασης για τα πρώτα 10 s. β) Οι μέσοι ρυθμοί μεταβολής (αύξησης ή μείωσης) των συγκεντρώσεων των Α, Β και Γ. Ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του Α: Δ[Α] υα = Δt Ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του Β: Δ[Β] υβ = Δt ΛΥΣΗ Δ[Α] 1 α) Μέση ταχύτητα: υ = = Δt Δ[Α] = [Α] τελ [Α] αρχ = Δ[Β] 1 = Δt 3 Δ[Γ] Δt 0,4 0, 6 = 0,1 Μ s 1. Δ[Α] 0, 1 υ = = ( ) = 0,01Μ s 1 Δt 10 β) 1 υ = Δ[Β] 1 = υβ. Επομένως: υ Β = υ = 0,0 Μ s 1. Δt 1 Δ[Γ] 1 υ = = υγ. Επομένως: υ Γ = 3υ = 0,03 Μ s 1. 3 Δt 3 5. Oι γραφικές παραστάσεις των συγκεντρώσεων (σε Μ) των σωμάτων που συμμετέχουν στην αντίδραση: Α(g) + 3B(g) Γ(g) + Δ(g), σε συνάρτηση με το χρόνο (σε s), φαίνονται στις παρακάτω τέσσερις καμπύλες (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ και ΙV). c (M) 0,9 I IV 0,6 II 0,3 III 0 s 33

44 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 α) Ποια από τις καμπύλες αυτές αντιστοιχεί στην ουσία Α, ποια στη B, ποια στη Γ και ποια στη Δ; β) Να προσδιοριστούν οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων μετά το τέλος της αντίδρασης. γ) Ποια είναι η μέση ταχύτητα της αντίδρασης για τα πρώτα 0 s; δ) Ποιές είναι οι τιμές των ρυθμών μείωσης των συγκεντρώσεων για τις ενώσεις Α και B και ποιες οι τιμές των ρυθμών αύξησης των συγκεντρώσεων των Γ και Δ στα πρώτα 0 s; ε) Ποια είναι η ταχύτητα της αντίδρασης τη χρονική στιγμή t = 0 s; ΛΥΣΗ α) Oι καμπύλες Ι και ΙΙ αντιστοιχούν σε αντιδρώντα, καθώς σε αυτές οι συγκεντρώσεις μειώνονται με την πάροδο του χρόνου. Αντίθετα, οι καμπύλες ΙΙΙ και IV αντιστοιχούν στα προϊόντα, καθώς οι συγκεντρώσεις τους αυξάνονται. Μάλιστα, η καμπύλη Ι παρουσιάζει τριπλάσια μεταβολή στη συγκέντρωση (από 0,9 Μ σε 0) σε σχέση με τη καμπύλη ΙΙ (από 0,6 Μ σε 0,3 Μ), προφανώς γιατί η καμπύλη Ι αντιστοιχεί σε αντιδρών με 3πλάσιο συντελεστή. Έτσι, η καμπύλη Ι αντιστοιχεί στο σώμα B και η καμπύλη ΙΙ στο σώμα A. Με ανάλογο τρόπο καταλαβαίνουμε ότι η καμπύλη ΙV αντιστοιχεί στο προϊόν Γ και επομένως η III αντιστοιχεί στο προϊόν Δ. β) Από το διάγραμμα που δίνεται βλέπουμε ότι οι συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων για t = t v, είναι: [B] = 0, [A] = 0,3 M, [Γ] = 0,6 Μ, [Δ] = 0,3 Μ. γ) υ = (0,3 0,6)M = = 0,015M s 0 s [ 1 A] t δ) υ Α = υ = 0,015 Μ s 1, υ B = 3υ = 0,045 Μ s 1, υ Γ = υ = 0,03 Μ s 1, υ Δ = υ = 0,015 Μ s 1. ε) Η χρονική στιγμή t = 0 s αντιστοιχεί στο τέλος της αντίδρασης, οπότε υ = Σε δοχείο σταθερού όγκου V = 10 L που περιέχει περίσσεια στερεού Α εισάγονται 0,3 mol αερίου Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση: Α(s) + Β(g) Γ(g) Tη χρονική στιγμή t = 10 s στο δοχείο προσδιορίστηκαν 0,1 mol Γ(g). α) Ποιος ο μέσος ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του Β από 0-10 s; β) Ποια η μέση ταχύτητα της αντίδρασης στο χρονικό αυτό διάστημα; γ) Ποια η ποσότητα του Γ(g) στο τέλος της αντίδρασης; ΛΥΣΗ α) 34 υ Β mol Α(s) + Β(g) Γ(g) Αρχικά (t = 0) (περ.) 0,3 Μεταβολές 0, 0,1 t = 10 s 0,1 0,1 Δ[Β] [ Β] τελ Β] αρχ 0,01 0,03 = = = = 0,00 M s 1. Δt

45 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ 1 Δ[Β] β) Η μέση ταχύτητα της αντίδρασης θα είναι: υ Β = Δt = 10 M s 1. γ) mol Α(s) + Β(g) Γ(g) Αρχικά (t = 0) (περ.) 0,3 Μεταβολές 0,3 0,15 Τελικά (t = t v ) 0,15 Επομένως, στο τέλος της αντίδρασης θα έχουν σχηματιστεί 0,15 mol Γ(g). 7. Σε δοχείο σταθερού όγκου 1 L εισάγουμε 0,6 mol NO και 0,6 mol O. Θερμαίνουμε το μίγμα σε κατάλληλη θερμοκρασία, οπότε αρχίζει να αντιδρά σύμφωνα με την ε- ξίσωση: ΝO(g) + O (g) ΝO (g) Κατά διάρκεια της αντίδρασης η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή, ενώ η πίεση στο δοχείο ελαττώνεται και σταθεροποιείται μετά από min. α) Να εξηγήσετε που οφείλεται η μεταβολή στην τιμή της πίεσης. β) Να προσδιορίσετε τη σύσταση του μίγματος (σε mol) που υπάρχει στο δοχείο μετά τη σταθεροποίηση της πίεσης. γ) Να υπολογίσετε το μέσο ρυθμό μείωσης της συγκέντρωσης του ΝΟ, καθώς και τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης για όλη τη διάρκειά της. ΛΥΣΗ α) Με την πάροδο του χρόνου ο συνολικός αριθμός mol των αερίων στο δοχείο μειώνεται, καθώς σε κάθε 3 mol αντιδρώντων (συνολικά) αντιστοιχούν mol προϊόντων. Εφ όσον τα μεγέθη V και T διατηρούνται σταθερά, η συνεχής μείωση του συνολικού αριθμού mol θα επιφέρει τη συνεχή μείωση της πίεσης (από την καταστατική εξίσωση των αερίων, P ολ V = n ολ R T). Μετά το τέλος της αντίδρασης, παύει πια η μείωση του αριθμού των mol των αερίων και επομένως από εκεί και πέρα η ολική πίεση παραμένει σταθερή. β) Για την παραπάνω αντίδραση καταστρώνουμε τον πίνακα που ακολουθεί: mol ΝO(g) + O (g) ΝO (g) Αρχικά (t = 0) 0,6 0,6 Μεταβολές 0,6 0,3 0,6 Τελικά (t v ) 0,3 0,6 γ) Ο μέσος ρυθμός μείωσης της συγκέντρωσης του ΝΟ υπολογίζεται ως εξής: υ Δ[ΝΟ] [ΝΟ] = = Δt [ΝΟ] 0 τελ αρχ ΝΟ Για τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης έχουμε: 1 Δ[ΝΟ] υ = Δt = 0,15 M min 1 = 0 0,6 = 0,3 M min 1. 35

46 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 8. Σε δοχείο όγκου V = L στους θ o C εισάγονται 6 mol Α και 3 mol Β, οπότε κάτω από κατάλληλες συνθήκες διεξάγεται η αντίδραση: 4Α(g) + 3Β(g) Γ(g) + 6Δ(g) α) Να κατασκευάσετε τις καμπύλες τις αντίδρασης για τα συστατικά Α, Β, Γ και Δ. β) Σε κάποια χρονική στιγμή t 1 ο ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του Γ είναι 0,3 M min 1. Να υπολογιστούν τη χρονική στιγμή t 1 : i. H ταχύτητα της αντίδρασης. ii. O ρυθμός μείωσης της συγκέντρωσης του συστατικού Α. γ) Τη χρονική στιγμή t = min η ποσότητα του Γ στο δοχείο είναι ίση με 1,8 mol. Ποια η μέση τιμή της ταχύτητας της αντίδρασης για το χρονικό διάστημα 0 t ; ΛΥΣΗ α) mol 4Α(g) + 3Β(g) Γ(g) + 6Δ(g) Αρχικά (t = 0) 6 3 Μεταβολές Τελικά (t v ) 6 3 M M [Α] [Δ] 1 M [Β] [Γ] β) υ = 1 Δ[Α] 4 Δt 1 = Δ[Β] 3 Δt = 1 Δ[Γ] = Δt Από τον παραπάνω ορισμό προκύπτουν: i. υ = ii. 4υ = Δ[Γ] Δt Δ[Α] Δt 1 Δ[Δ] 6 Δt = υ Γ. Επομένως: υ = υ Γ = 0,16 M min 1. = υ Α = 0,64 M min 1. t t v γ) mol 4Α(g) + 3Β(g) Γ(g) + 6Δ(g) Αρχικά (t = 0) 6 3 Μεταβολές 3,6,7 1,8 5,4 Τελικά (t ),4 0,3 1,8 5,4 υ = 1 Δ[Γ] Δt 1 [Γ] τελ [Γ] αρχ = = t 1 0,9 0 = 0,5 M min 1. 36

47 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ.1. Το ποσό θερμότητας που ανταλλάσσεται με το περιβάλλον κατά την πραγματοποίηση μιας χημικής αντίδρασης, υπό σταθερή πίεση, ισούται με τη(ν): Α) ενθαλπία των αντιδρώντων Β) ενθαλπία των προϊόντων Γ) μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος Δ) ενθαλπία της αντίδρασης (ΔΗ).. Ποια από τις παρακάτω εκφράσεις, οι οποίες αναφέρονται στην ενθαλπία μιας χημικής αντίδρασης, δεν μπορεί να είναι σωστή; Α) Η προϊόντων < Η αντιδρώντων Β) Η ενθαλπία του συστήματος μεταβλήθηκε από την αρχική τιμή των 1600 kj (ενθαλπία αντιδρώντων) στην τελική τιμή των 1100 kj (ενθαλπία προϊόντων) Γ) ΔΗ = 500 kj Δ) ΔΗ = 500 kj.3. Στις εξώθερμες αντιδράσεις ισχύει: Α) Η προϊόντων < 0 Β) ΔΗ > 0 Γ) Η προϊόντων < Η αντιδρώντων Δ) Η αντιδρώντων = Η προϊόντων.4. Από τη θερμοχημική εξίσωση, S(s) + O (g) SO (g), ΔH = 96,1 kj προκύπτει ότι: Α) κατά την καύση οποιασδήποτε ποσότητας S ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 96,1 kj Β) η αντίδραση είναι ενδόθερμη Γ) κατά την καύση 1 mol S ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 96,1 kj Δ) για την πραγματοποίηση της αντίδρασης απαιτείται προσφορά ενέργειας από το περιβάλλον.5. Οι αντιδράσεις καύσης και εξουδετέρωσης: Α) είναι ενδόθερμες Β) είναι πάντα εξώθερμες Γ) έχουν ΔΗ > 0 Δ) είναι ενδόθερμες ή εξώθερμες, ανάλογα με τις συνθήκες της αντίδρασης.6. Ποια από τις μετατροπές που ακολουθούν προβλέπετε να έχει ΔH > 0; Α) Η + Ο H O(l) Β) CH 3 OH + 3O CO + 4H O Γ) H O(s) H O(l) Δ) H O(l) H O(s).7. Nα χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). α) Οι εξώθερμες αντιδράσεις πραγματοποιούνται με απορρόφηση ενέργειας του συστήματος από το εξωτερικό περιβάλλον του και για το λόγο αυτό αυξάνεται η ενθαλπία του συστήματος. β) Σε κάθε χημική αντίδραση η ενθαλπία των αντιδρώντων είναι ίση με την ενθαλπία των προϊόντων της αντίδρασης. γ) Για τις ενδόθερμες αντιδράσεις, η ενθαλπία δίνεται από τη σχέση: ΔΗ = Η προϊόντων Η αντιδρώντων, ενώ για τις εξώθερμες: ΔΗ = Η αντιδρώντων Η προϊόντων. δ) Η μεταβολή ενθαλπίας (ΔΗ) κατά την πραγματοποίηση μιας χημικής αντίδρασης είναι θετική ή αρνητική, αν η αντίδραση είναι αντίστοιχα ενδόθερμη ή εξώθερμη. ε) Στις εξώθερμες αντιδράσεις ισχύει Η προ > Η αντ..8. Έστω η θερμοχημική εξίσωση, Ν + 3Ο ΝΟ 3, ΔΗ = 8 kcal, που διεξάγεται υπό σταθερή πίεση και θερμοκρασία. Με βάση την εξίσωση αυτή να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). α) Η αντίδραση είναι εξώθερμη β) Η ενθαλπία του προϊόντος είναι μεγαλύτερη από την ενθαλπία των αντιδρώντων γ) Για κάθε 1 mol Ν που αντιδρά ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 8 kcal δ) Αν στο δοχείο της αντίδρασης βάλουμε προς αντίδραση 3 mol N και 3 mol Ο μέχρι το τέλος της αντίδρασης θα παραχθεί συνολικό ποσό θερμότητας ίσο με 46 kcal ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ.9. Το αντικείμενο μελέτης της χημικής κινητικής είναι: Α) οι ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων Β) οι παράγοντες που επηρεάζουν τις ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων Γ) οι μηχανισμοί με τους οποίους πραγματοποιούνται οι χημικές αντιδράσεις. Δ) όλα τα παραπάνω..10. Κάθε σύγκρουση μεταξύ των μορίων ενός μίγματος των αερίων Α (g) και Β (g) δεν είναι αποτελεσματική διότι: Α) τα συστατικά του μείγματος δεν αντιδρούν μεταξύ τους Β) η σύγκρουση αυτή μπορεί να πραγματοποιείται μεταξύ μορίων της ίδιας χημικής ουσίας Γ) τα μόρια που συγκρούονται δεν έχουν την απαιτούμενη ενέργεια Δ) για έναν ή και περισσότερους από τους παραπάνω λόγους.11. Η ενέργεια ενεργοποίησης (Ε a ): Α) εμφανίζεται τόσο στις ενδόθερμες όσο και στις εξώθερμες αντιδράσεις Β) εμφανίζεται μόνο στις ενδόθερμες αντιδράσεις Γ) είναι θετική στις ενδόθερμες αντιδράσεις και αρνητική στις εξώθερμες Δ) είναι αρνητική στις ενδόθερμες αντιδράσεις και θετική στις εξώθερμες 37

48 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1.1. Η αντίδραση, A(g) B(g), έχει το ενεργειακό διάγραμμα που φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. E 1 mol Α 100 kj Για την αντίδραση, B(g) A(g), η τιμή της ενθαλπίας (ΔΗ) και η τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης (Ε a ) είναι, αντίστοιχα: Α) 00 και 100 kj, Β) 00 και 300 kj Γ) 00 και 300 kj Δ) 00 και 0 kj.13. Για την αντίδραση, A(s) + B(g) Γ(g) + 3Δ(g), ποια από τις εκφράσεις που ακολουθούν είναι λανθασμένη; 1 Δ[Δ] 1 Α) υ = Β) υ Β = υ 3 Δt Δ 3 1 Δ[Α] Γ) υ = Δ) υ Δ = 3 υ Γ Δt 00 kj mol B πορεία της αντίδρασης.14. H ταχύτητα της αντίδρασης, Α(s) + Β(g) Γ(g), εκφράζει: Α) το ρυθμό με τον οποίο αυξάνεται η μάζα του Γ Β) το ρυθμό με τον οποίο αυξάνεται η [Α] Γ) το πηλίκο της μεταβολής των mol ενός αντιδρώντος ή προϊόντος προς τον αντίστοιχο χρόνο Δ) την απόλυτη τιμή του ρυθμού μεταβολής της [Β] ή της [Γ].15. Σε δοχείο εισάγονται ισομοριακές ποσότητες από τις ουσίες Α και Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση: Α(g) + Β(g) Γ(g) Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης αυτής: Α) η συγκέντρωση του Α και η συγκέντρωση του Β μειώνονται με τον ίδιο ρυθμό Β) η συγκέντρωση του Γ αυξάνεται με σταθερό ρυθμό Γ) η συγκέντρωση του Β ελαττώνεται με διπλάσιο ρυθμό από τη συγκέντρωση του Α Δ) η συγκέντρωση του Α ελαττώνεται με φθίνοντα ρυθμό και τελικά μηδενίζεται.16. Για την αντίδραση, Α(g) Β(g) + Γ(g), η μεταβολή της συγκέντρωσης του Α(g) με το χρόνο παριστάνεται από το διάγραμμα που ακολουθεί. [A] t (s) 50 Ποια από τις ταχύτητες που ακολουθούν είναι η μεγαλύτερη; Α) Η αρχική ταχύτητα της αντίδρασης Β) Η μέση ταχύτητα της αντίδρασης Γ) Η τελική ταχύτητα της αντίδρασης Δ) Η ταχύτητα της αντίδρασης για t = 50 s.17. Σε δοχείο γίνεται η αντίδραση: N O 5 (g) 4NO (g) + O (g) Ποιος είναι ο λόγος του ρυθμού μείωσης της [N O 5 ] (υ 1 ) προς το ρυθμό αύξησης της [NO ] (υ ); Α) 1 : Β) : 1 Γ) 1 : 4 Δ) 4 : Σε δοχείο γίνεται η αντίδραση: Α(g) + Β(g) 3Γ(g). Σε κάποια χρονική στιγμή, ο ρυθμός αύξησης της [Γ] είναι ίσος με 0,04 M s 1. Την ίδια χρονική στιγμή η ταχύτητα της αντίδρασης και ο ρυθμός μείωσης της [Β] είναι: Α) 0,04 M s 1 και τα δύο Β) 0,008 και 0,016 M s 1, αντίστοιχα Γ) 0,048 και 0,04 M s 1, αντίστοιχα Δ) 0,04 και 0,036 M s 1, αντίστοιχα.19. Στην αντίδραση: αα(g) + ββ(g) Γ(g), η ταχύτητα κατανάλωσης του Α είναι 3πλάσια από την ταχύτητα κατανάλωσης του Β, ενώ η ταχύτητα σχηματισμού του Γ είναι πλάσια από την ταχύτητα κατανάλωσης του Β. Με βάση τα προηγούμενα, οι συντελεστές α και β είναι αντίστοιχα ίσοι με: Α) 3 και 1 Β) 1 και 3 Γ) 3 και Δ) και 3.0. Σε κάποια χρονική στιγμή t κατά τη διάρκεια διεξαγωγής της αντίδρασης, NO (g) + Cl (g) NO Cl(g), ισχύει: d[cl ]/dt = 0,10 M s 1. Την ίδια χρονική στιγμή (t), ποια θα είναι η τιμή της παράστασης: d[no Cl]/dt; A) 0,0 M s 1 B) 0,0 M s 1 Γ) 0,10 M s 1 Δ) 0,050 M/s.1. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. α) Σε μία αντίδραση ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης ενός προϊόντος αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. β) Οι ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων σε όλη τη διάρκειά τους παραμένουν σταθερές. γ) Για τον υπολογισμό της μέσης ταχύτητας της αντίδρασης, αα(g) + βb(g) γγ(g), πρέπει να γνωρίζουμε τη μεταβολή της συγκέντρωσης ενός συστατικού, αντιδρώντος ή προϊόντος, σε ένα θεωρούμενο χρονικό διάστημα, καθώς και το συντελεστή του συστατικού αυτού. 38

49 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ.. Για την αντίδραση, NO (g) NO(g) + O (g), έ- χουμε τα εξής δεδομένα: ΔΗ = 115 kj και E a = 64 kj. α) Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση ως εξώθερμη ή ενδόθερμη. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Να κατασκευάσετε το ενεργειακό διάγραμμα της αντίδρασης σαν συνάρτηση της πορείας της αντίδρασης και να σημειώσετε με κατάλληλα βέλη την ενθαλπία της αντίδρασης και την ενέργεια ενεργοποίησης. γ) Ποια η τιμή της ενθαλπίας και ποια η τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης για την αντίστροφη αντίδραση, NO(g) + O (g) NO (g); δ) Ποιος ο ορισμός της μέσης ταχύτητας για την αντίδραση, NO (g) NO(g) + O (g);.3. Σε δοχείο σταθερού όγκου που βρίσκεται σε σταθερή θερμοκρασία εισάγουμε ισομοριακές ποσότητες των αερίων A και B που αντιδρούν μεταξύ τους, σύμφωνα με την εξίσωση: Α(g) + B(g) Γ(g) + 3Δ(g). Σύμφωνα με τα δεδομένα αυτά, ποιες από τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές και ποιες όχι; Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. α) Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης η συγκέντρωση του B αυξάνεται με διπλάσιο ρυθμό σε σχέση με τη συγκέντρωση του Α. β) Η ταχύτητα της αντίδρασης αυξάνεται συνεχώς. γ) Στο τέλος της αντίδρασης η [A] μηδενίζεται. δ) Στο τέλος της αντίδρασης η [Β] μηδενίζεται. ε) Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης η πίεση αυξάνεται συνεχώς μέχρι που σταθεροποιείται μετά από κάποια χρονική στιγμή..4. Δίνεται η αντίδραση: αα(g) + ββ(g) γγ(g), όπου α, β και γ οι συντελεστές της. Η μέση ταχύτητα της αντίδρασης σε χρονικό διάστημα Δt δίνεται από τη σχέση: Δ[ Α] 1 Δ[Β] 1 Δ[Γ] υ = = = Δt Δt Δt Ποιες οι τιμές των συντελεστών α, β και γ;.5. Σε δοχείο σταθερού όγκου και υπό σταθερή θερμοκρασία θ ο C πραγματοποιείται η αντίδραση: Α(g) Β(g) + Γ(g), ΔΗ = 50 kcal. Αρχικά εισάγουμε στο δοχείο ποσότητα του σώματος Α, ώ- στε η συγκέντρωσή του να είναι c = 1 Μ. Η πίεση στο δοχείο μεταβάλλεται αλλά μετά από 10 min σταθεροποιείται, οπότε στο δοχείο βρέθηκαν μόνο τα αέρια Β και Γ. i) Η πίεση στο δοχείο μεταβάλλεται διότι: Α) ελευθερώνεται θερμότητα Β) αυξάνονται τα συνολικά mol των αερίων Γ) ελαττώνονται τα συνολικά mol των αερίων Δ) ελαττώνονται τα συνολικά mol των αερίων και ελευθερώνεται θερμότητα. ii) Να γίνει σε ένα διάγραμμα η γραφική παράσταση της συγκέντρωσης των σωμάτων Α, Β και Γ σε συνάρτηση με το χρόνο..6. Οι ουσίες Α και Β αντιδρούν μεταξύ τους σύμφωνα με την εξίσωση: Α(g) + Β(g) 3Γ(g) + Δ(g). Να σημειώσετε στο διάγραμμα που ακολουθεί, ποια ουσία αντιστοιχεί σε ποια καμπύλη. c ΙΙ ΙV t.7. Στο εσωτερικό του κυλινδρικού δοχείου του σχήματος που κλείνεται με βαρύ και ευκίνητο έμβολο πραγματοποιείται η αντίδραση, C H 4 (g) + H (g) C H 6 (g), υπό σταθερή θερμοκρασία T. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης το έμβολο: Α) κινείται προς τα πάνω Β) κινείται προς τα κάτω Γ) παραμένει αμετακίνητο Δ) κινείται προς τα πάνω, μόνο αν η αντίδραση είναι εξώθερμη Να αιτιολογήσετε την επιλογή σας..8. Οι αέριες ουσίες Α και Β συμμετέχουν στην αντίδραση: Α(g) Β(g). Να αντιστοιχήσετε την κάθε τιμή της [Α] σε ορισμένη χρονική στιγμή (στήλη I) με την τιμή της [Β] την ίδια χρονική στιγμή (στήλη II), καθώς και με την τιμή της ταχύτητας της αντίδρασης (στήλη III). (I) (II) (III) [Α] σε mol L 1 [B] σε mol L 1 υ 1 σε mol L 1 s Α. 8 α ,6 Β. 7 β. 6. 1, Γ. 6 γ ,4 Δ. 3 δ ,6.9. Σε δοχείο L εισάγονται 0,6 mol Α και 3 mol Β, που αντιδρούν σύμφωνα με την εξίσωση: Α(g) + B(g) Γ(g). Μετά από 10 s στο δοχείο βρέθηκαν 0,4 mol A. Να υπολογιστεί η μέση ταχύτητα της αντίδρασης για τα πρώτα 10 s..30. Σε κενό δοχείο όγκου V = 1 L εισάγουμε 4 mol Α(g) και 6 mol Β(g), σε θερμοκρασία Τ και πραγματοποιείται η αντίδραση: Α(g) + Β(g) Γ(g), που ολοκληρώνεται μέσα σε 0 s. α) Να υπολογιστεί η μέση ταχύτητα της αντίδρασης από 0-0 s; β) Να υπολογιστούν οι ρυθμοί μείωσης των συγκεντρώσεων των Α και Β καθώς και ο ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του Γ. γ) Να γίνουν σε κοινό διάγραμμα οι καμπύλες αντίδρασης για τα Α, Β και Γ από t = 0 μέχρι το τέλος της αντίδρασης. Ι ΙΙΙ 39

50 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1.31. Σε δοχείο όγκου 1 L εισάγονται 3,5 mol αερίου Α και 4,5 mol αερίου Β, υπό σταθερή θερμοκρασία και διεξάγεται η αντίδραση: Α(g) + B(g) Γ(g). Τη χρονική στιγμή t 1 = 4 s βρέθηκαν στο δοχείο 3 mol από το Α, ενώ τη χρονική στιγμή t = 9 s βρέθηκαν στο δοχείο 3 mol από το Γ. α) Να υπολογιστούν οι ποσότητες (σε mol) των άλλων αερίων τις χρονικές στιγμές t 1 και t. β) Να υπολογιστούν η μέση ταχύτητα της αντίδρασης για το χρονικό διάστημα Δt = t - t 1, καθώς και ο ρυθμοί μείωσης της [Α] και αύξησης της [Γ] στο χρονικό διάστημα Δt..3. Δύο αντιδρώντα Α(g) και Β(g) εισάγονται σε δοχείο όγκου V, οπότε πραγματοποιείται, από t = 0 μέχρι t v = 10 s, η αντίδραση: Α(g) + B(g) Γ(g) + 3Δ(g). Oι καμπύλες αντίδρασης Ι και ΙΙ που ακολουθούν αντιστοιχούν σε δύο από τα συστατικά της. α) i. Nα προσδιορίσετε την τιμή του x (συντελεστής του προϊόντος Γ). Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. ii. Να κατασκευάσετε τον πίνακα της αντίδρασης, με τις αρχικές ποσότητες, τις ποσότητες που αντιδρούν και τις τελικές ποσότητες. Ο όγκος του δοχείου είναι V = 1 L. β) Να υπολογίσετε το μέσο ρυθμό μεταβολής (αύξησης ή μείωσης) των συγκεντρώσεων όλων των σωμάτων, καθώς και τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης 0-10 s. γ) Τη χρονική στιγμή t 1 = 1 s η ποσότητα του συστατικού Β στο δοχείο αντίδρασης βρέθηκε ίση με 0,3 mol. Ποια η μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t 0 = 0 σε t 1 = 1 s;.34. Σε δοχείο όγκου V = L εισάγουμε ποσότητα ένωσης Α(g) η οποία από t = 0 διασπάται σύμφωνα με την εξίσωση: Α(g) B(g) + Γ(g). Για την αντίδραση αυτή και για τα σώματα Α(g) και Β(g) λαμβάνουμε τις καμπύλες αντίδρασης που ακολουθούν: 0,6 c (M) 0,4 c 1 Μ B 0, α) Ποιο από τα δύο αντιδρώντα συστατικά είναι σε περίσσεια, το Α ή το Β; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Να σχεδιάσετε τις καμπύλες για τα άλλα δύο συστατικά της αντίδρασης. γ) Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t = 0 μέχρι t v = 10 s. δ) Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα κατανάλωσης των Α και Β, και σχηματισμού των Γ και Δ. ε) Ποια η στιγμιαία ταχύτητα της αντίδρασης για t = 10 s; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας..33 Στo διάγραμμα που ακολουθεί εμφανίζονται οι καμπύλες αντίδρασης για όλα τα αντιδρώντα και τα προϊόντα της αντίδρασης: Α(g) + Β(g) xγ(g) + Δ(g). 0,6 c (M) 0,4 II I I t (s) II 10s 100 t(s) A 500 α) Aν τη χρονική στιγμή t = 100 s, ισχύει: [Α] = [Β] = 1 Μ, να υπολογιστούν: i. Η αρχική ποσότητα του σώματος Α(g), σε mol. ii. Η μέση ταχύτητα της αντίδρασης από 0 σε 100 s. iii. Η συγκέντρωση του Γ(g) για t = 100 s. β) Θεωρούμε ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται τη χρονική στιγμή t v = 500 s. Tη χρονική αυτή στιγμή να προσδιοριστούν, i. η ταχύτητα της αντίδρασης και ii. οι τελικές συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων..35. Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου 8 L εισάγεται ποσότητα (NH 4 ) CO 3 (s), υπό σταθερή θερμοκρασία Τ = 400 K, που διασπάται σύμφωνα με την εξίσωση: (NH 4 ) CO 3 (s) ΝΗ 3 (g) + CO (g) + H O(g) Η πίεση στο δοχείο έχει αρχική τιμή P 0 = 0 και σταθεροποιείται στην τιμή Ρ = 1 atm από τη χρονική στιγμή t = 5 s και μετά. Να υπολογιστεί η τιμή της μέσης ταχύτητα της α- ντίδρασης από την έναρξή της μέχρι το τέλος της. R = 0,08 L atm/(mol K). Π.Μ.Δ.Χ 016 0, IV III 40 t (s) 10s

51 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ.36. Σε αραιό υδατικό διάλυμα NaOH, το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H O ) διασπάται στους 0 o C σύμφωνα με την εξίσωση: H O (aq) H O(l) + O (g) α) Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση ως οξειδοαναγωγική ή μη. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Παρακολουθήσαμε την αντίδραση για ένα χρονικό διάστημα από t = 0 σε t = 1000 min και πήραμε τα δεδομένα που εμφανίζονται στον πίνακα που ακολουθεί. t (min) [Η Ο ] 0,0 0,016 0,0131 0,0106 0,0086 0,0069 Να υπολογίσετε την ταχύτητα της αντίδρασης καθώς και το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του H O, i. από 0-00 min, και ii. από min. Να εξηγήσετε γιατί στη η περίπτωση το αποτέλεσμα είναι μικρότερο. γ) Να υπολογίσετε τον όγκο του Ο, σε STP, που ελευθερώνεται το χρονικό διάστημα από t = 400 μέχρι t = 600 min, αν είναι επίσης γνωστό ότι ο όγκος του διαλύματος είναι L. Χημεία και τέρατα: «Στο δρόμο για τη Στοκχόλμη!» Το 1973 απονέμεται από κοινού στον Άγγλο Geoffrey Wilkinson και στον Γερμανό Ernst Otto Fischer το βραβείο Νόμπελ Χημείας για «τις πρωτοπόρες τους εργασίες στην Οργανομεταλλική Χημεία και των λεγομένων ενώσεων sandwich (!)». Ο Wilkinson εκείνη την εποχή εργαζόταν στο Imperial College του Λονδίνου, αλλά δεν ήταν μόνο εκεί Ο δρόμος για τη Στοκχόλμη είχε πολλές στάσεις για το «μεγάλο» Wilkinson: Από το Montreal και το Chalk River του Καναδά, το Πανεπιστήμιο Berkley της Καλιφόρνια, το διάσημο ΜΙΤ της Μασαχουσέτης το 1950, στο Πανεπιστήμιο Harvard, το 1951 και πάλι πίσω στην Αγγλία το 1955 στο Imperial College, όπου τον «περίμενε» ο περίφημος καταλύτης του, τα στοιχεία μετάπτωσης, η Οργανομεταλλική Χημεία και τελικά το βραβείο Νόμπελ. Πως γεννήθηκε η ιδέα των βραβείων Νόμπελ; Η ιδέα των βραβείων ήταν μία ιδέα ζωής για το μεγάλο Σουηδό Alfred Nobel, χημικό, εφευρέτη και φιλάνθρωπο που γεννήθηκε το 1833 στη Στοκχόλμη. Στις 7 Νοεμβρίου του 1895 υπογράφει την τελική του διαθήκη στο Σουηδο-Νορβηγικό Club στο Παρίσι. Τον Απρίλιο του 1897 το Νορβηγικό κοινοβούλιο αποδέχεται τη διαθήκη και στη συνέχεια με τη σειρά τους και το ινστιτούτο Karolinska, η Σουηδική Ακαδημία και η Βασιλική Ακαδημία Επιστημών. Το ίδρυμα Νόμπελ που ιδρύθηκε λίγο μετά αποτελείται από τα ινστιτούτα Φυσικής και Χημείας (και αργότερα και Οικονομικών), το Ινστιτούτο Ιατρικής, το Ινστιτούτο Λογοτεχνίας και το Ινστιτούτο Ειρήνης. Καθένα από τα Ινστιτούτα αυτά διαθέτει και από μία επιτροπή που απονέμει τα βραβεία Νόμπελ κάθε χρόνο στις 10 Δεκεμβρίου, ημέρα που πέθανε ο εμπνευστής των βραβείων. Σε ποιους τομείς της επιστήμης απονέμονται τα βραβεία Νόμπελ; Τα βραβεία Νόμπελ απονέμονται από τη Σουηδική Ακαδημία Επιστημών κάθε χρόνο, το Δεκέμβριο, στους εξής έξι τομείς: Φυσική Χημεία Ειρήνη Οικονομία (από το 1969) Ιατρική Λογοτεχνία Γιατί δεν απονέμονται βραβεία Νόμπελ στα Μαθηματικά; Ο Νόμπελ δεν δημιούργησε ένα βραβείο για τα Μαθηματικά, απλά γιατί δεν ενδιαφερόταν για τα Μαθηματικά και γενικότερα για τις θεωρητικές σπουδές. Μιλούσε για βραβεία σε ανακαλύψεις ή εφευρέσεις μεγάλης σπουδαιότητας για τον άνθρωπο. Σαν αποτέλεσμα, π.χ. έχουν δοθεί πολύ περισσότερα βραβεία Νόμπελ για σπουδαίες πειραματικές εργασίες Φυσικής, αλλά όχι για εργασίες πάνω στη θεωρία της Φυσικής. Ένας άλλος πιθανός λόγος για τον οποίο ο Νόμπελ δεν δημιούργησε βραβείο για τα Μαθηματικά ήταν το ότι εκείνη την εποχή ήδη υπήρχε ένα Σκανδιναβικό βραβείο για τα Μαθηματικά και ίσως αυτό τον ώθησε να δώσει σημασία στις άλλες επιστήμες. Επίσης, αναφέρεται και η αντιπάθεια που είχε για έναν μεγάλο Σουηδό Μαθηματικό, τον Costa Mittag-Leffler (οι «κακές γλώσσες» λένε ότι η αντιπάθειά τους αυτή οφειλόταν στον έρωτά τους για την ίδια γυναίκα!). Ίσως ένας τελευταίος λόγος να ήταν το ότι τα μαθηματικά ήταν και είναι παρόντα σαν εργαλεία σε πολλές άλλες επιστήμες, όπως η Φυσική, η Χημεία και η Οικονομία. 41

52 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-10, να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. 1. Σε μια εξώθερμη αντίδραση: Α) αυξάνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και αποδίδεται θερμότητα στο περιβάλλον Β) αυξάνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και το σύστημα απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον Γ) μειώνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και το σύστημα απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον Δ) μειώνεται η χημική ενέργεια του συστήματος και αποδίδεται θερμότητα στο περιβάλλον. Ποια από τις προτάσεις Ι και ΙΙ που ακολουθούν είναι σωστές; I. Τα αντιδρώντα μόρια πρέπει να έχουν το σωστό προσανατολισμό στο χώρο ώστε η σύγκρουση να μπορεί να οδηγήσει σε αντίδραση. II. Μόνο οι συγκρούσεις με ενέργεια μεγαλύτερη ή ίση της ενέργειας ενεργοποίησης μπορούν να οδηγήσουν σε αντίδραση. A) Σωστή είναι μόνο η πρόταση Ι B) Σωστή είναι μόνο η πρόταση ΙΙ Γ) Και οι δύο προτάσεις είναι σωστές Δ) Καμία από τις προτάσεις Ι και ΙΙ δεν είναι σωστή 3. Tι σχέση έχει η ενέργεια του ενεργοποιημένου συμπλόκου σε σχέση με την ενέργεια των αντιδρώντων και των προϊόντων μιας αντίδρασης; Α) Είναι μικρότερη από την ενέργεια τόσο των αντιδρώντων όσο και των προϊόντων B) Είναι μικρότερη από την ενέργεια των αντιδρώντων αλλά μεγαλύτερη από την ενέργεια των προϊόντων Γ) Είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια των αντιδρώντων αλλά μικρότερη από την ενέργεια των προϊόντων Δ) Είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια τόσο των αντιδρώντων όσο και των προϊόντων 4. Στο ακόλουθο διάγραμμα παριστάνονται οι ενεργειακές μεταβολές κατά την μετατροπή των αντιδρώντων σε προϊόντα, για την αντίδραση: Α + Β Γ + Δ. Ε 1 mol Α, 1 mol Β 1 mol Γ, 1mol Δ πορεία αντίδρασης Με βάση το παραπάνω ενεργειακό διάγραμμα, ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι η σωστή; A) Η ενέργεια ενεργοποίησης (Ε a ) της αντίδρασης, Α + Β Γ + Δ είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης, Γ + Δ Α + Β B) Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εκλύεται θερμότητα προς το περιβάλλον 4 Γ) Η αντίδραση Α + Β Γ + Δ είναι ενδόθερμη και επομένως ισχύει: Ενθαλπία αντιδρώντων μεγαλύτερη από την ενθαλπία προϊόντων Δ) Η αντίδραση Α + Β Γ + Δ είναι εξώθερμη και επομένως ισχύει: Ενθαλπία αντιδρώντων μεγαλύτερη από την ενθαλπία προϊόντων 5. Σε δοχείο πραγματοποιείται διάσπαση ποσότητας NH 3 (g), σύμφωνα με την εξίσωση: NH 3 (g) N (g) + 3H (g). Ο πίνακας που ακολουθεί δίνει τις μεταβολές της [NH 3 ] σε σχέση με το χρόνο για τις 3 πρώτες ώρες της αντίδρασης. [ΝΗ 3 ] (σε Μ) 8,0 6,0 4,0 1,0 Χρόνος (σε ώρες, h) 0 1,0,0 3,0 Ποια η τιμή της μέσης ταχύτητας κατανάλωσης της NH 3 (g) τις δύο πρώτες ώρες της αντίδρασης; 1 A) 4,0 mol L 1 h 1 B),0 mol L 1 h 1 Γ) 1,0 mol L 1 s Δ),0 mol h 1 6. Για την αντίδραση: Η (g) + ΝΟ(g) Η Ο(g) + Ν (g), η μέση ταχύτητα της αντίδρασης είναι 0, mol L 1 s 1 ενώ ο ρυθμός κατανάλωσης του H είναι ίσος με: A) 0,3 mol L 1 s 1 Β) 0,1 mol L 1 s 1 Γ) 0,4 mol L 1 s 1 Δ) 0, mol L 1 s 1 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] 7. Αν για την αντίδραση, Α(g) 3Β(g) + Γ(g), ο μέσος ρυθμός μείωσης της συγκέντρωσης του σώματος Α(g) είναι ίσος με υ 1 και ο ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του σώματος Γ(g) ίσος με υ, ποια από τις παρακάτω ισότητες θα ισχύει; Α) υ 1 = υ Β) υ 1 = υ Γ) υ 1 = υ Δ) υ 1 = υ / 8. Παρακολουθούμε την αντίδραση, Α(g) + B(g) 3Γ(g), από t = 0 (έναρξη της αντίδρασης) μέχρι t = t v (τέλος αντίδρασης). Οι ρυθμοί μείωσης των συγκεντρώσεων των Α και Β και ο ρυθμός αύξησης της συγκέντρωσης του Γ παριστάνονται με τα μεγέθη υ Α, υ Β και υ Γ, αντίστοιχα. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης: Α) τα μεγέθη υ Α, υ Β και υ Γ αυξάνονται Β) τα μεγέθη υ Α, υ Β και υ Γ μειώνονται Γ) τα μεγέθη υ Α και υ Β αυξάνονται και το υ Γ μειώνεται Δ) τα μεγέθη υ Α και υ Β μειώνονται και το υ Γ αυξάνεται 9. Σε δοχείο εισάγουμε ποσότητες των αερίων Α(g) και Β(g) και διεξάγεται η αντίδραση: Α(g) + xβ(g) Γ(g) + yδ(g)

53 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ όπου x και y οι συντελεστές των σωμάτων Β(g) και Δ(g), α- ντίστοιχα. Στο σχήμα που ακολουθεί εμφανίζονται οι καμπύλες των μεταβολών συγκεντρώσεων για όλα τα σώματα που σχετίζονται με την αντίδραση. 0,5 c (Μ) [Α] c(μ) 0, Με βάση τα προηγούμενα προκύπτει ότι: Α) x =, y = 3 Β) x = 1, y = 3 Γ) το σώμα Β είναι σε περίσσεια Δ) η αντίδραση δεν ολοκληρώνεται 10. Η γραφική παράσταση που ακολουθεί απεικονίζει τις συγκεντρώσεις αντιδρώντος και προϊόντος μιας χημικής α- ντίδρασης, σε συνάρτηση με το χρόνο. Η χημική εξίσωση που ταιριάζει στην γραφική παράσταση είναι η: t t v [Β] t(min) Α) Α Β Β) Β Α Γ) Α Β Δ) Β Α Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Να χαρακτηριστούν οι προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). α) Όταν ποσότητα NH 4 Cl(s) διαλυθεί σε νερό, η φιάλη ψύχεται και επομένως ισχύει: NH 4 Cl(s) NH 4 Cl(aq), ΔΗ > 0. β) Σε μία εξώθερμη αντίδραση ισχύει ΔΗ < 0 και Η αντιδρώντων > Η προϊόντων. 1. Σε κλειστό δοχείο όγκου V = 5 L διεξάγεται η αντίδραση: N (g) + 3H (g) NH 3 (g). Βρέθηκε ότι κατά τη διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος Δt = 1 s, αντέδρασαν 0,01 mol Ν (g). Nα υπολογίσετε την ταχύτητα κατανάλωσης του N (g) και του H (g), την ταχύτητα σχηματισμού της NH 3 (g), καθώς και την ταχύτητα της αντίδρασης κατά το παραπάνω χρονικό διάστημα Δt. 43

54 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 13. Σε δοχείο όγκου V = 10 L, που βρίσκεται σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας Τ, εισάγονται x mol CO και x mol Ο, οπότε από t = 0 εξελίσσεται η αντίδραση: CΟ(g) + O (g) CΟ (g). Tη χρονική στιγμή t 1 = 10 s βρέθηκε ότι: [CO] = [CO ] = 0, M. α) Να υπολογίσετε τις ποσότητες (x mol) του CO και του Ο που είχαν εισαχθεί αρχικά στο δοχείο. β) Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t = 0 μέχρι t 1 = 10 s, καθώς και τις μέσες ταχύτητες κατανάλωσης των αντιδρώντων και σχηματισμού του προϊόντος στο ίδιο χρονικό διάστημα. γ) Να εξηγήσετε αν τη χρονική στιγμή t 1 = 10 s η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί ή όχι. δ) Μία επόμενη χρονική στιγμή t > t 1 η συγκέντρωση του Ο βρέθηκε ίση με 0, Μ. Να εξετάσετε αν η αντίδραση τη χρονική στιγμή t έχει ολοκληρωθεί ή όχι. Ποια η (στιγμιαία) ταχύτητα της αντίδρασης τη χρονική στιγμή t ; 44

55 3 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 3.1 Μονόδρομες ή ποσοτικές αντιδράσεις Μέχρι τώρα, σε όλες τις περιπτώσεις αντιδράσεων, υποθέταμε ότι τα αντιδρώντα μετατρέπονται πλήρως στα προϊόντα της αντίδρασης. Με άλλα λόγια, στο τέλος της αντίδρασης η ποσότητα του ενός τουλάχιστον από τα αντιδρώντα έχει μηδενιστεί. Θα υποθέσουμε ότι σε δοχείο όγκου V εισάγουμε mol Η (g) και mol Cl (g). Tα στοιχεία αυτά αντιδρούν ζωηρά, παρουσία ηλιακού φωτός, σχηματίζοντας HCl(g): mol H (g) + Cl (g) ΗCl(g) Αρχικά (t = 0) Μεταβολές 4 Τελικά (t v ) 4 Στο τέλος της αντίδρασης το μόνο συστατικό που ανιχνεύεται στο δοχείο είναι το HCl (4 mol), ενώ τόσο το H, όσο και το Cl έχουν εξαφανιστεί. Ακόμη και αν είχαμε χρησιμοποιήσει περίσσεια ενός αντιδρώντος, στο τέλος αντίδρασης το άλλο αντιδρών θα είχε εξαφανιστεί πλήρως: mol H (g) + Cl (g) ΗCl(g) Αρχικά (t = 0) 4 Μεταβολές 4 Τελικά (t v ) 4 Τέτοιες αντιδράσεις χαρακτηρίζονται ως μονόδρομες ή ποσοτικές. Στις αντιδράσεις αυτές η ταχύτητα είναι μέγιστη στην αρχή (t = 0) ενώ στο τέλος της αντίδρασης (t = t v ) μηδενίζεται. 3. Αμφίδρομες αντιδράσεις Χημική ισορροπία Ας δούμε τώρα τι είναι οι αμφίδρομες αντιδράσεις μέσα από δύο «εικονικά» πειράματα. Πείραμα 1. Σε δοχείο όγκου V εισάγουμε mol Η (g) και mol ατμών ιωδίου, Ι (g). Το μίγμα θερμαίνεται στους θ o C, οπότε τα δύο στοιχεία αντιδρούν σύμφωνα με την εξίσωση: Η (g) + Ι (g) HΙ(g). 45

56 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Θεωρητικά, η αναμενόμενη ποσότητα HI είναι, σύμφωνα με τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, 4 mol HI. Παρατηρούμε, αρχικά, μία συνεχή αύξηση της ποσότητας του HI και συνεχή μείωση των ποσοτήτων του Η και του Ι, αλλά η ποσότητα του HI δεν φθάνει ποτέ την αναμενόμενη τιμή των 4 mol: mol H (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά (t = 0) Μεταβολές 1,6 1,6 3, Τελικά (t v ) 0,4 0,4 3, Φαίνεται, λοιπόν, ότι από κάποια χρονική στιγμή και μετά, η αντίδραση «παγώνει» και ότι οι ποσότητες των αντιδρώντων και του προϊόντος, δε μεταβάλλονται πια! Πείραμα. Σε άλλο δοχείο όγκου V στους θ o C (στην ίδια θερμοκρασία) εισάγουμε 4 mol HΙ(g). Με την πάροδο του χρόνου διεξάγεται η αντίδραση: HΙ(g) Η (g) + Ι (g), δηλαδή, η αντίστροφη αντίδραση σε σχέση με το προηγούμενο πείραμα. Όμως, ούτε στην περίπτωση αυτή η μετατροπή είναι πλήρης, καθώς από κάποια χρονική στιγμή και μετά, οι ποσότητες όλων των σωμάτων δε μεταβάλλονται: mol ΗΙ(g) H (g) + Ι (g) Αρχικά (t = 0) 4 Μεταβολές 0,8 0,4 0,4 Τελικά (t = t v ) 3, 0,4 0,4 Οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται και προς τις δύο κατευθύνσεις (τα προϊόντα έχουν την ικανότητα να επανασχηματίζουν τα αντιδρώντα) λέγονται αμφίδρομες αντιδράσεις και οδηγούν στην κατάσταση χημικής ισορροπίας, στην οποία συνυπάρχουν όλα τα αντιδρώντα και τα προϊόντα και μάλιστα οι ποσότητές τους παραμένουν αναλλοίωτες, εκτός αν αλλάξουν οι συνθήκες του πειράματος. Η χημική ισορροπία χαρακτηρίζεται ως δυναμική, καθώς οι δύο αντίθετες αντιδράσεις δε σταματούν, αλλά εξελίσσονται με τις ίδιες ακριβώς ταχύτητες, δηλαδή η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά ίση με την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά, υ 1 = υ. Έτσι, όταν σε μία αντίδραση έχει αποκατασταθεί χημική ισορροπία, όσα mol από τα προϊόντα σχηματίζονται στη μονάδα του χρόνου, τόσα και αντιδρούν μεταξύ τους επανασχηματίζοντας τα αντιδρώντα. Μία αμφίδρομη αντίδραση συμβολίζεται με δύο βέλη αντίθετης φοράς: HΙ(g) υ 1 υ Η (g) + Ι (g) Θεωρητικά, όλες οι χημικές αντιδράσεις είναι αμφίδρομες, αλλά το φαινόμενο αυτό μπορεί να μην είναι παρατηρήσιμο, είτε γιατί η ταχύτητα της αντίστροφης αντίδρασης είναι πολύ μικρή, είτε γιατί έχει παραμείνει χωρίς να αντιδράσει στην κατάσταση της χημικής ισορροπίας μη ανιχνεύσιμο ποσό αντιδρώντων. Έτσι, αν ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα δεν μπορεί να προσδιοριστεί στο τέλος της αντίδρασης, η αντίδραση χαρακτηρίζεται ως μονόδρομη ή ποσοτική. Θα παρατηρήσατε, ελπίζω, ότι στην τελική κατάσταση οι ποσότητες Η, Ι και ΗΙ είναι ί- διες στα δύο πειράματα 1 και. Είναι τυχαίο; Δε νομίζω Στη χημική ισορροπία ο ρυθμός διάσπασης του ΗΙ εξισώνεται με το ρυθμό σχηματισμού του. Οι πολύ αργές αντιδράσεις δίνουν την εσφαλμένη αντίληψη κατάστασης χημικής ισορροπίας, καθώς η μεταβολή των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων είναι πολύ αργή. Για τη διευκρίνιση του φαινομένου χρησιμοποιούμε κατάλληλο καταλύτη. Αν η σύσταση του μίγματος μεταβληθεί με την προσθήκη του καταλύτη, πρόκειται για μια αργή αντίδραση. Σε διαφορετική περίπτωση, το μίγμα αντιδρώντων και προϊόντων αντιστοιχεί σε χημική ι- σορροπία. 46

57 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Εφαρμογή 1 Στους θ ο C η ένωση A(g) διασπάται σύμφωνα με την εξίσωση: A(g) 3Β(g) Σε δοχείο στους θ ο C εισάγονται mol A(g) και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα σχηματίστηκαν 3 mol Β(g), ποσότητα που δεν αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Να εξηγήσετε αν η αντίδραση, A(g) 3Β(g) είναι μονόδρομη ή αμφίδρομη. Αν η αντίδραση ήταν ποσοτική (μονόδρομη), από mol A θα σχηματίζονταν 6 mol και όχι 3 mol του B: mol Α(g) 3Β(g) Αρχικά (t = 0) Τελικά 6 Εφόσον σχηματίζονται τελικά 3 mol B, η αντίδραση θα είναι αμφίδρομη: mol Α(g) 3Β(g) Αρχικά (t = 0) Μεταβολές 1 3 Χ.Ι Βασικά χαρακτηριστικά μιας χημικής ισορροπίας α) Οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων παραμένουν σταθερές. Στη χημική ισορροπία συνυπάρχουν όλα τα αντιδρώντα και τα προϊόντα και μάλιστα οι ποσότητές τους παραμένουν σταθερές με την πάροδο του χρόνου. Έτσι, π.χ. οι καμπύλες αντίδρασης που αντιστοιχούν στα πειράματα 1 και της προηγούμενης παραγράφου είναι οι εξής: 1,6 1,6 c (Μ) 1 [ΗΙ] c (Μ) 1 [ΗΙ] [Η ], [Ι ] [Η ], [Ι ] 0, 0, t Η (g) + Ι (g) HΙ(g) HΙ(g) Η (g) + Ι (g) (πείραμα 1) (πείραμα ) t Παρατηρούμε ότι η κατάσταση ισορροπίας είναι ανεξάρτητη από την κατεύθυνση που προσεγγίζεται, ανεξάρτητα δηλαδή αν χρησιμοποιούμε mol Η και mol Ι ή 4 mol HI, ως αντιδρώντα. 47

58 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Οι ταχύτητες των δύο αντιδράσεων είναι ίσες. Έστω σε δοχείο εισάγουμε αρχικά ποσότητες Η και Ι και εξελίσσεται η αντίδραση: Η (g) + Ι (g) HΙ(g). Αρχικά (t = 0) εξελίσσεται μόνο η αντίδραση προς τα δεξιά και μάλιστα η ταχύτητά της είναι μέγιστη. Την ίδια χρονική στιγμή η ταχύτητα της αντίστροφης αντίδρασης έχει μηδενική τιμή. Με την πάροδο του χρόνου, η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά (υ 1 ) μειώνεται, ενώ η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά (υ ) αυξάνεται. Τελικά, στη χημική ισορροπία οι τιμές των δύο ταχυτήτων εξισώνονται και από εκεί και πέρα παραμένουν σταθερές (υ 1 = υ 0): υ υ 1 : ταχύτητα προς τα δεξιά υ 1 = υ χημική ισορροπία υ : ταχύτητα προς τα αριστερά t γ) Ομογενείς και ετερογενείς ισορροπίες. Όταν τα συστατικά μιας χημικής ισορροπίας («αντιδρώντα» και «προϊόντα») είναι όλα στην ίδια φάση (π.χ. στην αέρια ή στην υδατική), η ισορροπία χαρακτηρίζεται ως ομογενής. Σε διαφορετική περίπτωση χαρακτηρίζεται ως ετερογενής. Π.χ.: Fe 3 O 4 (s) + 4Η (g) 3Fe(s) + 4Η O(g) ετερογενής HΙ(g) Η (g) + Ι (g) ομογενής CH 3 COOH(l) + CH 3 CH OH(l) CH 3 COΟCH CH 3 (l) + H O(l) ομογενής Εφαρμογή Σε δοχείο αντίδρασης εισάγουμε ποσότητες Ν (g) και Η (g) στους θ o C οπότε, παρουσία Fe(s) ως καταλύτη, αποκαθίσταται μετά από χρονικό διάστημα t 1 η ισορροπία: υ 1 Ν (g) + 3Η (g) ΝΗ 3 (g) υ α) Πότε η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά θα είναι: i. μεγαλύτερη, ii. ίση με την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά; β) Είναι δυνατόν να ισχύει: υ > υ 1 ; γ) Να χαρακτηρίσετε την ισορροπία ως ομογενή ή ετερογενή. α) Σύμφωνα με τα προηγούμενα, μέχρι να αποκατασταθεί η χημική ισορροπία (από t = 0 μέχρι t = t 1 ) θα ισχύει: υ 1 > υ. Από τη στιγμή της αποκατάστασης της χημικής ισορροπίας και μετά θα ισχύει: υ 1 = υ. β) Όχι, δεν είναι δυνατόν να παρατηρηθεί: υ > υ 1 κάτω από τις συνθήκες του δεδομένου πειράματος. Αν όμως διεξάγουμε την αντίστροφη αντίδραση (ΝΗ 3 ως αντιδρών) θα ισχύει μέχρι την αποκατάσταση της νέας ισορροπίας: υ > υ 1. γ) Η ισορροπία χαρακτηρίζεται ως ομογενής, καθώς τόσο τα αντιδρώντα (Ν και Η ) όσο και το προϊόν (ΝΗ 3 ) είναι στην ίδια φάση (αέρια). 48

59 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 3.4 Απόδοση μιας χημικής αντίδρασης Ας ξαναγυρίσουμε στο πρώτο παράδειγμα της παραγράφου 3. που συνοψίζεται στον πίνακα που ακολουθεί: Φυσικά (προς το παρόν) δεν μπορούμε να ξέρουμε πόσα mol από τα αντιδρώντα πρέπει να α- ντιδράσουν, ώστε το σύστημα να οδηγηθεί στη χημική ισορροπία! mol Η (g) + Ι (g) HΙ(g) Αρχικά Μεταβολές 1,6 1,6 3, Χ.Ι. 0,4 0,4 3, Θεωρητικά (αν η αντίδραση ήταν μονόδρομη), θα περιμέναμε να αντιδράσουν τα mol Η με τα mol Ι προς σχηματισμό 4 mol ΗΙ. Πρακτικά, όμως, λόγω της χημικής ισορροπίας που αποκαθίσταται παράγονται μόνο 3, mol ΗΙ, όπως φαίνεται στον παραπάνω πίνακα. Με άλλα λόγια, σχηματίστηκαν το (3,/4) 100 = 80% της ποσότητας του HI σε σχέση με τη θεωρητική ποσότητα που αντιστοιχεί σε μονόδρομη (ποσοτική) αντίδραση. Λέμε ότι η αντίδραση έχει απόδοση 80%. Γενικότερα, για να περιγράψουμε το πόσο μια αντίδραση έχει «προχωρήσει» προς τα δεξιά χρησιμοποιούμε τον όρο συντελεστής απόδοσης της αντίδρασης: Δεν έχουν μόνο οι αμφίδρομες αντιδράσεις απόδοση, αλλά και οι μονόδρομες, που δεν έχουν «προλάβει» να ολοκληρωθούν! Συντελεστής απόδοσης (α) μιας αντίδρασης είναι ο λόγος της ποσότητας (σε g ή σε mol) ενός προϊόντος που παράγεται πρακτικά σε μία αντίδραση, προς την ποσότητα του ίδιου προϊόντος που θα παραγόταν θεωρητικά, αν η αντίδραση ήταν μονόδρομη (ποσοτική). Δηλαδή, ο συντελεστής απόδοσης μιας αντίδρασης δίνεται από τη σχέση: α = πρακτικό ποσό ενός προϊόντος θεωρητικό ποσό ενός προϊόντος Η απόδοση μιας αντίδρασης προκύπτει αν πολλαπλασιάσουμε το συντελεστή α με το 100: α % = α 100 Όταν στα αντιδρώντα έχουμε μία ένωση, ο συντελεστής απόδοσης της αντίδρασης αναφέρεται και ως βαθμός διάσπασης. Για το συντελεστή απόδοσης ισχύει: 0 < α 1. Όταν α = 0 σημαίνει ότι η αντίδραση δε γίνεται, ενώ απόδοση α = 1 σημαίνει ότι η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί κατά 100% (ποσοτική αντίδραση). Η απόδοση μιας αντίδρασης μπορεί να εκφραστεί και με βάση το αντιδρών σε έλλειμμα και χωρίς να απαιτείται ο προσδιορισμός της θεωρητικής ποσότητας ενός προϊόντος. Ας δούμε την εφαρμογή που ακολουθεί. 49

60 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Εφαρμογή 3 Σε κενό δοχείο εισάγονται 4 mol SO και 10 mol O και σε κατάλληλες συνθήκες αποκαθίσταται η ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g) Αν στη χημική ισορροπία έχουν σχηματιστεί 3 mol SO 3 : a) Ποιες οι ποσότητες (σε mol) των υπολοίπων σωμάτων στην κατάσταση της χημικής ι- σορροπίας; β) Ποια είναι η απόδοση (α) της αντίδρασης; α) Θεωρούμε ότι αντιδρούν έστω x mol SO, με x mol O και προκύπτουν x mol SO 3. Καταστρώνουμε τον πίνακα που ακολουθεί: σε περίσσεια! Όταν οι ποσότητες των αντιδρώντων σωμάτων ακολουθούν την αναλογία των συντελεστών τους στην εξίσωση της αντίδρασης λέμε ότι οι ποσότητές τους είναι σε στοιχειομετρική αναλογία. Π.χ. στη διπλανή αντίδραση οι ποσότητες 4 mol SO και mol O είναι σε στοιχειομετρική αναλογία. Όταν έχουμε (αρχικά) 4 mol SO και n > mol Ο λέμε ότι έχουμε περίσσεια Ο. Επίσης, όταν έχουμε 4 mol SO και n < mol Ο λέμε ότι έχουμε περίσσεια SΟ. mol SO + O SO 3 Αρχικά 4 10 Μεταβολές x x x Χ.Ι. 4 x 10 x x Ισχύει: x = 3, άρα x = 1,5 mol. Στη Χ.Ι. θα έχουμε 4 x = 1 mol SO, 10 x = 8,5 mol O και (φυσικά) 3 mol SO 3. β) Παρατηρούμε ότι το Ο είναι σε περίσσεια (τα 4 mol SO απαιτούν για πλήρη αντίδραση mol Ο ) και επομένως η θεωρητική ποσότητα του SO 3 θα είναι 4 mol (επιβεβαιώστε). Επομένως, σύμφωνα με τον ορισμό της απόδοσης με βάση το μοναδικό προϊόν της αντίδρασης, έχουμε: πρακτικό ποσό ενός προϊόντος 3 Δηλαδή: α = = = 0,75ή75% θεωρητικό ποσό ενός προϊόντος 4 Θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε την απόδοση της αντίδρασης και με βάση το κλάσμα των mol (κ) που αντιδρά για το αντιδρών που είναι σε έλλειμμα: κ αριθμός molso πουαντιδρά x 3 = α = = = αρχικός αριθμός mol SΟ 4 4 SO = Προσέξτε ότι το κλάσμα των mol του Ο (συστατικό σε περίσσεια) που αντιδρά δεν ισούται την απόδοση της αντίδρασης (είναι μικρότερο): x 1,5 κ O = = = 0, 15 α (= 0,75 ή 75%) ,75 Η απόδοση μιας (αμφίδρομης ή και μονόδρομης αντίδρασης που δεν έχει όμως ολοκληρωθεί για διάφορους λόγους) είναι σημαντικός παράγοντας, κυρίως για τη βιομηχανία, όπου μαζί με το χρόνο διεξαγωγής μιας αντίδρασης καθορίζουν σε σημαντικό ποσοστό την τιμή του τελικού προϊόντος. Στην περίπτωση που τα αντιδρώντα συστατικά είναι σε στοιχειομετρική αναλογία, θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε την απόδοση της αντίδρασης με βάση οποιαδήποτε αντιδρών. 50

61 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Ισομοριακές ποσότητες N (g) και H (g) εισάγονται σε δοχείο σταθερού όγκου V, οπότε και αντιδρούν σύμφωνα με την εξίσωση: N (g) + 3H (g) NH 3 (g) Ποια από τις παρακάτω σχέσεις θα ισχύει σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή διεξαγωγής της αντίδρασης; Α) [N ] = [H ] = [NH 3 ] Β) [N ] [H ] Γ) [N ] [H ] Δ) [H ] > [NH 3 ] > [N ] ΑΠΑΝΤΗΣΗ Έστω x mol N και x mol Η. Θα θεωρήσουμε κάποια χρονική στιγμή t, πριν την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας, κατά την οποία έχουν αντιδράσει (έστω) y mol Ν : mol N (g) + 3H (g) NH 3 (g) Αρχικά x x Μεταβολές y 3y y T x y x 3y y Προφανώς, την οποιαδήποτε χρονική στιγμή t (t > 0) ισχύει: x y > x 3y, x y x 3y >, [N ] t > [H ] t V V Καθώς για t = 0 ισχύει: [N ] = [H ], γενικά θα ισχύει: [N ] [H ]. Δηλαδή, σωστή είναι η επιλογή Γ.. Ποσότητα CaCO 3 (s), μάζας 500 g, θερμαίνεται στους 800 o C, οπότε διασπάται με απόδοση 80% σε ασβέστη, CaO(s) και διοξείδιο του άνθρακα, CO (g). Πόσα g CaO θα παραχθούν και πόσα g CaCO 3 παρέμειναν χωρίς να διασπαστούν; 800 o C ΛΥΣΗ Για το CaCO 3, M r = 100 και άρα η αρχική ποσότητά του θα είναι: mol CaCO 3 (s) CaO(s) + CΟ (g) Αρχικά 5 Μεταβολές x x x Χ.Ι. 5 x x x 500 n = = 5 mol. 100 α = 0,8 = 5 x, x = 0,8 5 = 4 mol. Άρα θα παραχθούν 4 mol ή 4 56 = 4 g CaO. H ποσότητα του CaCO 3 που δεν διασπάστηκε είναι: (5 x) 100 = 100 g. 51

62 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 3. Σε δοχείο όγκου L εισάγεται ισομοριακό μίγμα Ν και Η συνολικής μάζας 60 g. Το μίγμα θερμαίνεται παρουσία καταλύτη και αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Διαπιστώσαμε ότι το μίγμα ισορροπίας περιέχει 0,8 mol NH 3. α) Ποια η ποσότητα της ΝΗ 3 (σε mol) που θα σχηματιζόταν αν η αντίδραση ήταν ποσοτική (μονόδρομη); Ποια η πίεση στο δοχείο στο τέλος της αντίδρασης στην περίπτωση αυτή; β) Να υπολογίσετε την απόδοση της αντίδρασης που πραγματοποιήθηκε, καθώς και την ολική πίεση του μίγματος στην ισορροπία. R = 0,08 L atm mol 1 K 1. ΛΥΣΗ α) Μ r (Ν ) = 8, Μ r (H ) =. Εφόσον το μίγμα είναι ισομοριακό, θα αποτελείται (έστω) από x mol Ν και x mol Η και θα ισχύει: 8x + x = 60, 30x = 60, x = mol Το Ν είναι σε περίσσεια: mol Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Αρχικά Μεταβολές /3 4/3 Χ.Ι. 4/3 4/3 Πόσα mol Η έ- πρεπε να βάλω για να μην υ- πάρχει περίσ- Η θεωρητική ποσότητα της ΝΗ 3 είναι 4/3 mol. Tα συνολικά mol στο τέλος της αντίδρασης θα ήταν: 4/3 + 4/3 = 8/3. Ρ V = n ολ R T, n P = ολ R T (8 / 3) 0, = = 87,47atm. V β) Όταν αποκατασταθεί χημική ισορροπία, θα έχουμε: mol Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Αρχικά Μεταβολές x 3x x Χ.Ι. x 3x x Ισχύει: x = 0,8, x = 0,4 mol. Η απόδοση υπολογίζεται ως εξής: πρακτικό ποσόnh3 α = θεωρητικό ποσόnh 3 = x 4 / 3 = 0,8 4 / 3 = 0,6 Η απόδοση της αντίδρασης θα μπορούσε να υπολογιστεί και με βάση το κλάσμα του mol που αντιδρά για το συστατικό που είναι σε έλλειμμα (εδώ το Η). Θα καταλήγαμε στο ίδιο αποτέλεσμα (επιβεβαιώστε)! Ο συνολικός αριθμός mol στην περίπτωση αυτή είναι: 4 x = 3, mol. Επομένως, η πίεση του μίγματος ισορροπίας είναι: Ρ V = n ολ R T, ' n P' = ολ R T 3, 0, = = 104,96 atm. V 5

63 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 4. Σε δοχείο όγκου V εισάγονται 9,7 g φωσγενίου (COCl ) σε θερμοκρασία θ C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: COCl (g) CO(g) + Cl (g). Στην κατάσταση της ισορροπίας προσδιορίστηκαν 4, g CO. Να υπολογιστούν: α) Οι ποσότητες (σε mol) των τριών αερίων στην ισορροπία. β) Η απόδοση της αντίδρασης. γ) Η %v/v σύσταση του μίγματος ισορροπίας σε CO. ΛΥΣΗ α) Μ r (COCl ) = 99, 9,7 n = = 0,3 mol. 99 mol COCl (g) CO(g) + Cl (g) Αρχικά 0,3 Μεταβολές x x x Χ.Ι. 0,3 x x x x = 4,/8 = 0,15 mol CO (M r CO = 8). Επομένως, στη χημική ισορροπία θα συνυπάρχουν: 0,3 0,15 = 0,15 mol COCl, 0,15 mol CO και 0,15 mol Cl. x β) Η απόδοση της αντίδρασης είναι: α = = 0, 5 ή 50%. 0,3 γ) O συνολικός αριθμός mol στην ισορροπία είναι: (0,3 x) + x + x = 0,45 mol. Επειδή στα αέρια η αναλογία όγκων είναι και αναλογία mol, θα έχουμε: 0,15 % v / v CO = 100 = 33,3% 0,45 Όταν έχουμε στα αντιδρώντα ένα μόνο συστατικό η απόδοση της αντίδρασης αναφέρεται ως βαθμός διάσπασης. 5. Σε δοχείο όγκου V = 0,8 L εισάγουμε 0,04 mol Ν Ο 4 και θερμαίνουμε στους 17 C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία, N O 4 (g) NO (g). Η ολική πίεση στην ισορροπία βρέθηκε ίση με atm. α) Πόσα mol από κάθε αέριο υπάρχουν στην ισορροπία; β) Ποιος είναι ο βαθμός διάσπασης του Ν Ο 4 στις συνθήκες του πειράματος; R = 0,08 L atm mol 1 K 1. ΛΥΣΗ α) Για την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας έχουμε τον πίνακα που ακολουθεί: mol N O 4 (g) NO (g) Αρχικά 0,04 Μεταβολές x x Χ.Ι. 0,04 x x Στην ισορροπία ο ολικός αριθμός mol είναι ίσος με: 0,04 x + x = 0,04 + x. Σύμφωνα με την καταστατική εξίσωση των αερίων, έχουμε: P ολ V = n ολ R T. 0,8 = (0,04 + x) 0,08 400, x = 0,01 mol Επομένως, στη X.I. θα έχουμε: 0,03 mol N O 4 και 0,0 mol NO. 53

64 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Ο βαθμός διάσπασης του Ν Ο 4 δίνεται από τη σχέση: x 0,01 α = = = 0, 5 ή 5% 0,04 0,04 6. Σε δοχείο όγκου V εισάγουμε ποσότητες από τα αέρια Α και Β, υπό σταθερή θερμοκρασία θ o C και αποκαθίσταται η ισορροπία: Α(g) + λβ(g) μγ(g) + Δ(g) Για την ισορροπία αυτή, πήραμε τις καμπύλες συγκεντρώσεων των αντιδρώντων συστατικών Α και Β, που εμφανίζονται στο διπλανό διάγραμμα. α) i. Να προσδιορίσετε την τιμή του συντελεστή λ. ii. Αν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης η ολική πίεση στο δοχείο παραμένει σταθερή, ποιος ο συντελεστής μ του συστατικού Γ; β) Να κατασκευάσετε τα αντίστοιχα διαγράμματα για τα προϊόντα Γ και Δ. γ) Να υπολογίσετε την απόδοση της αντίδρασης. 1 0,8 c(μ) 0,6 0,4 0, 0 [Β] [Α] t ΛΥΣΗ α) i. Μέχρι να αποκατασταθεί η ισορροπία αντέδρασαν 0, mol/l Α και 0,6 mol/l Β (τριπλάσια ποσότητα σε σχέση με το Α). Επομένως λ = 3. ii. Εφόσον η πίεση στο δοχείο μένει σταθερή, ο συνολικός αριθμός των μορίων των αερίων δε μεταβάλλεται, οπότε: = μ +, μ =. β) 0,4 c(m) [Γ], [Δ] γ) Με βάση τα διαγράμματα για τα αντιδρώντα και τα προϊόντα θα έχουμε: mol Α(g) + 3Β(g) Γ(g) + Δ(g) Αρχικά 0,8V V Μεταβολές 0,V 0,6V 0,4V 0,4V Χ.Ι. 0,6 V 0,4V 0,4V 0,4V t Το συστατικό Α είναι σε περίσσεια (γιατί;), οπότε η απόδοση της αντίδρασης μπορεί να υπολογιστεί με βάση το συστατικό Β ως εξής: 0,6V α = = 0,6 (60%) V 54

65 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 3.1. Γενικά, μία χημική αντίδραση είναι μονόδρομη όταν: Α) δεν ολοκληρώνεται ποτέ Β) εξαντλούνται οι ποσότητες όλων των αντιδρώντων Γ) εξαντλείται η ποσότητα ενός τουλάχιστον από τα αντιδρώντα Δ) έχει απόδοση μικρότερη από 1 c [Α] 3.. Γενικά, μία αμφίδρομη χημική αντίδραση: Α) πραγματοποιείται τόσο στο εργαστήριο, όσο και στη φύση Β) οδηγεί σε πλήρη μετατροπή των αντιδρώντων στα προϊόντα Γ) οδηγεί σε κατάσταση χημικής ισορροπίας Δ) έχει απόδοση 100% 3.3. Σε κενό δοχείο εισάγεται μίγμα των αερίων σωμάτων Α και Β, που αντιδρούν στους θ ο C σύμφωνα με την εξίσωση: Α(g) + B(g) Γ(g). Στην κατάσταση της χημικής ισορροπίας στο δοχείο θα συνυπάρχουν: Α) μόνο τα αέρια Α και Γ Β) μόνο τα αέρια Β και Γ Γ) μόνο το αέριο Γ Δ) Όλα τα αέρια Α, Β και Γ 3.4. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις που αφορούν τη χημική ισορροπία είναι λανθασμένη; Α) Στην κατάσταση ισορροπίας οι ταχύτητες των δύο αντιδράσεων που εκφράζουν τις δύο αντίθετες φορές είναι ίσες. Β) Στην κατάσταση ισορροπίας συνυπάρχουν ποσότητες από όλα τα σώματα που συμμετέχουν στην ισορροπία (αντιδρώντα και προϊόντα) Γ) Η κατάσταση μιας χημικής ισορροπίας είναι δυναμική Δ) Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας δεν πραγματοποιείται καμία χημική αντίδραση 3.5. Σε κλειστό δοχείο σε θερμοκρασία Τ έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Α(g) + Β(g) Γ(g) + Δ(g). Αν υ 1 και υ είναι οι ταχύτητες των αντιδράσεων με φορά προς τα δεξιά και προς τ αριστερά αντίστοιχα, θα ισχύει: Α) υ 1 = υ = 0 Β) υ 1 = υ 0 Γ) υ 1 > υ Δ) υ 1 < υ Ε) υ 1 > 0 και υ < Σε δοχείο εισάγονται 1 mol Ν και mol Ο, τα οποία αντιδρούν στους θ o C, σύμφωνα με την εξίσωση: Ν (g) + O (g) NO(g) i. Για τον αριθμό n των mol του ΝΟ που θα υπάρχουν στο δοχείο μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας, θα ισχύει: Α) n = Β) n > Γ) n < Δ) n = 4 ii. Για το συνολικό αριθμό mol (n ολ ) των αερίων, μετά την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας, θα ισχύει: Α) n ολ. < 3 Β) n ολ. = 3 Γ) n ολ. > 3 Δ) n ολ. = 3.7. Σε κενό δοχείο εισάγεται ποσότητα της ένωσης Α, η ο- ποία, αρχίζει να μετατρέπεται στην ένωση Β υπό σταθερή θερμοκρασία. Το διάγραμμα που ακολουθεί παριστάνει τις συγκεντρώσεις των ενώσεων Α και Β σε συνάρτηση με το χρόνο. [Β] t Η εξίσωση της αντίδρασης που πραγματοποιήθηκε είναι: Α) Α Β Β) Α Β Γ) Α Β Δ) Α Β 3.8. Η απόδοση κάθε αμφίδρομης αντίδρασης εκφράζει: Α) το λόγο της μάζας οποιουδήποτε προϊόντος προς τη μάζα που θα παράγονταν από αυτό το προϊόν, αν η αντίδραση ή- ταν μονόδρομη Β) το ποσοστό με το οποίο αντέδρασε το σώμα εκείνο που είχε αρχικά τη μικρότερη μάζα Γ) το λόγο της μάζας των προϊόντων προς τη μάζα των αντιδρώντων Δ) το ποσοστό του καθενός από τα αρχικά σώματα που α- ντέδρασε 3.9. Σε δοχείο εισάγουμε ποσότητες από τα αέρια Α και Β, και αποκαθίσταται η ισορροπία: Α(g) + Β(g) Γ(g) + Δ(g) Για το συστατικό Α o λόγος του αριθμού των mol που αντέδρασε μέχρι την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας προς τον αρχικό αριθμό mol του Α είναι ίσος με την απόδοση α της αντίδρασης: Α) μόνον όταν το Α είναι σε έλλειμμα ή η αρχική αναλογία mol με το συστατικό Β είναι η στοιχειομετρική Β) μόνον όταν η αρχική αναλογία mol με το συστατικό Β είναι η στοιχειομετρική Γ) μόνον όταν το Α είναι σε περίσσεια Δ) πάντα Να θεωρήσετε τις προτάσεις i και ii που ακολουθούν, καθώς και τη συνολική πρόταση που προκύπτει από τη σύνδεσή τους με το «γιατί». i. Οι συγκεντρώσεις αντιδρώντων και προϊόντων μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας δεν αλλάζουν, γιατί: ii. Οι ταχύτητες των δύο αντιδράσεων προς τα δεξιά και προς τα αριστερά είναι μηδέν στην ισορροπία. Τι από τα παρακάτω είναι σωστό; Α) Οι δύο προτάσεις είναι σωστές και η συνολική πρόταση επίσης Β) Οι δύο προτάσεις είναι σωστές αλλά η συνολική είναι λανθασμένη Γ) Η πρόταση i είναι σωστή, αλλά η πρόταση ii είναι λανθασμένη Δ) Η πρόταση i είναι λανθασμένη, ενώ η πρόταση ii είναι σωστή 55

66 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου εισάγονται ποσότητες από τις ενώσεις Α και Β, οπότε με την πάροδο του χρόνου αποκαθίσταται η ισορροπία: A(g) + xb(g) 3Γ(g). Στο διάγραμμα που ακολουθεί παριστάνονται οι καμπύλες αντίδρασης των 3 συστατικών της από t = 0 μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας (t = t v ). 6 c(m) 4 Ι ΙΙ ΙΙΙ Ποιο από τα παρακάτω διαγράμματα συγκεντρώσεων αποδίδει την εξέλιξη της ισορροπίας: A(g) + B(g) Γ(g); c(μ) c(μ) Β Α Α Γ 1 t v t Γ Με βάση τα δεδομένα αυτά τι από τα παρακάτω ισχύει: Α) Οι αρχικές ποσότητες των Α και Β είναι ισομοριακές Β) O συντελεστής x είναι ίσος με Γ) Η καμπύλη ΙΙ αντιστοιχεί στο σώμα Β Δ) Για κάθε χρονική στιγμή t < t v θα ισχύει: [B] < [A] 3.1. Δίνεται η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g). Σε δοχείο σταθερού όγκου προσθέτουμε αρχικά 3 mol Ν και 3 mol Η. Στην ισορροπία, ποια από τις παρακάτω σχέσεις είναι οπωσδήποτε σωστή; Α) [Η ] > [ΝΗ 3 ] Β) [Ν ] > [Η ] Γ) [Η ] > [Ν ] Δ) [ΝΗ 3 ] > [Ν ] c(μ) Γ Β Β Α 3 t v t v Δίνεται η χημική ισορροπία: A(g) + B(g) Γ(g). Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου προσθέτουμε ποσότητα της ένωση Γ, οπότε με την πάροδο του χρόνου αποκαθίσταται η ισορροπία. Τι από τα παρακάτω είναι σωστό; Α) Στην ισορροπία θα ισχύει: [Β] = [Α] Β) Στην ισορροπία θα ισχύει: [Α] = [Β] Γ) Στην ισορροπία θα ισχύει: [Α] = [Β] Δ) Αρχικά, η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά (υ 1 ) είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά (υ ), με την πάροδο όμως του χρόνου αποκαθίσταται χημική ισορροπία στη οποία ισχύει: υ 1 = υ Σε δοχείο σταθερού όγκου εισάγονται x mol SO (g) και x mol O (g), υπό σταθερή θερμοκρασία, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g). Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας οι ποσότητες του SO και του O βρέθηκαν ίσες με α mol και β mol, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τα παραπάνω δεδομένα, ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή; Α) Η απόδοση της αντίδρασης είναι ίση με (x α)/x Β) Για τις ποσότητες α και β, ισχύει: α > β Γ) Η ποσότητα του SO 3 στη χημική ισορροπία θα είναι ίση με (x + α) mol Δ) Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης η πίεση αυξάνεται συνεχώς 56 c(μ) Β Α) Το διάγραμμα 1 Β) Το διάγραμμα Γ) Το διάγραμμα 3 Δ) Το διάγραμμα Να εξηγήσετε ποιες από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι λανθασμένες. α) Οι μονόδρομες αντιδράσεις έχουν πάντοτε μεγάλη ταχύτητα και οι αμφίδρομες έχουν πάντοτε μικρή ταχύτητα. β) Για το συντελεστή απόδοσης μιας αμφίδρομης αντίδρασης ισχύει πάντα: α < 1. γ) Στην κατάσταση ισορροπίας οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων είναι πάντοτε ίσες μεταξύ τους. δ) Στην κατάσταση ισορροπίας, εφόσον οι συνθήκες παραμένουν σταθερές, οι συγκεντρώσεις όλων των αντιδρώντων και προϊόντων παραμένουν σταθερές. ε) Αν σε μία αμφίδρομη αντίδραση η αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη, τότε προς τα αριστερά θα είναι ενδόθερμη. Γ Α 4 t v

67 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Ποιες από τις παρακάτω ισορροπίες είναι ομογενείς και ποιες ετερογενείς; 1. Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g). 3Fe(s) + 4H O(g) Fe 3 O 4 (s) + 4H (g) 3. CaCO 3 (s) Ca + (aq) + CO 3 (aq) 4. CH 3 COOH(aq) + NH 3 (aq) CH 3 COO (aq) + NH 4+ (aq) Να εξηγήσετε τι εννοούμε όταν λέμε ότι η μία χημική ισορροπία χαρακτηρίζετε ως δυναμική. Προβλήματα mol H (g) αναμιγνύονται με 3 mol I (g) σε κλειστό δοχείο και το μίγμα αφήνεται να αντιδράσει μέχρι να αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: H (g) + I (g) ΗΙ(g). Κατά τη διαδικασία αυτή παράγονται mol ΗΙ(g). Ποια είναι η απόδοση της αντίδρασης; 3.0. Σε δοχείο εισάγονται αρχικά 4 mol N (g) και 10 mol Η (g) και αποκαθίσταται η ισορροπία, Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Στην ισορροπία προσδιορίστηκαν 68 g NH 3 (g). Ποια είναι η απόδοση της αντίδρασης; 3.1. Σε δοχείο 10 L εισάγονται 8 mol PCl 5 και αποκαθίσταται η ισορροπία: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g). Η περιεκτικότητα του μίγματος ισορροπίας σε Cl βρέθηκε ίση με 0% v/v. Να υπολογίσετε: α) Τις ποσότητες (σε mol) των 3 αερίων της ισορροπίας. β) Τις συγκεντρώσεις των 3 αερίων στην ισορροπία. 3.. Αέριο μίγμα Ν και Η περιέχει 40% v/v Η και καταλαμβάνει συνολικό όγκο 33,6 L (σε STP). Όταν το μίγμα αυτό αντιδράσει σε κατάλληλες συνθήκες σχηματίζεται NH 3 με απόδοση 10%. Να υπολογιστεί η μάζα της NH 3 που σχηματίστηκε Ισομοριακό μίγμα αποτελείται από τα αέρια SO και ΝΟ και έχει μάζα 33 g. Το μίγμα εισάγεται σε κλειστό δοχείο υπό κατάλληλες συνθήκες, οπότε αποκαθίσταται η ι- σορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: SO (g) + ΝΟ (g) SΟ 3 (g) + NO(g) Στην ισορροπία έχουν σχηματιστεί 0, mol SO 3. α) Ποιες οι ποσότητες (σε mol) των άλλων αερίων στη χημική ισορροπία; β) Ποια η απόδοση της αντίδρασης; 3.4. λ mol SO (g) και μ mol Ο (g) εισάγονται σε δοχείο όγκου V = 10 L και αποκαθίσταται η ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g) Στη χημική ισορροπία προσδιορίστηκαν οι εξής συγκεντρώσεις: [SO ] = 0,4 M, [O ] = 0,6 M και [SO 3 ] = 0,8 Μ. α) Να υπολογιστούν οι αρχικές ποσότητες λ και μ. β) Να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης Αέριο μίγμα αποτελείται από 10 mol CO και 4 mol Η. Το μίγμα εισάγεται σε κλειστό δοχείο όγκου 10 L σε περιβάλλον θερμοκρασίας Τ, οπότε αποκαθίσταται η χημική ι- σορροπία: CO(g) + Η (g) CΗ 3 OH(g) Η απόδοση της αντίδρασης βρέθηκε ίση με 0%. Να υπολογίσετε τις συγκεντρώσεις όλων των συστατικών στην κατάσταση της χημικής ισορροπίας Σε έναν αντιδραστήρα όγκου L εισάγεται μίγμα N (g) και H (g). Το μίγμα θερμαίνεται στους 75 K και αποκαθίσταται η ισορροπία: N (g) + 3H (g) NH 3 (g). Αν στο μίγμα ισορροπίας προσδιορίστηκαν mol H (g), 0, mol N (g) και 0,4 mol NH 3 (g), να υπολογιστούν: α) Οι αρχικές ποσότητες (σε mol) των δύο αντιδρώντων. β) Η απόδοση της αντίδρασης Σε κενό δοχείο εισάγονται mol N και 5 mol H τα οποία αντιδρούν σε κατάλληλες συνθήκες, σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Αν το N αντέδρασε σε ποσοστό 5%, να υπολογιστούν: α) Η απόδοση της αντίδρασης. β) Η ποσότητα της ΝΗ 3 (σε mol) που έχει σχηματιστεί στη χημική ισορροπία Δοχείο σταθερού όγκου περιέχει 1 mol CO (g) στους 47 o C και υπό πίεση 10 atm. Με θέρμανση του αερίου στους 117 o C αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: CO (g) CO(g) + O (g) α) Ποια θα ήταν η τιμή της πίεσης στους 117 o C αν δε γινόταν καθόλου η διάσπαση του CO ; β) Αν το CO είχε διασπαστεί πλήρως, ποια θα ήταν η πίεση στο δοχείο; γ) Αν η απόδοση της διάσπασης είναι 5% ποια θα είναι η τελική πίεση του μίγματος στην κατάσταση ισορροπίας; 3.9. Σε δοχείο όγκου V = L εισάγονται ποσότητες από τα σώματα Α(g) και Β(g) που αντιδρούν σύμφωνα με την εξίσωση: A(g) + xb(g) yγ(g). Στο διάγραμμα που ακολουθεί εμφανίζονται οι καμπύλες αντίδρασης για τα τρία σώματα που συμμετέχουν στην ισορροπία: 0,4 c (Μ) 0,3 0, 0,1 [Α] [Β] [Γ] α) Ποιοι οι συντελεστές (x και y) των σωμάτων Β και Γ; β) Ποια η θεωρητική ποσότητα σχηματισμού του Γ; γ) Ποια η απόδοση της αντίδρασης; t 57

68 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Μίγμα ΝΟ και Br αντιδρά σύμφωνα με τη χημική ι- σορροπία: ΝΟ(g) + Br (g) NOBr (g). Βρέθηκε ότι στην κατάσταση της ισορροπίας συνυπάρχουν ισομοριακές ποσότητες ΝΟ και ΝΟΒr, ενώ ο αριθμός mol του Βr είναι διπλάσιος από τον αριθμό mol του ΝΟBr. α) Ποια η %v/v σύσταση του αρχικού μίγματος; β) Ποια είναι η απόδοση της αντίδρασης; γ) Ποιο είναι το κλάσμα του mol του ΝΟ που αντιδρά; Ποιο το αντίστοιχο κλάσμα για το Br ; Σε δοχείο σταθερού όγκου με κατάλληλο στερεό καταλύτη εισάγουμε 3 g Η και 11 g N και η πίεση είναι ίση με P. H θερμοκρασία στο δοχείο διατηρείται σταθερή μέχρις ότου αποκατασταθεί χημική ισορροπία μεταξύ του Η, του N και της ΝΗ 3 που σχηματίζεται, οπότε η ολική πίεση γίνεται ίση με 0,9P. Να υπολογιστούν: α) Η σύσταση (σε mol) του μίγματος ισορροπίας. β) Η %v/v σύσταση του μίγματος ισορροπίας. γ) Η απόδοση της αντίδρασης Κάτω από ορισμένες συνθήκες το Ο (g) αντιδρά με το HCl(g) παράγοντας Cl (g) και Η Ο(g). Η αντίδραση είναι αμφίδρομη και καταλήγει σε χημική ισορροπία που περιλαμβάνει και τα τέσσερα αέρια συστατικά. α) Αν το αρχικό μίγμα αποτελείται από α mol HCl και β mol Ο και x είναι το κλάσμα των mol του HCl που έχει μετατραπεί σε Cl μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας, να βρεθεί ο συνολικός αριθμός mol όλων των συστατικών της ισορροπίας σαν συνάρτηση των α, β και x. β) Αν το αρχικό μίγμα ήταν ισομοριακό και το ποσοστό του ΗCl που αντέδρασε μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας είναι 80% να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης. MIA ΕΙΔΙΚΗ ΑΣΚΗΣΗ To μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ) μπορεί να προκύψει με οξείδωση της αμμωνίας από Ο, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): ΝΗ 3 (g) + Ο (g) ΝΟ(g) + Η Ο(g) α) Να σημειώσετε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο ανάγεται και να συμπληρώσετε την εξίσωση με τους απαραίτητους συντελεστές. β) Σε δοχείο, που βρίσκεται σε θερμοκρασία Τ, εισάγονται 100 mol ΝΗ 3 και αέρας σε 0% περίσσεια σε σχέση με αυτόν που απαιτείται για την πλήρη αντίδραση, σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση. Nα υπολογιστεί ο συνολικός αριθμός mol του αέρα που εισήχθηκε αρχικά στο δοχείο. γ) Όταν αποκαταστάθηκε η χημική ισορροπία, η απόδοση της αντίδρασης βρέθηκε ίση με 80%. Να υπολογιστεί η % v/v αναλογία του μίγματος ισορροπίας σε ΝΗ 3. Ο αέρας αποτελείται από 80% v/v N και 0% v/v O. «Χημεία και τέρατα (3): Πόλεμος και επιστήμη! Ίσως δε μπορούμε να φανταστούμε ότι η έννοια των αντιστρεπτών αντιδράσεων και της χημικής ισορροπίας οφείλεται στο Γάλλο στρατηλάτη Ναπολέοντα! Το 1798 Ναπολέοντας ζήτησε από τον εξέχοντα Γάλλο χημικό Claude Louis Berthollet να τον συνοδεύσει στην εκστρατεία του στην Αίγυπτο ως επιστημονικός σύμβουλος. Εκεί, ο Berthollet παρατήρησε σε μία λίμνη με αλάτι (NaCl) σχηματισμό ανθρακικού νατρίου (NaCO3) με μια αντίδραση αντίστροφη της πολύ γνωστής, από εκείνη την εποχή, αντίδρασης: Na CO 3 + CaCl CaCO 3 + NaCl Διαπίστωσε ότι αν και στο εργαστήριο η αντίδραση γινόταν πλήρως προς τα δεξιά, η αντίδραση μπορούσε να γίνει και προς την αντίθετη κατεύθυνση. Απέδωσε το φαινόμενο αυτό στη μεγάλη συγκέντρωση του νερού σε NaCl, χωρίς όμως να μπορεί να φανταστεί την έννοια της χημικής ισορροπίας. Αργότερα, στα μέσα του 1800, οι Berthelot και Gilles έδειξαν ότι οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων επηρέαζαν τις συγκεντρώσεις των προϊόντων στις διάφορες χημικές αντιδράσεις, ενώ λίγο αργότερα οι Guldberg και Waage έδειξαν ότι μία αντίδραση μπορεί να οδηγηθεί σε χημική ισορροπία από οποιαδήποτε κατεύθυνση. Το 1877 ο van't Hoff θεμελίωσε την ισχύ του νόμου της χημικής ισορροπίας (βλ. ενότητα 6). Έδειξε ότι η κατάσταση της χημικής ισορροπίας είναι συνάρτηση των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων και μάλιστα ότι στην έκφραση του νόμου της ισορροπίας οι συγκεντρώσεις εμφανίζονται ως δυνάμεις των συντελεστών των αντιδρώντων και των προϊόντων της χημικής εξίσωσης. 58

69 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-3, να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. 1. Σε δοχείο εισάγονται 1, mol σώματος A και 0,5 mol σώματος B και πραγματοποιείται η αντίδραση: 3A + B A 3 B Ποια είναι η θεωρητική ποσότητα του σώματος Α 3 Β, αν η αντίδραση ήταν πλήρης και μονόδρομη; A) 0,5 mol B) 1, mol Γ) 0,4 mol Δ) 1,7 mol. Σε δοχείο 1 L εισάγονται 0,1 mol O και 0,1 mol SO 3, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g) Ποια από τις επόμενες σχέσεις θα είναι οπωσδήποτε σωστή στην ισορροπία; Α) [SO ] = [O ] = [SO 3 ] Β) [O ] < [SO 3 ] Γ) [SO 3 ] < [O ] Δ) [O ] = [SO 3 ] 3. Για την ισορροπία, SO (g) + NO (g) SO 3 (g) + NO(g), δίνονται τα δεδομένα του πίνακα που ακολουθεί: Μ [SO ] [NO ] [SO 3 ] [NO] Αρχικές α β Χ.Ι. x y ω ω Με βάση τα δεδομένα αυτά, ποια από τις παρακάτω σχέσεις θα ισχύει; Α) x = ω Β) x = y Γ) α x = ω Δ) x + y = ω E) β y = ω 4. 3 mol A(g) και x mol B(g) εισάγονται σε δοχείο και αποκαθίσταται η χημική ισορροπία που αποδίδεται από την εξίσωση: Α(g) + Β(g) Γ(g) Στη χημική ισορροπία προσδιορίστηκαν 1 mol Γ(g). Για την ισορροπία αυτή ισχύει: Α) Η αρχική ποσότητα του B είναι μεγαλύτερη από 1 mol Β) Η ποσότητα του Α στη ισορροπία είναι ίση με mol Γ) H απόδοση της αντίδρασης είναι α = /3 Δ) Η απόδοση της αντίδρασης είναι α = 1/x 5. Σε έναν αντιδραστήρα εισάγεται μίγμα N (g) και H (g) και το μίγμα θερμαίνεται σε θερμοκρασία Τ, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: N (g) + 3H (g) NH 3 (g) Στο μίγμα ισορροπίας προσδιορίστηκαν mol H (g), 0, mol N (g) και 0,4 mol NH 3 (g). Να υπολογιστούν: α) Οι αρχικές ποσότητες (σε mol) των δύο αντιδρώντων συστατικών. β) Η απόδοση της αντίδρασης. 59

70 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 6. Σε κλειστό δοχείο όγκου V = 10 L εισάγονται 4 mol COCl, οπότε υπό σταθερή θερμοκρασία Τ = 500 K, αποκαθίσταται η ισορροπία: COCl (g) CO(g) + Cl (g). Το αέριο μίγμα ισορροπίας ασκεί πίεση 4,6 atm. Να υπολογίσετε: α) Την απόδοση της αντίδρασης. β) Τον όγκο διαλύματος KMnO 4 συγκέντρωσης 0, M, οξινισμένου με H SO 4, που απαιτείται για την οξείδωση της ποσότητας του CO που παράγεται από την παραπάνω ισορροπία. R = 0,08 atm L/mol K. 0,6 7. Σε δοχείο σταθερού όγκου 1 L εισάγουμε 0,5 mol Α(g), οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: c(μ) 1 A(g) B(g) + λγ(g) 0,4 Οι καμπύλες αντίδρασης για τα σώματα Α, Β και Γ δίνονται στα διαγράμματα που ακολουθούν. α) Σε ποιο από τα σώματα της αντίδρασης αντιστοιχεί η κάθε καμπύλη 1, και 3; Ποια η τιμή του συντελεστή λ; 0, β) Ποια ποσότητα (σε mol) από τα προϊόντα Β και Γ θα σχηματίζονταν αν η αντίδραση ήταν μονόδρομη; 3 γ) Να προσδιοριστεί η απόδοση της αντίδρασης. t (s) 60

71 4 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ Εισαγωγή Είδαμε στην προηγούμενη ενότητα τι συμβαίνει όταν σε μία αμφίδρομη αντίδραση έχει αποκατασταθεί χημική ισορροπία: Τα αντιδρώντα και τα προϊόντα συνυπάρχουν και μάλιστα οι ποσότητές τους παραμένουν αναλλοίωτες με την πάροδο του χρόνου, εκτός αν αλλάξουν οι συνθήκες του πειράματος. Οι δύο αντίθετης φοράς αντιδράσεις εξελίσσονται ταυτόχρονα και μάλιστα με τις ίδιες ταχύτητες (υ 1 = υ ). Τι θα γίνει, όμως, αν σε μία χημική ισορροπία αλλάξουν οι συνθήκες που την καθορίζουν; Προσέξτε το παράδειγμα που ακολουθεί. Ας υποθέσουμε ότι σε ένα κλειστό δοχείο έχει αποκατασταθεί η «γνωστή» ισορροπία, υ1 Η (g) + I (g) HI(g) (υ 1 = υ ) υ υπό σταθερή θερμοκρασία και πίεση. Προσθέτουμε «ξαφνικά» στο δοχείο κάποια επιπλέον ποσότητα Η (g), οπότε η [Η ] θα αυξηθεί. Έτσι, η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά (υ 1 ) θα γίνει στιγμιαία μεγαλύτερη από την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά (υ ) με αποτέλεσμα να σχηματίζεται μεγαλύτερη ποσότητα ΗΙ: Επιπλέον Η Η (g) + I (g) υ1 HI(g) υ υ1 υ προσθήκη Η Νέα Χ.Ι. t υ Με την πάροδο του χρόνου η υ 1 μειώνεται ενώ η υ αυξάνεται, οπότε θα έλθει κάποια στιγμή όπου οι δύο ταχύτητες θα εξισωθούν και πάλι και θα αποκατασταθεί νέα ισορροπία στην οποία οι νέες συγκεντρώσεις των Η, I και HI θα παραμένουν από κει και πέρα αναλλοίωτες! Καθώς στη νέα αυτή «θέση» της ισορροπίας υπάρχει μεγαλύτερη ποσότητα ΗΙ, λέμε ότι η χημική ισορροπία «μετατοπίστηκε» προς τα δεξιά. 61

72 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4.1 Παράγοντες που επηρεάζουν τη θέση χημικής ισορροπίας Γενικά, η θέση μιας χημικής ισορροπίας επηρεάζεται από τους εξής παράγοντες (συντελεστές): α) Συγκέντρωση των αντιδρώντων ή των προϊόντων. β) Πίεση. γ) Θερμοκρασία. Η μεταβολή της θέσης μιας ισορροπίας (αν δηλαδή θα μετατοπιστεί προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά με στόχο την αποκατάσταση νέας ισορροπίας) με την μεταβολή κάποιου παράγοντα που την καθορίζει, μπορεί να προβλεφθεί με βάση την αρχή Le Châtelier. Σύμφωνα με την αρχή αυτή: «Όταν μεταβάλλουμε ένα από τους συντελεστές μιας χημικής ισορροπίας (συγκέντρωση, πίεση, θερμοκρασία) η θέση της ισορροπίας αυτής μετατοπίζεται προς εκείνη την κατεύθυνση που τείνει να αναιρέσει τη μεταβολή που επιφέραμε». Henri Louis Le Châtelier. Γάλλος χημικός που γεννήθηκε και έζησε στο Παρίσι ( ). «Ακατανόητη», ε; Ας δούμε κάθε ένα παράγοντα ξεχωριστά. 4. Η συγκέντρωση ως παράγοντας της χημικής ισορροπίας Θα χρησιμοποιήσουμε το «κλασσικό» μας παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι σε κάποιο δοχείο, που ήδη έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία, ΗΙ(g) H (g) + I (g) συνυπάρχουν 16 mol HI, mol H και mol I. Μεταβάλλουμε τη συγκέντρωση του ΗΙ με προσθήκη π.χ. 4 mol ΗΙ επιπλέον. mol ΗΙ(g) H (g) + I (g) Χ.Ι. 16 Προσθέτω +4 Με την προσθήκη αυτή, λοιπόν, η ισορροπία διαταράσσεται. Για να αποκατασταθεί νέα χημική ισορροπία, και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, εξελίσσεται αντίδραση προς τα δεξιά (κάποια ποσότητα ΗΙ διασπάται). Με άλλα λόγια, η ισορροπία τείνει να αναιρέσει τη μεταβολή που επιφέραμε: mol ΗΙ(g) H (g) + I (g) Αρχική Χ.Ι. 16 Προσθέτω +4 Μεταβολές x +x +x Νέα Χ.Ι. 0 x + x + x Για να εφαρμοστεί η αρχή Le Chatelier θα πρέπει να έχω ήδη μία χημική ισορροπία και να «πειράξω» ένα από τους παράγοντες που την καθορίζουν (συγκέντρωση, πίεση, θερμοκρασία). Αυξήσαμε την ποσότητα ΗΙ; Η ισορροπία «πηγαίνει» προς ε- κείνη την κατεύθυνση που καταναλώνεται ΗΙ, δηλαδή προς τα δεξιά. Η λέξη «τείνει» εννοεί ότι με την προσθήκη των επιπλέον 4 mol HI η αντίδραση οδεύει προς τα δεξιά, με σκοπό η ποσότητα του ΗΙ στη νέα Χ.Ι. να «πλησιάσει» εκ νέου την αρχική ποσότητα των 16 mol, χωρίς όμως να το «καταφέρει»! Γενικά, σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η μεταβολή της συγκέντρωσης σε ένα ή περισσότερα από τα σώματα που συμμετέχουν στην ισορροπία, μετατοπίζει την ισορροπία: 6

73 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER Προς τα δεξιά, αν αυξήσουμε τη συγκέντρωση ενός αντιδρώντος. Προς τα αριστερά, αν μειώσουμε τη συγκέντρωση ενός αντιδρώντος. Προς τα αριστερά, αν αυξήσουμε τη συγκέντρωση ενός προϊόντος. Προς τα δεξιά, αν μειώσουμε τη συγκέντρωση ενός προϊόντος. Εφαρμογή 1 Τα στερεά θεωρείται ότι έχουν «σταθερή συγκέντρωση» (1 Μ), ανεξάρτητα με την ποσότητά τους. Έτσι, αν σε μία ι- σορροπία που συμπεριλαμβάνει στερεό σώμα, αυξήσουμε ή μειώσουμε τη ποσότητά του, η ισορροπία δε διαταράσσεται! Έστω ότι σε κάποιο δοχείο σταθερού όγκου, υπό σταθερή θερμοκρασία, έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g). Πως θα μεταβληθεί η θέση της χημικής ισορροπίας: α) Αν προσθέσουμε επιπλέον ποσότητα Ν. β) Αν προσθέσουμε επιπλέον ποσότητα NH 3. γ) Αν αφαιρέσουμε κάποια ποσότητα NH 3 (π.χ. με υγροποίησή της, οπότε απομακρύνεται από τον κύκλο της ισορροπίας). ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Θα εξελιχθεί αντίδραση προς τα δεξιά, ώστε να καταναλωθεί μέρος της ποσότητας του Ν που προσθέσαμε. β) Θα εξελιχθεί αντίδραση προς τα αριστερά, ώστε να καταναλωθεί μέρος της ποσότητας της ΝΗ 3 που προσθέσαμε. γ) Θα εξελιχθεί αντίδραση προς τα δεξιά, ώστε να αναπληρωθεί μέρος της ποσότητας της ΝΗ 3 που αφαιρέσαμε με την υγροποίηση. Εφαρμογή Έστω ότι σε κάποιο δοχείο σταθερού όγκου, υπό σταθερή θερμοκρασία, έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g). Πως μπορούμε να οδηγήσουμε την αντίδραση προς τα δεξιά (να παράγουμε, δηλαδή, μεγαλύτερη ποσότητα CaO); ΑΠΑΝΤΗΣΗ Δε μπορούμε να προσθέσουμε επιπλέον ποσότητα CaCO 3 γιατί είναι στερεό και δε μεταβάλλει τη θέση της χημικής ισορροπίας. Μπορούμε, όμως, να αφαιρέσουμε ποσότητα CO (g), οπότε σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα δεξιά, παράγοντας επιπλέον ποσότητα CaO. 4.3 Η πίεση ως παράγοντας της χημικής ισορροπίας Η πίεση είναι παράγοντας της χημικής ισορροπίας, αλλά για να ισχύει αυτό θα πρέπει να ισχύουν οι εξής προϋποθέσεις: 1. Να συμμετέχουν στην ισορροπία αέριες ουσίες (έστω και ένα αέριο ως αντιδρών ή προϊόν).. Κατά την αντίδραση να παρατηρείται μεταβολή του αριθμού των mol των αερίων. 3. Να μεταβάλλουμε την πίεση με μεταβολή του όγκου του δοχείου στο οποίο διεξάγεται η αντίδραση. Αν ισχύουν οι παραπάνω προϋποθέσεις, τότε η αρχή Le Châtelier εφαρμόζεται στην περίπτωση αυτή ως εξής: 63

74 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σε ένα σύστημα που βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας, η αύξηση της πίεσης υπό σταθερή θερμοκρασία, μετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση όπου έχουμε τα λιγότερα mol αερίων. Επίσης, η μείωση της πίεσης μετατοπίζει την ισορροπία προς την κατεύθυνση, όπου έχουμε περισσότερα mol των αερίων. Ας διασαφηνίσουμε την «ιστορία» με δύο παραδείγματα: Παράδειγμα 1: Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: ΗΙ(g) H (g) + Ι (g). Πως θα μεταβληθεί η θέση της χημικής ισορροπίας, αν π.χ. μειώσουμε την πίεση στο δοχείο (με αύξηση του όγκου) διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία; Η 1η και η 3η από τις παραπάνω προϋποθέσεις ισχύουν. Για να εξετάσουμε και τη δεύτερη: Δεν υπάρχει μεταβολή των mol των αερίων ( = 1 + 1) ΗΙ(g) H (g) + Ι (g) Καθώς δεν παρατηρείται μεταβολή του αριθμού των mol των αερίων, από τα αριστερά προς τα δεξιά (ή και το αντίστροφο), η πίεση δεν παίζει ρόλο στη θέση της ισορροπίας και η αύξησή της δε μεταβάλλει τις ποσότητες των αντιδρώντων και των προϊόντων. Παράδειγμα : Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g). Πως θα μεταβληθεί η θέση της χημικής ισορροπίας αν π.χ. αυξήσουμε την πίεση στο δοχείο (με μείωση του όγκου) διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία; Στην περίπτωση αυτή όλες οι προϋποθέσεις ισχύουν: αύξηση των mol των αερίων (1 + 3 > ) Ν (g) + 3H (g) μείωση των mol των αερίων ( < 1 + 3) NH 3 (g) Έτσι, σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η αύξηση της πίεσης θα οδηγήσει στην ισορροπία προς τον μικρότερο (συνολικά) αριθμό mol αερίων, δηλαδή προς τα δεξιά. αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την απόδοση σχηματισμού της ΝΗ 3. Έχουμε τη Χ.Ι.: NH 3 (g) 3H (g) + N (g) Αυξάνουμε την πίεση Νέα Χ.Ι.: παράγονται περισσότερα mol ΝΗ 3 64

75 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER Εφαρμογή 3 Σε ποιά από τις παρακάτω ισορροπίες, η πίεση είναι παράγοντας της ισορροπίας; Προσέξτε ότι ο Fe και το Fe3O4 είναι στερεά, όχι αέρια! SO (g) + Ο (g) 3Fe(s) + 4H O(g) SΟ 3 (g) Fe 3 O 4 (s) + 4H (g) Στην ισορροπία αυτή, πως μεταβάλλεται η θέση της, αν μειώσουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία; ΑΠΑΝΤΗΣΗ Παρατηρούμε ότι στη η ισορροπία δεν έχουμε μεταβολή του αριθμού των mol των αερίων: 4 mol H O(g) έναντι 4 mol Η (g). Αντίθετα, στην 1η ισορροπία έχουμε 3 mol συνολικά αερίων στο πρώτο μέλος, έναντι mol αερίων στο δεύτερο μέλος. Έτσι στην 1η ισορροπία η πίεση είναι παράγοντας της ισορροπίας. Αν στην 1η ισορροπία μειώσουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία, η πίεση θα αυξηθεί και η θέση της ισορροπίας θα μετατοπιστεί προς τα δεξιά (λιγότερα mol αερίων). 4.4 Η θερμοκρασία ως παράγοντας της χημικής ισορροπίας Η αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη (ΔΗ > 0), ενώ αυτή προς τα αριστερά είναι εξώθερμη (ΔΗ < 0)! Το πρόσημο της ενθαλπίας σε μία ισορροπία αντιστοιχεί πάντα για την αντίδραση προς τα δεξιά. Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Ν O 4 (g) ΝO (g), ΔΗ > 0 (άχρωμο) (καστανό) Παρατηρούμε ότι στους 0 ο C το περιεχόμενο του δοχείου είναι σχεδόν άχρωμο, ενώ στους 60 ο C σκούρο καστανό! Με άλλα λόγια, η αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος της χημικής ισορροπίας οδηγεί την αντίδραση προς τα δεξιά (παραγωγή επιπλέον ποσότητας ΝΟ ), ενώ αντίστροφα η μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί την αντίδραση προς τα αριστερά (μείωση της ποσότητας του ΝΟ με ταυτόχρονη μείωση της έντασης του χρωματισμού). Η αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη, ενώ αυτή προς τα αριστερά είναι ενδόθερμη (ΔΗ = +198kJ)! Τα πράγματα, όμως, είναι «ανάποδα» στη χημική ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g), ΔΗ = 198 kj Παρατηρούμε ότι αν μειώσουμε την θερμοκρασία της αντίδρασης η χημική ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά, ενώ αν αυξήσουμε θερμοκρασία της αντίδρασης η χημική ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά. Και στην περίπτωση αυτή τα φαινόμενα ε- ξηγούνται με βάση την αρχή Le Châtelier σύμφωνα με την οποία: 65

76 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί την ισορροπία προς την κατεύθυνση που απορροφάται θερμότητα (ενδόθερμη κατεύθυνση), ενώ η μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί την ισορροπία προς την κατεύθυνση που εκλύεται θερμότητα (εξώθερμη κατεύθυνση). Εφαρμογή 4 Τα ιόντα του δισθενούς κοβαλτίου, Co +, απαντώνται στα υδατικά τους διαλύματα με τη μορφή των συμπλόκων ιόντων τους, [Co(H O) 6 ] +, που έχουν ροζ χρώμα. Αν σε ένα τέτοιο διάλυμα προσθέσουμε ιόντα χλωρίου (π.χ. με τη μορφή NaCl) αποκαθίσταται η ισορροπία: Co(H O) 6 + (aq) + 4Cl (aq) (ροζ) CoCl 4 (aq) + 6H O(l) (μπλε) Το διάλυμα της ισορροπίας στη συνηθισμένη θερμοκρασία εμφανίζεται μπλε, ενώ αν ψυχθεί (π.χ. με πάγο) χρωματίζεται ροζ. Εξηγείστε αν η αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Παρατηρούμε ότι η μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί την ισορροπία προς τα αριστερά. Άρα, η αντίδραση προς τα αριστερά θα είναι εξώθερμη, οπότε η αντίδραση προς τα δεξιά θα είναι ενδόθερμη. 4.5 Εισαγωγή αδρανούς αερίου σε μία χημική ισορροπία Ένα αδρανές αέριο (π.χ. ένα ευγενές αέριο, Ηe, Ne, Ar κτλ.) είναι αυτό που δεν αντιδρά με κανένα από τα συστατικά μιας χημικής ισορροπίας. Η προσθήκη ενός τέτοιου αερίου σε ένα κλειστό χημικό σύστημα σε ισορροπία μπορεί να προκαλέσει ή να μην προκαλέσει μετατόπιση της θέση μιας χημικής ισορροπίας. Ας θεωρήσουμε την ισορροπία: N (g) + 3H (g) NH 3 (g). Διακρίνουμε τις εξής δύο περιπτώσεις: 1η περίπτωση: Το αδρανές αέριο (π.χ. το He) εισάγεται υπό σταθερό όγκο. Στην περίπτωση αυτή οι συγκεντρώσεις των συστατικών της χημικής ισορροπίας δε μεταβάλλονται, αν και η συνολική πίεση αυξάνεται (θυμηθείτε τι είπαμε παραπάνω για την πίεση ως παράγοντα μιας χημικής ισορροπίας: θα πρέπει να μεταβάλλεται με μεταβολή του όγκου!). Επομένως, δεν υπάρχει μετατόπιση στη θέση της χημικής ισορροπίας. η περίπτωση: Το αδρανές αέριο εισάγεται υπό σταθερή πίεση, οπότε έχουμε αύξηση όγκου. Και στην περίπτωση αυτή το He δεν αλληλεπιδρά με τα συστατικά της χημικής ισορροπίας, αλλά καθώς ο όγκος αυξάνεται, όλες οι συγκεντρώσεις μειώνονται και το σύστημα δεν είναι πια σε ισορροπία. Θα δείξουμε στην επόμενη ενότητα ότι η χημική ισορροπία θα μετατοπιστεί προς την κατεύθυνση που παράγονται περισσότερα mol αερίων, δηλαδή στην περίπτωσή μας προς τα αριστερά, μέχρις ότου να αποκατασταθεί νέα χημική ισορροπία. 66

77 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Σε κλειστό δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g), ΔΗ = 198 kj Ποιες από τις τρεις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές; α) Αν προσθέσουμε επιπλέον ποσότητα Ο, η ποσότητα του SO 3 θα ελαττωθεί. β) Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία, η ποσότητα του SO 3 θα ελαττωθεί. γ) Αν αυξήσουμε τον όγκο του δοχείου, η ποσότητα του SO 3 θα ελαττωθεί. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Η προσθήκη επιπλέον ποσότητας Ο θα οδηγήσει την ισορροπία προς τα δεξιά, ώστε να καταναλωθεί κάποια ποσότητά του. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα η ποσότητα του SO 3 να αυξηθεί και επομένως η πρόταση είναι λανθασμένη. β) Με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς την κατεύθυνση προς την οποία απορροφάται θερμότητα, δηλαδή προς τα αριστερά με αποτέλεσμα η ποσότητα του SO 3 να ελαττωθεί (σωστή πρόταση). γ) Η αύξηση του όγκου του δοχείου έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της πίεσης. Σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς την κατεύθυνση που αυξάνεται ο αριθμός mol των αερίων, δηλαδή προς τα αριστερά ( + 1 = 3 mol, έναντι mol). Η πρόταση είναι, επομένως, σωστή.. Έστω η ισορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: SO (g) + O (g) SO 3 (g), ΔΗ = 47 kcal Ποια από τις επόμενες μεταβολές σε ένα μίγμα ισορροπίας SO, O και SO 3 θα προκαλέσει αύξηση της ποσότητας του SO 3 ; α) Αύξηση της θερμοκρασίας. β) Ελάττωση του όγκου του δοχείου υπό σταθερή θερμοκρασία. γ) Αφαίρεση ποσότητας O από το δοχείο (V, T σταθερά). δ) Προσθήκη αδρανούς (ευγενούς) αερίου, π.χ. He (V, T σταθερά). ΑΠΑΝΤΗΣΗ Για να αυξηθεί η ποσότητα του SO 3 θα πρέπει η ισορροπία να μετατοπιστεί προς τα δεξιά. α) Η αύξηση της θερμοκρασίας θα μετατοπίσει τη θέση της χημικής ισορροπίας προς τα αριστερά (προς την ενδόθερμη κατεύθυνση). β) Η ελάττωση του όγκου του δοχείου υπό σταθερή θερμοκρασία θα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της πίεσης και τη μετατόπιση της θέσης της χημικής ισορροπίας προς τα δεξιά. γ) Αφαίρεση ποσότητας O από το δοχείο υπό σταθερό όγκο και σταθερή θερμοκρασία θα οδηγήσει την ισορροπία προς τα αριστερά. δ) Η προσθήκη αδρανούς αερίου υπό σταθερό όγκο και υπό σταθερή θερμοκρασία δε θα μεταβάλλει τη θέση της χημικής ισορροπίας. Επομένως, σωστή απάντηση είναι η β. 67

78 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 3. Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: CH 4 + H O CH 3 OH + H. Πως θα επηρεάσει η αύξηση της πίεσης τη θέση της χημικής ισορροπίας, i. στους 50 C, ii. στους 75 και iii. στους 10 C. Δίνονται τα σημεία βρασμού: CH 4 : 161 C, H O: 100 C, CH 3 OH: 65, H : 53 C. ΑΠΑΝΤΗΣΗ i. Στους 50 C η ισορροπία περιγράφεται από την εξίσωση, CH 4 (g) + H O(l) CH 3 OH(l) + H (g) καθώς το Η Ο και η CH 3 OH είναι σε υγρή κατάσταση. Η αύξηση της πίεσης δεν θα μετατοπίσει τη θέση της ισορροπίας καθώς ο αριθμός των mol των αερίων δεξιά και αριστερά είναι ο ίδιος. ii. Στους 75 C η ισορροπία περιγράφεται από την εξίσωση: CH 4 (g) + H O(l) CH 3 OH(g) + H (g) καθώς η CH 3 OH είναι πια σε αέρια κατάσταση. Η αύξηση της πίεσης θα μετατοπίσει τη θέση της ισορροπίας προς τα αριστερά καθώς προς την κατεύθυνση αυτή έχουμε μείωση του αριθμού των mol των αερίων (1 mol έναντι mol). iii. Στους 10 C η ισορροπία περιγράφεται από την εξίσωση: CH 4 (g) + H O(g) CH 3 OH(g) + H (g) καθώς και το Η Ο και η CH 3 OH είναι σε αέρια κατάσταση. Η αύξηση της πίεσης δεν θα μετατοπίσει στην περίπτωση αυτή τη θέση της ισορροπίας, καθώς ο αριθμός των mol των αερίων δεξιά και αριστερά είναι ο ίδιος (από mol). 4. Δοχείο περιέχει μίγμα των αερίων HCl, Ο, Η Ο και Cl σε κατάσταση χημικής ισορροπίας στους 400 ο C, σύμφωνα με την εξίσωση: 4HCl(g) + Ο (g) Η Ο(g) + Cl (g), ΔΗ = 114 kj Πώς μεταβάλλεται η ποσότητα του χλωρίου (Cl ), αν: α) Προσθέσουμε ποσότητα Ο στο μίγμα ισορροπίας, χωρίς μεταβολή του όγκου του δοχείου και της θερμοκρασίας. β) Διπλασιάσουμε τον όγκο του δοχείου, χωρίς μεταβολή της θερμοκρασίας. γ) Αυξήσουμε τη θερμοκρασία, χωρίς μεταβολή του όγκου του δοχείου. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Με την προσθήκη επιπλέον ποσότητας Ο στο μίγμα ισορροπίας, χωρίς μεταβολή του όγκου του δοχείου και της θερμοκρασίας, η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα δεξιά, ο- πότε η ποσότητα του Cl θα αυξηθεί. β) Αν ο όγκος του δοχείου διπλασιασθεί χωρίς μεταβολή της θερμοκρασίας, η πίεση θα μειωθεί και η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά (περισσότερα mol αερίων, 5 έναντι 4). Επομένως, η ποσότητα του Cl θα μειωθεί. γ) Με την αύξηση της θερμοκρασίας, χωρίς μεταβολή όγκου, η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά, οπότε η ποσότητα του Cl θα μειωθεί. 68

79 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER 5. Σε δοχείο όγκου V, που βρίσκεται στους θ ο C, περιέχονται x mol N O 4 και y mol NO (x y) σε κατάσταση ισορροπίας σύμφωνα με την εξίσωση: N O 4 (g) NO (g), ΔΗ > 0 Τη χρονική στιγμή t 1 μεταβάλλεται ένας από τους συντελεστές της χημικής ισορροπίας, οπότε οι συγκεντρώσεις των δύο αερίων μεταβάλλονται σε συνάρτηση με το χρόνο σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα: Ο συντελεστής στο ΝΟ είναι, ενώ στο ΝΟ4 είναι 1. Αυτό σημαίνει ότι η μεταβολή της συγκέντρωσης του ΝΟ (αύξηση ή μείωση) θα είναι διπλάσια από τη μεταβολή στη συγκέντρωση του ΝΟ4 (μείωση ή αύξηση). Και αυτό α- νεξάρτητα αν η ισορροπία μετατοπίζεται δεξιά ή αριστερά. Να εξηγήσετε ποιον από τους συντελεστές της χημικής ισορροπίας μεταβάλλαμε και με ποιο τρόπο. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Τη χρονική στιγμή t 1 η συγκέντρωση ενός από τα δύο συστατικά αυξάνεται ακαριαία. Άρα, προφανώς, αυξήσαμε τη συγκέντρωση του συστατικού αυτού. Το συστατικό αυτό θα πρέπει να είναι το ΝΟ, καθώς από τη χρονική στιγμή t 1 μέχρι τη χρονική στιγμή t, οπότε και αποκαθίσταται η νέα χημική ισορροπία, η μεταβολή στη συγκέντρωσή του είναι διπλάσια από τη μεταβολή της συγκέντρωσης του άλλου συστατικού (του Ν Ο 4 ). Πράγματι. Αν στο δοχείο της αντίδρασης προσθέσουμε επιπλέον ποσότητα ΝΟ η συγκέντρωσή του θα αυξηθεί και η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά, ώστε να καταναλωθεί μέρος της ποσότητας του. Έτσι μετά τη στιγμιαία αύξηση της [ΝΟ ] αυτή θα αρχίσει να μειώνεται μέχρι τη χρονική στιγμή t, οπότε και θα έχει αποκατασταθεί νέα ισορροπία. Βέβαια, σε όλη τη διάρκεια της αποκατάστασης της νέας ισορροπίας (από t 1 μέχρι t ), η [Ν Ο 4 ] θα αυξάνεται συνεχώς. 6. Σε δύο διαφορετικά δοχεία Δ 1 και Δ με όγκους V 1 και V, αντίστοιχα, έχουν αποκατασταθεί οι ισορροπίες: Η (g) + Ι (g) Ν (g) + 3H (g) HΙ (g) και NH 3 (g) Η ολική πίεση έχει και στα δύο συστήματα την ίδια τιμή Ρ. Αν διπλασιάσουμε τους όγκους και των δύο δοχείων, διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία, για τις τελικές πιέσεις Ρ 1 και Ρ, μετά την αποκατάσταση των νέων ισορροπιών στα δύο δοχεία Δ 1 και Δ αντίστοιχα, θα ισχύει: Α) Ρ 1 = Ρ/ και Ρ/ Ρ Ρ Β) Ρ 1 = Ρ και Ρ > Ρ/ Γ) Ρ 1 = Ρ = Ρ/ Δ) Ρ 1 = Ρ = Ρ 69

80 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΑΠΑΝΤΗΣΗ Καλύτερα να δούμε τις δύο ισορροπίες ξεχωριστά. Η 1η ισορροπία δεν επηρεάζεται από τη μεταβολή της πίεσης, καθώς ο αριθμός των mol των αερίων δεξιά και αριστερά είναι ο ίδιος. Αν στην ισορροπία αυτή διπλασιάσουμε τον όγκο του δοχείου υπό σταθερή τη θερμοκρασία, η πίεση από Ρ θα γίνει ακαριαία Ρ/, αλλά καθώς η ισορροπία δε μετατοπίζεται θα παραμείνει στην τιμή αυτή. Τα πράγματα είναι διαφορετικά για τη η ισορροπία. Αν στην ισορροπία αυτή διπλασιάσουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία, πάλι η πίεση από Ρ θα γίνει ακαριαία Ρ/. Αλλά η μείωση της πίεσης θα οδηγήσει την ισορροπία προς τα αριστερά (προς τα περισσότερα mol αερίων). Έτσι, στο νέο όγκο V τα συνολικά mol θα αυξάνονται συνεχώς μέχρι να αποκατασταθεί νέα χημική ισορροπία, οπότε και η τελική πίεση θα είναι μεγαλύτερη από P/. Καθώς, όμως, η μεταβολή τείνει να αναιρεθεί, η πίεση δεν πρόκειται να φθάσει ποτέ την αρχική τιμή Ρ. Με άλλα λόγια, σωστή είναι η επιλογή Α. SORRY, I VE GOT TO GO 70

81 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 4.1. Το σύνολο των παραγόντων από τους οποίους επηρεάζεται η ισορροπία, 3C H (g) C 6 H 6 (g), ΔH > 0, είναι: A) η πίεση και η θερμοκρασία B) οι συγκεντρώσεις του C H και του C 6 H 6 Γ) οι συγκεντρώσεις των C H και C 6 H 6, η πίεση και η θερμοκρασία Δ) η ποσότητα του καταλύτη (Fe), η πίεση και η θερμοκρασία 4.. Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: 3Fe(s) + 4H O(g) Fe 3 O 4 (s) + 4H (g), ΔΗ < 0 Ποια από τις παρακάτω μεταβολές έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας του Η που περιέχεται στο δοχείο; A) Η αύξηση της πίεσης Β) Η αύξηση της θερμοκρασίας Γ) Η εισαγωγή υδρατμών Δ) Η προσθήκη καταλύτη 4.3. Σε δοχείο μεταβλητού όγκου έχει αποκατασταθεί η ι- σορροπία, Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g), ΔΗ < 0. Η αύξηση της ποσότητας της παραγόμενης ποσότητας ΝΗ 3, μπορεί να γίνει: A) με αύξηση της θερμοκρασίας Β) είτε με αύξηση της θερμοκρασίας είτε με μείωση της πίεσης Γ) με αύξηση της πίεσης, υπό σταθερή θερμοκρασία Δ) με αύξηση του όγκου του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία 4.4. Σε ένα δοχείο σταθερού όγκου έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: 3Fe(s) + 4H O(g) Fe 3 O 4 (s) + 4H (g), ΔΗ < 0 Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία: i. Ο συνολικός αριθμός των mol των αερίων: A) θα αυξηθεί Β) δεν θα μεταβληθεί Γ) θα μειωθεί Δ) εξαρτάται από την απόδοση της αντίδρασης ii. Η ολική πίεση των αερίων: A) θα αυξηθεί Β) θα μειωθεί Γ) δεν θα μεταβληθεί Δ) δε μπορούμε να γνωρίζουμε αν και πως θα μεταβληθεί 4.5. Σε δοχείο σταθερού όγκου έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: 4HCl(g) + O (g) H O(g) + Cl (g), ΔΗ < 0. Προσθέτουμε ποσότητα Cl μειώνοντας παράλληλα τη θερμοκρασία του συστήματος. Τι θα συμβεί στη συγκέντρωση του HCl; A) Θα αυξηθεί Β) Θα μειωθεί Γ) Δε θα μεταβληθεί Δ) Δε μπορούμε να ξέρουμε 4.6. Σε ποια από τις ισορροπίες που ακολουθούν η μείωση του όγκου του δοχείου υπό σταθερή θερμοκρασία αυξάνει την απόδοση της αντίδρασης; A) C(s) + H O(g) CO(g) + H (g) Β) H (g) + I (g) HI(g) Γ) 4NH 3 (g) + 5O (g) 4NO(g) + 6H O(g) Δ) 3O (g) O 3 (g) 4.7. Έστω η ισορροπία: 4NH 3 (g) + 3O (g) N (g) + 6H O(g), ΔH = 168 kj Ποια μεταβολή θα προκαλέσει μετατόπιση της ισορροπίας προς τα δεξιά; A) Αύξηση της θερμοκρασίας. Β) Μείωση του όγκου του δοχείου της αντίδρασης υπό σταθερή θερμοκρασία Γ) Προσθήκη καταλύτη Δ) Απομάκρυνση ποσότητας του H O(g) (π.χ. με προσθήκη ΚΟΗ(s) που έχει την ικανότητα να το απορροφά) 4.8. Σε δοχείο σταθερού όγκου έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: SO (g) + O (g) SO 3 (g), ΔH = 7,8 kcal. Ποια από τις ακόλουθες μεταβολές θα προξενήσει αύξηση της [SO ]; A) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας Ο Β) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας SO 3 Γ) Απομάκρυνση με κατάλληλο τρόπο ποσότητας SO 3 Δ) Μείωση της θερμοκρασίας 4.9. Ποια από τις μεταβολές που ακολουθούν θα έχει ως α- ποτέλεσμα τη μείωση της απόδοσης της αντίδρασης; N (g) + 3H (g) NH 3 (g), ΔΗ = 9 kj A) Αύξηση του όγκου του δοχείου (θ = σταθ.) Β) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας N Γ) Απομάκρυνση της NH 3 από το σύστημα της ισορροπίας Δ) Μείωση της θερμοκρασίας Θεωρήστε τη χημική ισορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: BaCO 3 (s) BaO(s) + CO (g), ΔΗ > 0. Ποια από τις μεταβολές που ακολουθούν οδηγεί στην αύξηση της παραγωγής BaO(s); A) Μείωση της θερμοκρασίας Β) Μείωση της πίεσης Γ) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας CO (g) Δ) Καμία από τις παραπάνω, καθώς όλες θα οδηγήσουν την ισορροπία προς τα αριστερά Ποια από τις μεταβολές που ακολουθούν αυξάνει την απόδοση της αντίδρασης: SO (g) + NO (g) SO 3 (g) + NO(g), ΔH = 4 kj A) Μείωση της θερμοκρασίας Β) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας SO 3 Γ) Αύξηση του όγκου του δοχείου της αντίδρασης υπό σταθερή θερμοκρασία Δ) Μείωση του όγκου του δοχείου της αντίδρασης υπό σταθερή θερμοκρασία 71

82 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Το πρώτο βήμα της βιομηχανικής παρασκευής του ΗΝΟ 3 περιλαμβάνει την εξώθερμη αντίδραση της ΝΗ 3 με το Ο, στους 900 o C, παρουσία καταλύτη: 4NH 3 (g) + 5O (g) 4NO(g) + 6H O(g) Ποια από τις ακόλουθες ενέργειες οδηγεί σε αύξηση της α- πόδοσης παραγωγής του ΝΟ; A) Αύξηση της πίεσης Β) Χρήση περίσσειας Ο Γ) Αύξηση της θερμοκρασίας Δ) Προσθήκη ποσότητας Ν στο μίγμα ισορροπίας, υπό σταθερό όγκο και θερμοκρασία Η ένωση Ni(CO) 4 (g) σχηματίζεται με βάση την αντίδραση που ακολουθεί και χρησιμοποιείται στην παραγωγή καθαρού Ni (μέθοδος Mond): Ni(s) + 4CO(g) Ni(CO) 4 (g), ΔΗ < 0 Αν το σύστημα αυτό βρίσκεται σε ισορροπία στους 00 C, ποια από τις ακόλουθες μεταβολές δεν θα το επηρεάσει; A) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας Ni(s) Β) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας Ni(CO) 4 (g) Γ) Αύξηση της θερμοκρασίας στους 50 C Δ) Μείωση του όγκου του δοχείου Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: COF (g) CO (g) + CF 4 (g), ΔH = 10 kj Ποια μεταβολή θα μπορούσε να έχει ως αποτέλεσμα, στη νέα χημική ισορροπία, μείωση της ποσότητας του COF με ταυτόχρονη αύξηση των ποσοτήτων του CO και του CF 4 ; A) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας CO Β) Μείωση της θερμοκρασίας υπό σταθερό όγκο Γ) Μείωση της πίεσης Δ) Αύξηση της πίεσης Σε δοχείο σταθερού όγκου που περιέχει άνθρακα, εισάγεται CO και το σύστημα θερμαίνεται στους θ 1ο C, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: C(s) + CO (g) CO(g), ΔΗ > 0 i. Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία του συστήματος, η απόδοση της παραγωγής του CO: A) θα ελαττωθεί Β) θα αυξηθεί Γ) δε θα μεταβληθεί ii. Αν αυξήσουμε την πίεση με μείωση του όγκου, η απόδοση παραγωγής του CO: A) θα ελαττωθεί Β) θα αυξηθεί Γ) δε θα μεταβληθεί Έστω η ισορροπία: CH 4 (g) + 4Cl (g) CCl 4 (l) + 4HCl(g), ΔH = 398 kj Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν σχετικά με την ι- σορροπία αυτή είναι λανθασμένη; A) Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά Β) Αν μειώσουμε την πίεση η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα δεξιά Γ) Αν απομακρύνουμε ποσότητα CCl 4 (l) από το σύστημα της ισορροπίας, η ισορροπία δεν θα μεταβληθεί Δ) Αν προσθέσουμε κάποια ποσότητα HCl(g) η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά Ποιες ταυτόχρονες μεταβολές θα αυξήσουν την απόδοση σχηματισμού της αμμωνίας, σύμφωνα με τη χημική ε- ξίσωση: N (g) + 3H (g) NH 3 (g), ΔH < 0 A) Μείωση της θερμοκρασίας και μείωση της πίεσης Β) Μείωση της θερμοκρασίας και αύξηση της πίεσης Γ) Αύξηση της θερμοκρασίας και μείωση της πίεσης Δ) Αύξηση της θερμοκρασίας και αύξηση της πίεσης Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η X.I: NO (g) N O 4 (g) Αν το μίγμα της ισορροπίας παρουσιάζει σκοτεινότερο χρώμα σε υψηλές θερμοκρασίες και σε χαμηλές πιέσεις, ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή; A) Η αντίδραση είναι εξώθερμη προς τα δεξιά και το NO έχει σκοτεινότερο χρώμα από το N O 4 Β) Η αντίδραση είναι εξώθερμη προς τα δεξιά και το N O 4 έχει σκοτεινότερο χρώμα από το NO Γ) Η αντίδραση είναι ενδόθερμη προς τα δεξιά και το NO έχει σκοτεινότερο χρώμα από το N O 4 Δ) Η αντίδραση είναι ενδόθερμη προς τα δεξιά και το N O 4 έχει σκοτεινότερο χρώμα από το NO Θεωρούμε την ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g), που βρίσκεται στο δοχείο του σχήματος υπό σταθερή θερμοκρασία. Αν με τη σύριγγα εισάγουμε στο δοχείο ποσότητα νερού (η ΝΗ 3 (g) είναι πολύ διαλυτή στο νερό) με σταθερή τη θέση του εμβόλου: A) θα αυξηθεί η ποσότητα του Η (g) και του N (g) Β) η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς την πλευρά του σχηματισμού της αμμωνίας Γ) η ισορροπία δεν επηρεάζεται Δ) η ισορροπία θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά 7

83 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER 4.0. Σε δοχείο περιέχεται σε ισορροπία μίγμα Ν, Η και ΝΗ 3 στους θ ο C, σύμφωνα με την εξίσωση: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g), Το μίγμα των 3 αερίων ασκεί πίεση 50 atm. Αν διπλασιάσουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή τη θερμοκρασία, η τελική πίεση στο δοχείο μπορεί να έχει την τιμή: A) 50 atm Β) 100 atm Γ) 5 atm Δ) 40 atm 4.1. Σε δοχείο μεταβλητού όγκου έχει αποκατασταθεί, σε θερμοκρασία Τ, η ισορροπία: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g). Η συγκέντρωση του PCl 5 (g) στο δοχείο είναι ίση με 0,4 Μ. Διπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία. Στη νέα χημική ισορροπία που θα αποκατασταθεί, η συγκέντρωση του PCl 5 (g) μπορεί να είναι ίση με: Α) 0,18 M Β) 0,4 M Γ) 0,4 M Δ) 0,6 Μ 4.. Να αιτιολογήσετε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές ή όχι. α) Αν σε ένα δοχείο μεταβλητού όγκου, όπου έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: N (g) + O (g) NO(g), ΔΗ > 0, διπλασιάσουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία, η ολική πίεση δε μεταβάλλεται ενώ η ποσότητα του ΝΟ αυξάνεται. β) Αν διπλασιάσουμε τον όγκο ενός δοχείου, στο οποίο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: CO(g) + H O(g) CO (g) + H (g), τότε η [CO ] υποδιπλασιάζεται. γ) Αν ο βαθμός διάσπασης του φωσγενίου, COCl (g) προς CΟ(g) και Cl (g) αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, υπό σταθερό όγκο, τότε η αντίδραση διάσπασης του COCl είναι εξώθερμη. δ) Προσθήκη καταλύτη αυξάνει την απόδοση της εξώθερμης αντίδρασης. ε) Αν σε δοχείο όγκου V όπου έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: COCl (g) CO(g) + Cl (g), αυξήσουμε τον όγκο σε V, η ολική πίεση των αερίων υποδιπλασιάζεται. ζ) Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία της αντίδρασης που περιγράφεται από την εξίσωση: Ν (g) + O (g) NO(g), ΔΗ = 180,8 kj η απόδοση της αντίδρασης θα αυξηθεί Σε δοχείο σταθερού όγκου περιέχονται σε ισορροπία κόκκοι στερεού C και αέριο μίγμα που αποτελείται από υ- δρατμούς, CO και n o mol H στους θ ο C, σύμφωνα με την εξίσωση: C(s) + H O(g) CO(g) + H (g), ΔΗ > 0 Επιφέρουμε στο μίγμα ισορροπίας κάθε μία από τις παρακάτω μεταβολές, οπότε οι ποσότητα των mol του Η στις νέες ισορροπίες που θα αποκατασταθούν γίνονται, αντίστοιχα, ποσότητες n 1, n, n 3, n 4 και n 5. α) Προσθέτουμε 0, mol CO, Τ = σταθ. β) Προσθέτουμε 0,6 mol Η Ο, Τ = σταθ. γ) Προσθέτουμε 0,5 mol CO, Τ = σταθ. δ) Προσθέτουμε 0,6 mol Η Ο και αυξάνουμε τη Τ ε) Προσθέτουμε 0,5 mol CO και ελαττώνουμε τη Τ Να διατάξετε τις ποσότητες n o, n 1, n, n 3, n 4 και n 5 κατ αύξουσα σειρά Σε κλειστό δοχείο πραγματοποιείται η αμφίδρομη α- ντίδραση που αποδίδεται από την εξίσωση: λα(g) + B(s) Γ(g), ΔΗ > 0. Παρατηρήθηκε ότι από την έναρξη της αντίδρασης μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας απορροφήθηκε ποσό θερμότητας q. α) Η ισορροπία αυτή είναι ομογενής ή ετερογενής; Ποια καμπύλη του διαγράμματος που ακολουθεί αντιστοιχεί σε ποιο σώμα; Ποια η τιμή του συντελεστή λ για το σώμα Α; 0,6 0,4 c (Μ) 0, ΙΙ Ι t β) Πως θα μεταβληθεί η θέση της ισορροπίας με: i. Αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος, υπό σταθερό όγκο. ii. Μείωση του όγκου του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία. γ) Με βάση τις καμπύλες αντίδρασης, να υπολογίσετε τις τιμές του λόγου Q = [Γ] /[Α] λ για t = 0, για t = t 1 και για t = t Σε δοχείο όγκου V και στους θ ο C έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: NO (g) N O 4 (g), ΔΗ < 0 Τη χρονική στιγμή t 1 μεταβάλλεται ένας από τους συντελεστές της χημικής ισορροπίας, οπότε από τη χρονική στιγμή t και μετά αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία. Οι μεταβολές των συγκεντρώσεων των δύο αερίων εμφανίζονται στο διάγραμμα που ακολουθεί. c t 1 t 1 α) Να εξηγήσετε, ποιον από τους συντελεστές της χημικής ισορροπίας μεταβάλλαμε και με ποιο τρόπο. β) Να εξετάσετε το είδος της μεταβολής (αύξηση, μείωση ή καμία μεταβολή) του λόγου [Ν Ο 4 ]/[ΝΟ ] στα διάφορα χρονικά διαστήματα από t 0 μέχρι t t 3. t t t t 3 73

84 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: A(g) + B(g) Γ(g), ΔΗ > 0. Τη χρονική στιγμή t 1 μεταβάλλουμε έναν από τους τους παράγοντες της ισορροπίας, οπότε από τη χρονική στιγμή t και μετά αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία. Οι μεταβολές των συγκεντρώσεων των 3 σωμάτων της ισορροπίας εμφανίζονται μαζί στο διάγραμμα που ακολουθεί. α) Να εξηγήσετε το είδος της μεταβολής που έγινε τη χρονική στιγμή t 1 και να αντιστοιχήσετε τις καμπύλες συγκεντρώσεων 1, και 3 με τα σώματα Α(g), B(g) και Γ(g). β) Πως θα μεταβαλλόταν η θέση της χημικής ισορροπίας: i. Mε αύξηση της θερμοκρασίας, υπό σταθερό όγκο. ii. Mε αύξηση του όγκου υπό σταθερή θερμοκρασία. c 3 1 t 1 t t Χημεία και τέρατα: «Το πείραμα της γάτας!» Μπορούμε να φανταστούμε τις αντιστρεπτές αντιδράσεις με το εξής «περίεργο» ανάλογο. Φανταστείτε ένα ζευγάρι ίδιων ενυδρείων που επικοινωνούν μεταξύ τους με έναν γυάλινο σωλήνα που κλείνει με διάφραγμα. Το ένα δοχείο, αρχικά- δεν έχει κανένα ψάρι, ενώ το άλλο έχει 10 όμοια ψάρια (αντιδρώντα). Προβλέψτε τι θα συμβεί αν αποσύρουμε το διάφραγμα. Χμμ! Συμφωνώ! Τα 10 ψάρια θα κατανεμηθούν στα δύο ενυδρεία και τελικά στην «ισορροπία» κάθε ενυδρείο θα περιέχει κατά μέσο όρο από 5 ψάρια, αν και συνεχώς ψάρια θα περνούν από το διάφραγμα. Ο λόγος του αριθμού των ψαριών προς το όγκο του δοχείου στο αριστερό και στο δεξιό ενυδρείο θα είναι ίσος με 1. Η τιμή της «σταθεράς ισορροπίας» θα είναι, λοιπόν, ίση με 1, καθώς καμία πλευρά δεν ευνοείται. Ας υποθέσουμε, τώρα, ότι το αριστερό δοχείο δεν είναι και τόσο ελκυστικό και ότι κατά μέσο όρο 9 ψάρια «προτιμούν» να βρίσκονται στη δεξιά πλευρά και μόνο 1 στην αριστερή. Ο λόγος, τώρα, του αριθμού των ψαριών προς το όγκο του δοχείου στο αριστερό ενυδρείο (αντιδρώντα) και στο δεξιό ενυδρείο (προϊόντα) θα είναι ίσος με 1/9. Τα προϊόντα κυριαρχούν. Οι αντιστρεπτές αντιδράσεις ακολουθούν ανάλογη συμπεριφορά. Στην ισορροπία ο αριθμός των mol των αντιδρώντων και των προϊόντων μένει σταθερός, αν και συνεχώς αντιδρώντα μετασχηματίζονται σε προϊόντα και το αντίστροφο. Αν αλλάξουμε κάποιον από τους παράγοντες της ισορροπίας θα εκδηλωθεί αντίδραση είτε προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά μέχρι να αποκατασταθεί νέα χημική ισορροπία. 74

85 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHÂTELIER ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 4 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-5, να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. 1. Σε ποιες συνθήκες ευνοείται περισσότερο η διάσπαση του CaCO 3 (s), σύμφωνα με την εξίσωση που ακολουθεί; CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g), ΔΗ = 178 kj Α) Σε θ = 1000 o C και σε P = 1 atm Β) Σε θ = 100 o C και σε P = 10 atm Γ) Σε θ = 5 o C και σε P = 10 atm Δ) Σε θ = 5 o C και σε P = 1 atm. Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου έχει αποκατασταθεί η ισορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: C(s) + H O(g) CO(g) + H (g) Στην κατάσταση της ισορροπίας προστίθεται ποσότητα C(s), χωρίς μεταβολή της θερμοκρασίας. Η προσθήκη αυτή επιφέρει: Α) αύξηση της συγκέντρωσης του CΟ Β) μείωση της συγκέντρωσης του CΟ Γ) αύξηση της συγκέντρωσης του Η Δ) καμία μεταβολή 3. Σε δοχείο σταθερού όγκου συνυπάρχουν σε ισορροπία x mol HΙ(g) καθώς και ποσότητες H (g) και Ι (g), σύμφωνα με την εξίσωση: H (g) + Ι (g) HΙ(g) Αν στο δοχείο αυτό προσθέσουμε επιπλέον y mol HΙ(g), υπό σταθερή θερμοκρασία, τότε ο αριθμός των mol του HΙ(g) που θα περιέχεται τελικά στο δοχείο, θα είναι: Α) ίσος με x + y Β) ίσος με x Γ) μικρότερος από x Δ) μικρότερος από x + y αλλά μεγαλύτερος από x 4. Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: 4HBr(g) + O (g) H O(g) + Br (g), ΔΗ = 76 kj Ποια από τις ενέργειες που ακολουθούν θα έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας των υδρατμών; Α) Η προσθήκη καταλύτη Β) Η μεταφορά του μίγματος της ισορροπίας σε δοχείο μεγαλύτερου όγκου, υπό σταθερή θερμοκρασία Γ) Η μείωση της εξωτερικής πίεσης, υπό σταθερή θερμοκρασία Δ) Η απομάκρυνση ποσότητας Βr από το δοχείο της ισορροπίας Ε) Η αύξηση της θερμοκρασίας, υπό σταθερή πίεση 5. Σε κενό δοχείο όγκου V, σε θερμοκρασία Τ, περιέχονται σε ισορροπία x mol Ν, y mol Ο και ω mol ΝΟ, σύμφωνα με την εξίσωση: Ν (g) + Ο (g) ΝΟ(g). Αν αφαιρέσουμε κάποια ποσότητα ΝΟ από το δοχείο, μετά την αποκατάσταση της νέας ισορροπίας, στο δοχείο θα περιέχονται α mol Ν, β mol Ο και γ mol ΝΟ. Μεταξύ των αριθμών x, y, ω και α, β, γ θα ισχύουν οι σχέσεις: Α) α x, β y, γ ω Β) α x, β y, γ ω Γ) α x, β y, γ ω Δ) α x, β y, γ ω E) α x, β y, γ > ω 6. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως Σωστές (Σ) ή Λανθασμένες (Λ). Να αιτιολογήσετε τις επιλογές σας. α) Σε δοχείο που έχει αποκατασταθεί η ισορροπία, H (g) + Ι (g) HΙ(g), η ελάττωση του όγκου του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία, αυξάνει τις συγκεντρώσεις όλων των σωμάτων που συμμετέχουν σε αυτή. β) Αν σε δοχείο όγκου V στο οποίο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία, H (g) + Ι (g) HΙ(g), αυξήσουμε τον όγκο σε V, υπό σταθερή θερμοκρασία, η ολική πίεση των αερίων υποδιπλασιάζεται. 7. Σε κλειστό δοχείο έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: Α(g) + Β(s) Γ(g), ΔΗ < 0. Να εξηγήσετε πως θα μεταβληθεί η ποσότητα του Γ στο δοχείο στις νέες χημικές ισορροπίας που θα αποκατασταθούν, μετά τις παρακάτω μεταβολές. α) Αύξηση της θερμοκρασίας, χωρίς μεταβολή όγκου. β) Αφαίρεση ποσότητας του Γ, υπό σταθερή θερμοκρασία και χωρίς μεταβολή όγκου. γ) Αύξηση του όγκου του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία. δ) Προσθήκη He(g), υπό σταθερό όγκο και θερμοκρασία. ε) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας Β(s), υπό σταθερή θερμοκρασία και χωρίς μεταβολή όγκου. 75

86 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 8. Σε υδατικό διάλυμα έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Cu(H O) + 6 (aq) + 4Cl (aq) CuCl 4 (aq) + 6H O(l) (μπλε) (κίτρινο) α) Να εξηγήσετε γιατί το κίτρινο χρώμα του διαλύματος ενισχύεται με την προσθήκη NaCl(s). β) Με θέρμανση του διαλύματος της παραπάνω ισορροπίας το χρώμα του διαλύματος μετατρέπεται σε μπλε. Να εξηγήσετε αν η αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη. 9. Σε κλειστό δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: CO(g) + Cl (g) COCl (g), ΔΗ = 110 kj Στο διάγραμμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η μεταβολή της συγκέντρωσης των σωμάτων που μετέχουν στην ισορροπία σε συνάρτηση με το χρόνο. c(m) Οι παράγοντες της ισορροπίας που μεταβάλλονται τις χρονικές στιγμές t 1, t και t 3 αντίστοιχα, είναι: Α) t 1 : ελάττωση θερμοκρασίας, t : προσθήκη αερίου CO στο δοχείο, t 3 : ελάττωση όγκου δοχείου Β) t 1 : αύξηση θερμοκρασίας, t : απομάκρυνση αερίου CO στο δοχείο, t 3 : αύξηση όγκου δοχείου Γ) t 1 : προσθήκη αερίου COCl, t : προσθήκη αερίου CO από το δοχείο, t 3 : αύξηση όγκου δοχείου Δ) t 1 : αύξηση θερμοκρασίας, t : προσθήκη αερίου CO στο δοχείο, t 3 : αύξηση όγκου δοχείου Να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. [Π.Μ.Δ.Χ. 016] 76 t 1 t t 3 t(min)

87 5 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ Δύο Νορβηγοί χημικοί, ο Cato Maximilian Gulberg και ο Peter Waage διεξήγαγαν πολλά πειράματα σε πολλές χημικές ισορροπίες στα μέσα του 19ου αιώνα. Μέχρι το 1864, είχαν προτείνει τη μαθηματική έκφραση της συνθήκης της χημικής ισορροπίας που τον ανέφεραν ως νόμος δράσης των μαζών. Αναλύοντας τα αποτελέσματα των πειραμάτων τους παρατήρησαν ότι στην κατάσταση χημικής ισορροπίας, ο λόγος των συγκεντρώσεων είναι σταθερός, ανεξάρτητα από το συνδυασμό των αρχικών συγκεντρώσεων. Ο Cato Maximilian Gulberg ( ) και ο Peter Waage ( ) είχαν μεγάλο ενδιαφέρον για τη χημεία. Αλλά είχαν και ένα άλλο κοινό σημείο: Ήταν κουνιάδοι! 5.1 Νόμος χημικής ισορροπίας Έστω ότι σε μία σειρά δοχείων που βρίσκονται υπό σταθερή θερμοκρασία θ ο C εισάγουμε διαφορετικές ποσότητες H και Ι και σε όλα τα δοχεία αποκαθίσταται η ισορροπία: Η (g) + I (g) HI(g) Παρατηρούμε ότι οι ποσότητες αντιδρώντων και προϊόντων που συνυπάρχουν σε κάθε δοχείο στη χημική ισορροπία είναι, γενικά, διαφορετικές και εξαρτώνται τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων που είχαμε βάλει στο κάθε δοχείο. Αν όμως υπολογίσουμε [ΗΙ] το λόγο σε καθένα από τα δοχεία στη χημική ισορροπία θα δούμε ότι έχει την [Η ] [Ι ] ίδια τιμή σε όλα τα δοχεία, στην ίδια θερμοκρασία. Έτσι, η τιμή του παραπάνω λόγου αναφέρεται ως σταθερά χημική ισορροπίας και συμβολίζεται ως K c. Δηλαδή: [ΗΙ] Kc = [Η ] [Ι ] H σταθερά Κ c για μία συγκεκριμένη ισορροπία εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία, και είναι ανεξάρτητη από τις αρχικές συγκεντρώσεις των αντιδρώντων. Γενικά σε κάθε αντίδραση της μορφής: αα(g) + ββ(g) γγ(g) + δδ(g), στην κατάσταση της χημικής ισορροπίας, ισχύει η σχέση: Κ c γ δ [ Γ] [ Δ] [ Α] α [ Β] β =. Η σχέση αυτή που συνδέει τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων σε ένα σύστημα χημικής ισορροπίας, αποτελεί το νόμο της χημικής ισορροπίας. Η τιμή της σταθεράς χημικής ισορροπίας Κ c μιας ισορροπίας σε μία ορισμένη θερμοκρασία αποτελεί μέτρο της απόδοσης της αντίδρασης, καθώς όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της Κ c τόσο η απόδοση της αντίδρασης είναι μεγαλύτερη. Ας δούμε μερικά παραδείγματα. 77

88 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 α) O 3 (g) 3O (g), Κ c = Στην ισορροπία αυτή η πολύ μεγάλη τιμή της K c δείχνει ότι η αντίδραση είναι πρακτικά πλήρως μετατοπισμένη προς τα δεξιά (πρακτικά μονόδρομη, α 1). β) HF H + F, Κ c = H πολύ μικρή τιμή της Κ c δείχνει ότι η αντίδραση ελάχιστα εξελίσσεται προς τα δεξιά, με άλλα λόγια α 0. γ) N + 3H NH 3, Κ c = 10. Στην ισορροπία, η K c έχει μία «μέση» τιμή και αυτή συνυπάρχουν σημαντικές ποσότητες και από τα τρία σώματα που απαρτίζουν τη χημική ισορροπία. Η απόδοση παίρνει τιμές μεταξύ 0 και 1, δηλαδή: 0 < α < Παραδείγματα του νόμου Χ.Ι. Μονάδες της Κ c Ας δούμε μερικά παραδείγματα εκφράσεων του νόμου χημικής ισορροπίας στα οποίες όλα τα σώματα, αντιδρώντα και προϊόντα, είναι αέρια: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g), Κ c [NΗ 3 ] = (1) 3 [N ] [Η ] [CΗ3OH] CO(g) + H (g) CH 3 OH(g), Κc = () [CO] [Η ] SO (g) + NO (g) SO 3 (g) + NO(g), Κ c [SO3] [NO] = (3) [SO ] [NO ] SO (g) + O (g) SO 3 (g), Κ c [SO3] = (4) [SO ] [O ] Παρατηρείστε την εξίσωση (3). Η K c είναι καθαρός αριθμός, δεν έχει μονάδες, καθώς οι μονάδες συγκέντρωσης στον αριθμητή και παρανομαστή απλοποιούνται. Αυτό, όμως, δεν είναι γενικό συμπέρασμα. Από την εξίσωση () για παράδειγμα, προκύπτει ότι η Κ c έχει μονάδα το Μ (L mol 1 ). Τέλος, από την εξίσωση (1) προκύπτει ότι η μονάδα της K c της ισορροπίας αυτής είναι Μ (L mol ). Γενικά, λοιπόν, οι μονάδες της Κ c είναι μεταβλητές και εξαρτώνται από την κάθε χημική ισορροπία. Στις περιπτώσεις ισορροπιών που συμμετέχουν στερεά και αέρια, η συγκέντρωση του στερεού παραλείπεται από την έκφραση της Κ c, καθώς αυτή είναι ανεξάρτητη από την ποσότητά του. Έτσι, π.χ.: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g), Κ c = [CO ] [ΗΟ] Fe 3 O 4 (s) + 4H (g) 3Fe(s) + 4 H O(g), Κ c = 4 [Η ] Ανάλογο φαινόμενο παρατηρείται και σε περιπτώσεις στις οποίες συμμετέχουν υγρά και αέρια: PCl 5 (l) PCl 3 (l) + Cl (g), K c = [Cl ] HgO(s) Hg(l) + O (g), K c = [O ] 4 Η ερώτηση της ημέρας: Ποια η μονάδα της Κc στην εξίσωση (4); Για λόγους που εκφεύγουν από τα πλαίσια του βιβλίου, στη θερμοδυναμική η σταθερά Κc δεν έχει μονάδες. Πάντως, παρά τη θεωρητική αναφορά στις μονάδες, στα προβλήματα θα χρησιμοποιούμε μόνο την αριθμητική τιμή της Κc. Οι συγκεντρώσεις των στερεών ΔΕΝ αλλάζουν κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης, καθώς οι πυκνότητές τους είναι καθορισμένες. Για το λόγο αυτό δεν επηρεάζουν τη θέση της ισορροπίας! 78

89 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Σε περιπτώσεις αντιδράσεων που διεξάγονται σε υδατική φάση, π.χ. οι ιοντισμοί των οξέων, η συγκέντρωση του νερού θεωρείται σταθερή και ενσωματώνεται στην τιμή της σταθεράς K c, δημιουργώντας μία νέα σταθερά, π.χ.: Με τέτοιες «ιοντικές» ισορροπίες θα ασχοληθούμε στο επόμενο κεφάλαιο. CH 3 COOH(aq) + H O(l) K c + [CH3COO ] [H3O ] =, [CH COOH] [H O] όπου K a = K c [H O]. 3 CH 3 COO (aq) + H 3 O + (aq) + [CH3COO ] [H3O ] Ka = [CH COOH] 3 Μία χημική εξίσωση ισορροπίας μπορεί να γραφεί με διάφορους τρόπους. Η τιμή της Κ c εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο γράφεται η εξίσωση αυτή. Ας δούμε την ε- φαρμογή που ακολουθεί. Εφαρμογή 1 Αν η σταθερά K c της ισορροπίας: SO (g) + O (g) τιμή της σταθεράς Κ c για τις παρακάτω ισορροπίες: SO 3 (g) έχει τιμή ίση με 4, ποια η α) SO 3 (g) SO (g) + O (g) β) SO (g) + 1 O (g) SO 3 (g) Αν υποδιπλασιάσουμε τους συντελεστές στην αναγραφή της εξίσωσης μιας χημικής ισορροπίας η τιμή της Κc θα είναι η τετραγωνική ρίζα της παλιάς! Επίσης, αν διπλασιάσουμε τους συντελεστές στην αναγραφή της εξίσωσης μιας χημικής ισορροπίας η τιμή της Κc θα γίνει το τετράγωνο της προηγούμενης! [SO3] SO (g) + O (g) SO 3 (g), Κc = = 4 (1) [SO ] [O ] [SO ] [Ο ] SO 3 (g) SO (g) + O (g), Κc = () [SO ] 1 Συγκρίνοντας τις Κ c και Κ c, προκύπτει: Κ = K 1 SO (g) + O (g) SO 3 (g), Κ '' c 3 c = c 1 4 = [SO ] (3) [SO ] [O 3 1 ] '' Συγκρίνοντας τις εξισώσεις (1) και (3), προκύπτει: Κ = Κ c c = 5.3 Μεθοδολογία: Υπολογισμοί με βάση τη σταθερά Κ c Με βάση την τιμή της Κ c και τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων στο δοχείο της αντίδρασης, σε κάποια συγκεκριμένη θερμοκρασία, μπορούμε να υπολογίσουμε τις ποσότητες των αντιδρώντων και των προϊόντων στη χημική ισορροπία. Ας δούμε μία εφαρμογή. 79

90 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Εφαρμογή Σε δοχείο όγκου L εισάγουμε mol H (g) και mol I (g). Θερμαίνουμε το σύστημα στους θ ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία: 80 Η (g) + I (g) HI(g), K c (θ ο C) = 64 Να υπολογιστούν οι ποσότητες όλων των σωμάτων στην ισορροπία. mol H (g) + I (g) ΗΙ(g) Αρχικά Μεταβολές x x x Χ.Ι. x x x x ( ) [ΗΙ] Κc = = 64 [Η ] [Ι ], = 64 x, x x _ ( _ ) = 8, _ = ± 8 x x ( ) x Οι ποσότητες των ουσιών είναι πάντα θετικές και επομένως: = + 8, x = 1,6 mol. Στη _ x χημική ισορροπία, επομένως, θα συνυπάρχουν: x = 0,4 mol H, x = 0,4 mol I και x = 3, mol HI. 5.4 Μεθοδολογία: Μετατόπιση της θέσης της Χ.Ι. Αν έχουμε μία χημική ισορροπία και μεταβάλλουμε έναν από τους παράγοντες που την καθορίζουν, θα εκδηλωθεί αντίδραση είτε προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά. Ακολουθούμε συνήθως τα εξής βήματα: Αποφασίζουμε προς τα πού θα κινηθεί η ισορροπία, με βάση την αρχή Le Chatelier. Κατασκευάζουμε ένα νέο πίνακα από την αρχική προς τη νέα ισορροπία, σημειώνοντας τις ποσότητες των σωμάτων που αντιδρούν ή παράγονται. Εκτελούμε τους υπολογισμούς με βάση την σταθερά ισορροπίας (η τιμή της K c δε μεταβάλλεται, αν αλλάξει η πίεση ή κάποια συγκέντρωση). Ειδικά η μεταβολή της θερμοκρασίας επηρεάζει την τιμή της K c. Με βάση τις μεταβολές αυτές μπορούμε να καταλάβουμε αν η ισορροπία προς μία ορισμένη κατεύθυνση είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. Ας δούμε το παράδειγμα που ακολουθεί. Εφαρμογή 3 Έστω η ισορροπία, Ι (g) + Η (g) ΗΙ(g), για την οποία γνωρίζουμε τις τιμές της σταθεράς ισορροπίας στους 450 ο C και στους 600 ο C, ίσες με 9 και 64, αντίστοιχα. Να προβλέψετε αν η αντίδραση σχηματισμού του ΗΙ είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. Παρατηρούμε ότι με αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται η τιμή της Κ c. Με άλλα λόγια, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά. Σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, όμως, με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία μετατοπίζεται προς την ενδόθερμη κατεύθυνση. Άρα η αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη:

91 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Ι (g) + Η (g) ΗΙ(g), ΔΗ > 0 Γενικά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον πίνακα που ακολουθεί: Αν η θερμοκρασία και η Κ c Αν η θερμοκρασία και η Κ c Αν η θερμοκρασία και η Κ c Αν η θερμοκρασία και η Κ c H αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη, άρα προς τα αριστερά είναι εξώθερμη H αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη, άρα προς τα αριστερά είναι ενδόθερμη H αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη, άρα προς τα αριστερά είναι ενδόθερμη H αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη, άρα προς τα αριστερά είναι εξώθερμη 5.5 Προς ποια κατεύθυνση εξελίσσεται αντίδραση; Έστω η ισορροπία, Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g), για την οποία είναι γνωστή η τιμή της σταθεράς K c στους θ o C και ότι σε κενό δοχείο εισάγουμε ποσότητες των αντιδρώντων ή και των προϊόντων. 1. Έστω ότι στο δοχείο εισάγονται αρχικά α mol Η και α mol Ι στους θ ο C: Κ mol Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά α α Μεταβολές x x x Χ.Ι. α x α x x [ΗΙ] x = (οι όγκοι απλοποιούνται) c = ( ) [Η ] [Ι ] α x. Έστω τώρα ότι στο δοχείο αντίδρασης εισάγονται αρχικά μόνο γ mol ΗΙ. Προφανώς θα εξελιχθεί αντίδραση προς τα αριστερά: mol Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά γ Μεταβολές x x x Χ.Ι. x x γ x Στην κατάσταση της ισορροπίας θα ισχύει: Κ [ΗΙ] γ x c = = ( ) [Η ] [Ι ] x 3. Έστω τώρα ότι αρχικά εισάγονται στο δοχείο ταυτόχρονα α mol Η και γ mol ΗΙ. Προφανώς θα εξελιχθεί αντίδραση προς τα αριστερά (ώστε να παραχθεί και κάποια ποσότητα Ι, που αρχικά δεν υπήρχε). 81

92 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 mol Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά α γ Μεταβολές x x x Χ.Ι. α + x x γ x Στην περίπτωση αυτή θα ισχύει: Κ c [ΗΙ] (γ x) = = [Η ] [Ι ] x (α + x) Πηλίκο αντίδρασης (Q c ). Έστω τώρα ότι εισάγονται αρχικά στο δοχείο ποσότητες και των τριών αερίων: mol Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά α β γ Είναι το σύστημα σε χημική ισορροπία; Αν όχι, θα εξελιχθεί αντίδραση προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά; Πριν συνεχίσουμε λοιπόν τον πίνακα, ελέγχουμε την τιμή του λόγου Q c (πηλίκο αντίδρασης): [HI] Q c = [H ] [I ] Με βάση την υπολογιζόμενη τιμή του λόγου Q c, υπάρχουν οι εξής 3 περιπτώσεις: i. Αν Q c = K c το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας (δε θα εξελιχθεί αντίδραση προς καμία κατεύθυνση). ii. Αν Q c < K c τότε η αντίδραση πηγαίνει προς τα δεξιά, ώστε η τιμή του Q c να μεγαλώσει (μικραίνει ο παρανομαστής του κλάσματος και μεγαλώνει ο αριθμητής). Έτσι, το σύστημα προσεγγίζει τη θέση ισορροπίας, οπότε Q c = K c : mol Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά α β γ Μεταβολές x x +x Χ.Ι. α x β x γ + x Η έκφραση της Κ c ισχύει μόνο στην κατάσταση ισορροπίας! Προσοχή: Το πηλίκο αντίδρασης Qc δεν είναι το ίδιο με τη σταθερά Κc. Ισούται με την Κc μόνο αν έχουμε ισορροπία! Ξέρουμε ότι για να εφαρμοστεί η αρχή Le Châtelier θα πρέπει να έχω ήδη μία χημική ισορροπία και στη συνέχεια να «πειράξω» έναν από τους παράγοντες που την καθορίζουν (συγκέντρωση, πίεση, θερμοκρασία). iii. Αν Q c > K c, τότε η αντίδραση οδεύει προς τα αριστερά, ώστε το σύστημα να φτάσει σε ισορροπία. mol Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά α β γ Μεταβολές +x +x x Χ.Ι. α + x β + x γ x 5.6 Μεθοδολογία: Προβλήματα Χ.Ι. με βάση την Αρχή Le Châtelier Tα πιο δύσκολα προβλήματα της χημικής ισορροπίας σχετίζονται και με την αρχή Le Châtelier, δηλαδή με τη μεταβολή στην κατάσταση της χημικής ισορροπίας, αν αλλάξει ένας από τους παράγοντες που την καθορίζουν. 8

93 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Στην περίπτωση μεταβολή της συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος ή ενός προϊόντος, ο πίνακας περιλαμβάνει την αρχική Χ.Ι, την μεταβολή που έγινε, καθώς και τις ποσότητες όλων των σωμάτων που αντέδρασαν ή παράχθηκαν μέχρι τη νέα Χ.Ι. Για τη μεταβολή της πίεσης, ο πίνακας περιλαμβάνει τις αρχικές ποσότητες, τις ποσότητες των σωμάτων που αντέδρασαν ή παράχθηκαν (με βάση την αρχή Le Châtelier) και τις ποσότητες στη νέα Χ.Ι. Ανάλογη διαδικασία ακολουθούμε και για τις περιπτώσεις μεταβολής της θερμοκρασίας. Σε πολλές περιπτώσεις, η κατεύθυνση προς την οποία εκδηλώνεται αντίδραση προκύπτει με εφαρμογή της αρχής Le Châtelier, ενώ σε άλλες περιπτώσεις προκύπτει από τα δεδομένα του προβλήματος (δες τα γενικά προβλήματα χημικής ισορροπίας). ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΓΕΝΙΚΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Δίνεται η ισορροπία: A(g) B(g) + Γ(g). Σε δοχείο σταθερού όγκου V στους θ o C εισάγουμε ποσότητα της ένωσης Α, ώστε η αρχική συγκέντρωσή της να είναι c, οπότε σταδιακά αποκαθίσταται η παραπάνω ισορροπία. Αν α η απόδοση της αντίδρασης και Κ c η σταθερά ισορροπίας της στους θ ο C να αποδειχθεί η σχέση: α c Kc = 1 α ΑΠΑΝΤΗΣΗ Έστω n mol η αρχική ποσότητα της ένωσης Α. Κατασκευάζουμε τον πίνακα που ακολουθεί κατά τα γνωστά: mol Α(g) Β(g) + Γ(g) Αρχικά n Μεταβολές x x x Χ.Ι. n x x x Ισχύει: α = n x, οπότε, x = α n. x x V n V [B] [Γ] x α n α n α n Κ c = = = = = = [A] x (n x) V (n αn) V n(1 α) V (1 α) V V α c Επομένως: Κ c = 1 α. Σε δοχείο όγκου V = 1 L θερμαίνεται στους 70 o C αέριο μίγμα SO και O. Όταν αποκατασταθεί η χημική ισορροπία, SO (g) + O (g) SO 3 (g) στο δοχείο συνυπάρχουν 3 mol SO, 0,5 mol O και 1,5 mol SO 3. α) Ποια η τιμή της σταθεράς Κ c της ισορροπίας στους 70 o C; β) Ποιες οι ποσότητες του SO και του Ο στο αρχικό μίγμα; γ) Ποια η απόδοση της αντίδρασης; 83

94 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΛΥΣΗ α) β) Έστω α mol και β mol οι αρχικές ποσότητες του SO και του Ο. mol SO (g) + O (g) SO 3 (g) Αρχικά α β Μεταβολές x x x Χ.Ι. α x β x x Ισχύουν: α x = 3 mol (1), β x = 0,5 mol () και x = 1,5 mol (3), x = 0,75 mol, οπότε από την (): β = 1,5 mol. Τέλος, από την (1): α = 4,5 mol. γ) Η απόδοση της αντίδρασης μπορεί να υπολογιστεί με βάση το αντιδρών σε έλλειμμα (Ο ), ως εξής: x 0,75 α = = = 0,6 ή 60%. β 1,5 3. Για την ισορροπία: Βr (g) + Cl (g) BrCl(g), ισχύει K c = 9, σε θερμοκρασία Τ. α) Σε κενό δοχείο εισάγουμε 0,5 mol Br και 0,5 mol Cl σε θερμοκρασία Τ. Ποιος αριθμός mol ΒrCl θα έχει σχηματιστεί στην κατάσταση της ισορροπίας; β) Σε άλλο δοχείο εισάγονται mol ΒrCl στην ίδια θερμοκρασία Τ. Ποιες οι ποσότητες όλων των συστατικών της νέας ισορροπίας; ΛΥΣΗ [SO3] = [O ] [SO 1,5 1 = 0, ,5 = 4,5 Κc = ] 0,5 α) mol Βr (g) + Cl (g) BrCl(g) Αρχικά 0,5 0,5 Μεταβολές x x x Χ.Ι. 0,5 x 0,5 x x Από την έκφραση της σταθεράς ισορροπίας, έχουμε: Κ x x x =, ( ) = 9, = ± 3 ( ) 0,5 x 0,5 x V ( ) [ΒrCl] x c = V = ( ) [Br 0,5 x ] [Cl ] 0,5 x Κρατώντας μόνο τη λύση με το +3, προκύπτει: x = 1,5 3x, 5x = 1,5, x = 0,3 mol. Έτσι, η ποσότητα του BrCl στην ισορροπία θα είναι: x = 0,6 mol. 84

95 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Παρατηρήστε ότι στο β ερώτημα η αντίδραση γίνεται με φορά προς τα αριστερά, χωρίς όμως να αλλάξει μαθηματική έκφραση η σταθερά Κc που ισούται πάντα με 9, όταν α- ριθμητής είναι η [BrCl]! β) mol Βr (g) + Cl (g) BrCl(g) Αρχικά Μεταβολές y y y Χ.Ι. y y y [ΒrCl] y Κc = = 9, = ± 3, y = 3y, 5y =, y = 0,4 mol. [Br ] [Cl ] y Επομένως, στη χημική ισορροπία θα συνυπάρχουν: 0,4 mol Br, 0,4 mol Cl και y = 1, mol BrCl. 4. Σε δοχείο όγκου V = L περιέχονται σε ισορροπία 4 mol SO 3, 4 mol SO και 0,5 mol O στους 7 C σύμφωνα με την εξίσωση: SO 3 (g) SO (g) + O (g) Θερμαίνουμε το μίγμα της παραπάνω ισορροπίας στους 47 C, οπότε μετά την α- ποκατάσταση νέας ισορροπίας στο δοχείο περιέχονται 9 mol αερίων, συνολικά. α) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς K c στους 7 C. β) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς K c στους 47 C. γ) Να εξηγήσετε αν η αντίδραση, SO 3 (g) SO (g) + O (g), είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη. ΛΥΣΗ α) mol SO 3 (g) SO (g) + Ο (g) Αρχική Χ.Ι. (7 C) 4 4 0,5 Aν η αντίδραση οδεύσει προς τα δεξιά, για κάθε mol SO3 που διασπώνται, παράγονται mol SO και 1 mol Ο (συνολικά 3mol). Επομένως, με τη μετατόπιση της ισορροπίας προς τα δεξιά, ο συνολικός αριθμός mol αυξάνεται. Στην αντίθετη περίπτωση θα είχαμε μείωση του συνολικού αριθμού mol.. 0,5 V 0,5 = c = 0,5(mol.L [SO3] 4 V β) Στην αρχική ισορροπία έχουμε: n ολ = ,5 = 8,5 mol. Επειδή με την αύξηση της θερμοκρασίας ο ολικός αριθμός mol αυξήθηκε, η ισορροπία μετατοπίστηκε προς τα δεξιά, όπου ο συνολικός αριθμός mol αυξάνεται. mol SO 3 (g) SO (g) + Ο (g) Αρχική Χ.Ι ,5 Μεταβολές x x x Νέα Χ.Ι. 4 x 4 + x 0,5 + x 4 V o [SΟ] [O] Κ (7 C) = = -1 ) Ισχύει: n ολ = (4 x) + (4 + x) + 0,5 + x = 9, x = 0,5 mol. Επομένως, στην νέα Χ.Ι. στους 47 C θα συνυπάρχουν: 4 x = 3 mol SO 3, 4 + x = 5 mol SO και 0,5 + x = 1 mol O. 85

96 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 5 o [SΟ] [O] V Κc(47 C) = = [SO3] 3 1 V V γ) Παρατηρούμε ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία μετατοπίστηκε προς τα δεξιά. Αλλά με την αύξηση της θερμοκρασίας και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η ισορροπία μετατοπίζεται προς την ενδόθερμη κατεύθυνση. Επομένως, η αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη (εξώθερμη προς τα αριστερά): SO 3 (g) SO (g) + O (g), ΔΗ > 0 5 = 9 1 V = 5 (mol L 18 1 ) Η μεταβολή της ενθαλπίας που τυχόν αναγράφεται σε μια χημική ισορροπία αντιστοιχεί πάντα στην αντίδραση προς τα δεξιά. Σημείωση: Θα μπορούσαμε να οδηγηθούμε στο ίδιο συμπέρασμα ακόμη και αν είχαμε μόνο τις τιμές των Κ c στις δύο διαφορετικές θερμοκρασίες. Καθώς ισχύει: Κ c (7 ο C) < Κ c (47 ο C), η αύξηση της θερμοκρασίας παράγει περισσότερα προϊόντα εις βάρος των αντιδρώντων (η ισορροπία οδεύει προς τα δεξιά). Επομένως, η αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη. 5. Σε δοχείο όγκου 10 L εισάγονται 0,5 mol H και 0,5 mol I, τα οποία θερμαίνονται στους 448 C οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία, Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g), για την ο- ποία ισχύει: Κ c = 64. Να υπολογίσετε: α) Τη σύσταση του μίγματος στους 448 C μετά την αποκατάσταση της χημικής ι- σορροπίας. β) Την ολική πίεση που ασκείται στο δοχείο στους 77 C. R = 0,08 L atm/mol K. ΛΥΣΗ α) mol Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g) Αρχικά 0,5 0,5 Μεταβολές x x x Χ.Ι. 0,5 x 0,5 x x x [ΗΙ] Κc = = 64, 10 x = 64, = ± 8 [Η ] [Ι ] 0,5 x 0,5 x 10 Από τη λύση της παραπάνω εξίσωσης (η λύση με το 8 απορρίπτεται), έχουμε: x = 0,4 mol. Επομένως, στη χημική ισορροπία συνυπάρχουν: 0,5 x = 0,1 mol H, 0,5 x = 0,1 mol I και x = 0,8 mol HI. Παρατηρείστε ότι ο συνολικός αριθμός mol δε μεταβάλλεται με την εξέλιξη της αντίδρασης προς τα δεξιά. Έτσι, στη χημική ισορροπία έχουμε (0,5x) + (0,5 x) + x = 1 mol, συνολικά, όσο δηλαδή και στην αρχική κατάσταση: 0,5 + 0,5 = 1 mol. Αυτό συμβαίνει πάντα όταν το άθροισμα των συντελεστών των αερίων αντιδρώντων είναι ίσο με το άθροισμα των συντελεστών των αερίων προϊόντων, δηλαδή όταν Δn = 0. β) Με την αύξηση της θερμοκρασίας η θέση της Χ.Ι. θα μετατοπιστεί (προς τα δεξιά, αν η αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη ή προς τα αριστερά, αν η αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη). Καθώς δεν γνωρίζουμε την ενθαλπία της αντίδρασης, θα πρέπει να παρατηρήσουμε ότι ανεξάρτητα της κατεύθυνσης μετατόπισης της Χ.Ι. ο ολικός α- ριθμός mol δε μεταβάλλεται και παραμένει ίσος με τον αρχικό (0,5 + 0,5 = 1 mol). Και αυτό γιατί Δn(αερίων) = 0. Επομένως: 86

97 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ P ολ V = n ολ R T, nολ R T 1 0, Ρολ = = atm = 8, atm V Σε κλειστό δοχείο εισάγουμε CO (g) και Η (g) με αναλογία mol 1:5, αντίστοιχα και αποκαθίσταται η ισορροπία: CO (g) + Η (g) CO(g) + Η Ο(g), Κ c = 1 (στους θ ο C) α) Να υπολογιστεί το ποσοστό (%) του CO που μετασχηματίζεται σε CO. β) Την αναλογία όγκων CO (g) και Η (g) που πρέπει να αναμείξουμε αρχικά, ώστε να αντιδράσει το 90% της αρχικής ποσότητας του Η. Η θερμοκρασία είναι σταθερή και ίση με θ ο C. ΛΥΣΗ α) mol CO (g) + Η (g) CO(g) + Η Ο(g) Αρχικά x 5x Μεταβολές y y y y Χ.Ι. x y 5x y y y y Θέτουμε: π = (όπου π το κλάσμα των mol του CO που μετασχηματίζεται σε CO). x Επομένως: y = π x. K c y π = 1 = = (x y) (5x y) (1 π) (5 π) (οι όγκοι απλοποιούνται, καθώς Δn = 0) Από την προηγούμενη σχέση, προκύπτει π 0,833 και επομένως το ποσοστό (%) του CO που μετασχηματίζεται σε CO είναι 83,3%. β) Έστω ότι η αναλογία mol CO (g) και Η (g) είναι ίση με λ (στα αέρια, η αναλογία mol είναι και αναλογία όγκων). mol CO (g) + Η (g) CO(g) + Η Ο(g) Αρχικά λx x Μεταβολές y y y y Χ.Ι. λx y x y y y y Θα ισχύει: 0,9 =, y = 0,9x x (0,9x) 0,9 Kc = 1 = = (λx y) (x y) (λ 0,9) 0,1 Από την προηγούμενη σχέση, προκύπτει: λ = 9. 87

98 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 7. Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου 3 L και υπό σταθερή θερμοκρασία εισάγονται mol COCl (g) και αποκαθίσταται η ισορροπία: COCl (g) CO(g) + Cl (g), στην οποία προσδιορίστηκαν 1, mol Cl (g). α) Να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης και η τιμή της σταθεράς K c της ισορροπίας στη θερμοκρασία του πειράματος. β) Πόσα mol COCl (g) πρέπει να προστεθούν επιπλέον στην παραπάνω κατάσταση ισορροπίας, ώστε στη νέα κατάσταση ισορροπίας που θα αποκατασταθεί η ποσότητα του Cl (g) να είναι ίση με 1,5 mol; H θερμοκρασία είναι η ίδια σε όλες τις περιπτώσεις. ΛΥΣΗ α) mol COCl (g) CO(g) + Cl (g) Αρχικά Μεταβολές x x x Χ.Ι. x x x x x 1, 1, 1, x = 1, mol, α = = 0, 6, 3 0, 6 V [CO] [Cl] Κ V x 0,8 3 c = = = = [COCl ] V 3 β) Έστω ότι στην Χ.Ι. πρέπει να προσθέσουμε λ mol επιπλέον COCl. Με την προσθήκη αυτή και σύμφωνα με την αρχή Le Chatelier η ισορροπία οδεύει προς τα δεξιά: 88 mol COCl (g) CO(g) + Cl (g) Αρχική Χ.Ι. 0,8 1, 1, Προσθήκη +λ Μεταβολές y +y +y Τελική Χ.Ι. 0,8 + λ y 1, + y 1, + y Ισχύει: 1, + y = 1,5 και επομένως y = 0,3 mol. 1,5 1,5 Κ 3 3 c = 0,6 =, λ = 0,75mol 0,5 + λ 3 8. Σε δοχείο όγκου L έχουμε σε ισορροπία 4 mol PCl 5, mol PCl 3 και 8 mol Cl σε ορισμένη θερμοκρασία Τ, σύμφωνα με την εξίσωση: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g). α) Ποια η τιμή της σταθεράς K c της ισορροπίας στη θερμοκρασία Τ; β) Πόσα επιπλέον mol PCl 5 πρέπει να προσθέσουμε στην παραπάνω ισορροπία, ώστε στη νέα ισορροπία να υπάρχουν 10 mol Cl ; γ) Πόσα επιπλέον mol Cl πρέπει να προσθέσουμε στην αρχική ισορροπία, ώστε στη νέα ισορροπία να υπάρχουν 5 mol PCl 5 ; Σε όλα τα πειράματα η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή. ΛΥΣΗ

99 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ 8 [PCl α) 3] [Cl] Κ 4 c = = = [PCl5] β) Έστω ότι προσθέτουμε επιπλέον x mol PCl 5 επιπλέον. mol PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g) Αρχική Χ.Ι. 4 8 Προσθέτουμε +x Μεταβολές y y y Νέα Χ.Ι. 4 + x y + y 8 + y Από τα δεδομένα ισχύει: 8 + y = 10, άρα y = mol. Επομένως, στη νέα Χ.Ι. θα συνυπάρχουν: ( + x) mol PCl 5, 4 mol PCl 3 και 10 mol Cl [PCl3] [Cl] Κ, x 8mol c = = = = [PCl ] + x 5 γ) Έστω ω mol του Cl που πρέπει να προσθέσουμε στην αρχική ισορροπία, ώστε στη νέα ισορροπία να υπάρχουν 5 mol PCl 5 : mol PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g) Αρχική Χ.Ι. 4 8 Προσθέτουμε +ω Μεταβολές λ λ λ Νέα Χ.Ι. 4 + λ λ 8 + ω λ 4 + λ = 5, λ = 1 mol. Στη νέα Χ.Ι., λοιπόν, θα συνυπάρχουν 5 mol PCl 5, 1 mol PCl 3 και (7 + ω) mol Cl ω [PCl3] [Cl ] Κ, ω 13 mol 5 c = = = = [PCl5] 9. Το ΝΟCl(g) διασπάται σύμφωνα με την εξίσωση: ΝΟCl(g) ΝΟ(g) + Cl (g). α) Σε κενό δοχείο όγκου 10 L τοποθετούμε mol NOCl, οπότε μετά την αποκατάσταση χημικής ισορροπίας υπάρχει 0%v/v Cl. Ποια η τιμή της σταθεράς K c στους θ ο C; β) Πόσα mol Cl πρέπει να προσθέσουμε στο παραπάνω μίγμα ισορροπίας υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε όταν το σύστημα καταλήξει πάλι σε (νέα) χημική ι- σορροπία, η [NOCl] να είναι ίση με 0,15 M; γ) Στο δοχείο της αρχικής ισορροπίας προσθέτουμε επιπλέον 0,5 mol Cl και ταυτόχρονα αυξάνουμε τον όγκο του δοχείου υπό σταθερή θερμοκρασία. Παρατηρούμε ότι παρά τις δύο αυτές μεταβολές δεν εκδηλώθηκε αντίδραση και το σύστημα είναι σε ισορροπία. Ποιος ο νέος όγκος του δοχείου; 89

100 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΛΥΣΗ α) mol ΝΟCl(g) ΝΟ(g) + Cl (g) Αρχικά Μεταβολές x x x Χ.Ι. x x x Στα αέρια η αναλογία όγκων είναι και αναλογία mol και άρα: n(cl ) = (0/100) n ολ. Ε- πομένως: x = 0, ( + x), x = 0,5 mol. Άρα, στη χημική ισορροπία θα συνυπάρχουν: 1 mol NOCl, 1 mol NO και 0,5 mol Cl. 1 0,5 [NO].[Cl ] = = [NOCl] 1 10 Κ c = 0,05 β) Με την προσθήκη, έστω ω mol, Cl η ισορροπία θα οδεύσει προς τα αριστερά (με βάση την αρχή Le Châtelier): mol ΝΟCl(g) ΝΟ(g) + Cl (g) Αρχική Χ.Ι ,5 Προσθέτουμε Μεταβολές +y y y Νέα Χ.Ι. 1 + y 1 y 0,5 + ω y Επειδή [NOCl] = 0,15 Μ, προκύπτει: 1 + y = 10 0,15 = 1,5 mol, y = 0,5, y = 0,5 mol. Στη νέα Χ.Ι. θα συνυπάρχουν: 1,5 mol NOCl, 0,5 mol NO και (0,5 + ω) mol Cl. Από την έκφραση της Κ c, έχουμε: Κ 0,5 0,5 + ω ( ) [NO] [Cl] = = [NOCl] 1,5 ( ) 10 c = 0,5 + ω = 4,5, ω = 4,5 mol Cl 0,05 ω γ) mol ΝΟCl(g) ΝΟ(g) + Cl (g) Αρχική Χ.Ι ,5 Προσθέτουμε +0,5 Νέα Χ.Ι [NO] [Cl ] V V 1 c = =, = 0,05, V = 0 L [NOCl] 1 V V Κ 90

101 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 5.1. Έστω η ισορροπία: NOCl(g) NO(g) + Cl (g). Για την ισορροπία αυτή ισχύει ότι: Α) Κ c = [NO] [Cl ]/[NOCl] Β) η K c έχει μονάδες mol L Γ) η K c είναι ανεξάρτητη της θερμοκρασίας Δ) είναι ομογενής ισορροπία 5.. Ποια είναι η έκφραση της σταθεράς ισορροπίας: NH 4 CO NH (s) NH 3 (g) + CO (g) Α) K c = [NH 3 ] [CO ] Β) K c = [NH 3 ] [CO ] Γ) K c = [NH 3 ] [CO ] / [NH 4 CO NH ] Δ) K c = [NH 3 ] [CO ] / [NH 4 CO NH ] 5.3. Ποιες οι μονάδες της σταθεράς K c της ισορροπίας: NO(g) N (g) + O (g) Α) Δεν έχει μονάδες, είναι καθαρός αριθμός Β) M Γ) M Δ) M Όταν η αντίδραση, NOCl(g) NO(g) + Cl (g), είναι σε κατάσταση ισορροπίας ποια από τις σχέσεις που ακολουθούν θα είναι οπωσδήποτε σωστή; Α) [ΝΟ] [Cl ] = [NOCl] Β) [ΝΟ] [Cl ] = K c [NOCl] Γ) [NOCl] = [NO] Δ) [NO] = [Cl ] 5.5. Ποια από τις παρακάτω τιμές της σταθεράς ισορροπίας K c δείχνει ότι η αντίδραση, A(g) + B(g) Γ(g), είναι πρακτικά μονόδρομη; Α) Β) Γ) 1 Δ) Μετά την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας, που αποδίδεται με την εξίσωση: CaO(s) + CO (g) CaCO 3 (s), σε δοχείο όγκου V, συνυπάρχουν α mol CaO, β mol CO, και γ mol CaCO 3. Η σταθερά K c της ισορροπίας δίνεται από τη σχέση: Α) K c γ V = Β) α β K c γ = Γ) α β V K c = Δ) β β K c = V 5.7. Στους θ o C η σταθερά Κ c της ισορροπίας: ΝΗ 3 (g) H (g) + 3Ν (g), έχει τιμή ίση με 5. Για τη σταθερά Κ c της ισορροπίας: H (g) + 3Ν (g) ΝΗ 3 (g) στους θ o C θα ισχύει: Α) Κ c = 5 Β) Κ c > 5 Γ) Κ c = 0,5 Δ) Κ c = 0, 5.8. Σε κενό δοχείο όγκου 1 L εισάγεται ποσότητα NO (g) σε θερμοκρασία Τ και αποκαθίσταται η ισορροπία: NO (g) N O 4 (g) Οι συγκεντρώσεις των ΝΟ (g) και Ν Ο 4 (g) στην ισορροπία είναι, αντίστοιχα Α mol L 1 και Β mol L 1. i. Ποια είναι η έκφραση της σταθεράς Κ c της ισορροπίας; Α) (B/A) Β) B/A Γ) B/A Δ) A/B ii. Ποιος ο αριθμός mol NO (g) που είχε εισαχθεί αρχικά στο δοχείο; Α) A + B Β) A + B Γ) A + B Δ) A + (B/) 5.9. Σε κλειστό δοχείο υπό σταθερή θερμοκρασία Τ έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: N (g) + O (g) NO(g) στην οποία οι συγκεντρώσεις είναι οι εξής: [N ] = 0,1 Μ, [O ] = 0, Μ, [NO] = 0,4 Μ. Ποια η τιμή της σταθεράς ισορροπίας Κ c ; Α) 0,05 Β) 0,13 Γ) 8 Δ) H σταθερά Κ c της ισορροπίας: NO(g) N (g) + O (g) έχει τιμή ίση με, στους 000 C. i. Ποια η τιμή της σταθεράς K c, N (g) + O (g) NO(g), στους 000 C; ii. Στους 000 ο C η ισορροπία ευνοεί το σχηματισμό του ΝΟ ή όχι; Α) i.,4 10 3, ii. ναι Β) i. 4, 10 4, ii. ναι Γ) i. 4, 10 4, ii. όχι Δ) i.,4 10 3, ii. όχι Η σταθερά Κ c της χημικής ισορροπίας που αποδίδεται με τη χημική εξίσωση: NO(g) N (g) + O (g), ΔΗ = 40 kcal, έχει τιμή K 1 στους 300Κ και τιμή K στους 600 Κ. Μεταξύ των σταθερών Κ 1 και Κ θα ισχύει: Α) K = K 1 Β) K > K 1 Γ) K < K 1 Δ) K = K Η σταθερά K c της ισορροπίας, που περιγράφεται με την εξίσωση: Η (g) + I (g) HI(g), διαπιστώθηκε ότι μειώνεται με μείωση της θερμοκρασίας. Επομένως: Α) η αντίδραση με φορά προς τα δεξιά είναι εξώθερμη Β) η αντίδραση με φορά προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη Γ) η αντίδραση με φορά προς τα αριστερά είναι ενδόθερμη Δ) είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη, ανάλογα με τη θερμοκρασία Δίνεται η ισορροπία: A(s) + B(g) Γ(g) Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου προσθέτουμε αρχικά ίσο αριθμό mol Β και Γ και καθόλου A. Ποια από τις ακόλουθες προτάσεις είναι σωστή; Α) Στην χημική ισορροπία θα ισχύει: [Β] > [Γ] Β) Στην χημική ισορροπία θα ισχύει: [Β] = [Γ] Γ) Δεν θα πραγματοποιηθεί καμία αντίδραση Δ) Αρχικά (t = 0) η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά, με την πάροδο όμως του χρόνου αποκαθίσταται ισορροπία κατά την οποία οι δύο ταχύτητες εξισώνονται 91

102 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Σε δοχείο σταθερού όγκου και σε υψηλή θερμοκρασία Τ αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν (g) + O (g) NO(g), ΔH > 0 Aν μειωθεί η θερμοκρασία του συστήματος, τότε: Α) μειώνεται η σταθερά ισορροπίας Κ c Β) αυξάνεται η απόδοση σε ΝΟ Γ) μειώνεται η ποσότητα του Ο Δ) αυξάνεται η ολική πίεση Θεωρήστε την ισορροπία στους θ ο C: 3A(g) + B(g) Γ(g) Αρχικά στο δοχείο αντίδρασης υπάρχουν μόνο τα σώματα Α και Γ σε συγκεντρώσεις 0, Μ το καθένα, ενώ στην κατάσταση χημικής ισορροπίας η συγκέντρωση του σώματος Β είναι 0, Μ. Ποια η τιμή της σταθεράς ισορροπίας, Κ c στους θ ο C; Α) 0 Β) 43 Γ) 60 Δ) Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ): α) Η σταθερά K c μιας ισορροπίας εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων, εκτός αν κάποιο από αυτά είναι στερεό. β) H σταθερά Κ c της ισορροπίας: C(s) + H O(g) CO(g) + H (g) ελαττώνεται με την ελάττωση της πίεσης. γ) Για την ισορροπία: NO (g) N O 4 (g), η μονάδα μέτρησης της σταθεράς K c είναι το 1 L/mol. δ) Για την ισορροπία: Fe O 3 (s) + 3CO(g) Fe(s) + 3CO (g) η μονάδα της σταθεράς K c είναι το mol/l. ε) Η απόδοση της αντίδρασης: H (g) + Ι (g) HΙ(g), σε καθορισμένη πίεση και θερμοκρασία, παραμένει σταθερή όταν το μίγμα Η και Ι που αναμειγνύεται αρχικά είναι ισομοριακό Δίνονται οι ισορροπίες που ακολουθούν με τις σταθερές ισορροπίας τους σε ορισμένη θερμοκρασία Τ. 1 N (g) + O (g) NO (g), K c1 NO (g) N O 4 (g), K c Να βρεθεί η σχέση της σταθεράς Κ c της ισορροπίας: N O 4 (g) N (g) + O (g), με τις σταθερές Κ c1 και Κ c Γνωρίζοντας τις σταθερές K c1 και K c των αντιδράσεων (1) και (), να υπολογίσετε τη σταθερά Κ c3 της ισορροπίας (3). C(s) + H O(g) CO(g) + H (g), K c1 =,3 (1) CO (g) + H (g) H O(g) + C(s), K c = 0,6 () CO (g) + H (g) CO(g) + H O(g), K c3 = ; Σε δοχείο όγκου V και σε θερμοκρασία T, έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: CΟ(g) + H (g) CH 3 OH(g), ΔΗ < 0 9 Να γράψετε τα γράμματα της στήλης Ι και δίπλα σε κάθε γράμμα τον αριθμό της στήλης ΙΙ που αντιστοιχεί σωστά. Στήλη Ι Στήλη ΙΙ α. Αύξηση της T 1. Αύξηση της τιμής της Κ c β. Μείωση του V, υπό. Μείωση της ποσότητας της σταθερή T CH 3 OH(g) γ. Μείωση της [CO] 3. Αύξηση της ποσότητας της CH 3 OH(g) 4. Μείωση της τιμής της Κ c 5.0. Τα στοιχεία Α και Β αντιδρούν μεταξύ τους σχηματίζοντας την ένωση ΑΒ, σύμφωνα με την ισορροπία: Α (g) + Β (g) ΑΒ(g) Για την ισορροπία αυτή οι τιμές της σταθεράς Κ c στους 500 Κ και στους 700 Κ είναι, αντίστοιχα, ίσες με 160 και 54. Να εκτιμήσετε αν ο σχηματισμός της ένωσης ΑΒ είναι ενδόθερμο ή εξώθερμο φαινόμενο Σε δοχείο όγκου V εισάγουμε τη χρονική στιγμή t = 0 ποσότητες των ενώσεων Α(g) και Β(g) και αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: A(g) + B(g) 3Γ(g) + Δ(g), ΔΗ > 0. Τη χρονική στιγμή t 1 αυξάνουμε τη θερμοκρασία, υπό σταθερό όγκο και αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία, από τη χρονική στιγμή t και μετά. Οι μεταβολές των συγκεντρώσεων για δύο από τα 4 σώματα της ισορροπίας εμφανίζονται στο διάγραμμα που ακολουθεί. c 1 t 1 t α) Σε ποια από τα σώματα της ισορροπίας αντιστοιχούν οι καμπύλες (1) και (); Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Να εξηγήσετε αν και πως θα μεταβληθεί η σταθερά (K c ) της παραπάνω ισορροπίας με την αύξηση της θερμοκρασίας. γ) Για το χρονικό διάστημα από t 1 σε t, ποια είναι η τιμή του λόγου του ρυθμού παραγωγής του σώματος Γ (υ Γ ) προς το ρυθμό κατανάλωσης του σώματος Β (υ Β ); Nα αιτιολογήσετε την απάντησή σας. 5.. Σε δοχείο που περιέχει ποσότητα στερεού άνθρακα και βρίσκεται σε θερμοκρασία θ o C, εισάγεται ποσότητα αερίου μίγματος που αποτελείται από CO και CΟ. Μετά από χρόνο t 1 αποκαθίσταται η ισορροπία: CO(g) CO (g) + C(s), ΔΗ < 0, για την οποία είναι γνωστή η σταθερά Κ c στους θ o C. Οι συγκεντρώσεις των ενώσεων CO και CO σε συνάρτηση με το χρόνο δίνονται στο διάγραμμα που ακολουθεί. t

103 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ c [CO] β) Σε άλλο δοχείο όγκου 10 L εισάγονται ισομοριακές ποσότητες PCl 3 και Cl και το μίγμα θερμαίνεται στους 50 o C. Αν η ποσότητα του PCl 5 στην ισορροπία είναι ίση με 0,5 mol, ποιες οι ποσότητες (σε mol) των PCl 3 και Cl που είχαν εισαχθεί αρχικά στο δοχείο; [CO ] t α) Προς ποια κατεύθυνση εξελίχτηκε αντίδραση; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Πως θα μεταβληθεί η τιμή της Κ c της παραπάνω ισορροπίας, με την αύξηση της θερμοκρασίας; 5.3. Σε δοχείο με έμβολο περιέχονται α mol PCl 5, β mol PCl 3 και γ mol Cl σε κατάσταση χημικής ισορροπίας, η οποία περιγράφεται από την εξίσωση: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g), Η > 0. α) Προς ποια κατεύθυνση μετατοπίζεται η ισορροπία, αν: i. Αυξηθεί η θερμοκρασία υπό σταθερό όγκο. ii. Αυξηθεί ο όγκος του δοχείου, με σταθερή θερμοκρασία. β) Σε άλλο δοχείο σταθερού όγκου εισάγεται μίγμα PCl 5 (g), PCl 3 (g) και Cl (g) υπό σταθερή θερμοκρασία. Παρατηρείται ότι η ολική πίεση στο δοχείο αυξάνεται συνεχώς μέχρι μια ορισμένη τιμή, οπότε και παραμένει σταθερή. Να ερμηνεύσετε τα πειραματικά αυτά δεδομένα. Να δικαιολογήσετε όλες τις απαντήσεις σας. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ 5.4. Σε κλειστό και κενό δοχείο όγκου V = 10 L εισάγονται λ mol αερίου Ν και μ mol αερίου H οπότε σε κατάλληλη θερμοκρασία αποκαθίσταται η ισορροπία: N (g) + 3H (g) NH 3 (g), K c = Στην κατάσταση της χημικής ισορροπίας οι συγκεντρώσεις του H (g) και της NH 3 (g) είναι [H ] = 1 M και [NH 3 ] = 1 M. Να υπολογίσετε: α) Τις αρχικές ποσότητες λ και μ. β) Την απόδοση της αντίδρασης Ισομοριακό μίγμα Η (g) και Ι (g) έχει όγκο 89,6 L σε STP. α) Να υπολογίσετε τον αριθμό mol του κάθε αερίου που περιέχεται στο μίγμα. β) Το μίγμα εισάγεται σε δοχείο σταθερού όγκου στους θ ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία, H (g) + I (g) HI(g), για την οποία ισχύει: Κ c = 9. Να υπολογίσετε τον αριθμό mol για καθένα από τα τρία αέρια στην κατάσταση ισορροπίας Ποσότητα PCl 5 εισάγεται σε δοχείο 1 L και αποκαθίσταται στους 50 o C η X.I: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g), για την οποία ισχύει K c = 0,05 (στους 50 o C). α) i. Αν η ποσότητα του Cl (g) στην ισορροπία είναι ίση με 0,1 mol, ποιες οι ποσότητες των άλλων συστατικών που συνυπάρχουν; ii. Ποια η αρχική ποσότητα του PCl 5 ; t Ποσότητα N O 4 (g) μάζας 46 g εισάγεται σε δοχείο Δ 1 όγκου L στους θ ο C και διασπάται κατά 0% προς ΝΟ. α) Να υπολογιστεί η Κ c για την ισορροπία: N O 4 (g) NO (g) β) Ποιος πρέπει να είναι ο όγκος ενός άλλου δοχείου Δ, στο οποίο αν εισαχθούν 46 g N O 4 θα διασπαστούν κατά 80% προς ΝΟ ; Σε όλες τις περιπτώσεις η θερμοκρασία είναι η ίδια. 5.8 Σε δοχείο Δ 1 1 L εισάγεται ισομοριακό μίγμα CO και Cl, το σύστημα θερμαίνεται στους θ o C και αποκαθίσταται η ισορροπία: CO(g) + Cl (g) COCl (g), για την οποία είναι Κ c = 0. Στην κατάσταση χημικής ι- σορροπίας ο αριθμός mol του COCl είναι ίσος με τον α- ριθμό mol του CO. α) Να υπολογίσετε τη σύσταση του μίγματος (σε mol) στην κατάσταση της ισορροπίας. β) Αν σε άλλο δοχείο Δ όγκου 0 L εισαχθούν mol COCl και θερμανθούν στους θ o C, πόσα mol από κάθε αέριο θα υπάρχουν στο δοχείο μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας; 5.9. Σε δοχείο σταθερού όγκου εισάγεται αέριο μίγμα που αποτελείται από 5,6 g SO και 0,6 mol NO. Το μίγμα θερμαίνεται σε θερμοκρασία Τ και αποκαθίσταται η ισορροπία: NO (g) + SO (g) SO 3 (g) + NO(g) Διαπιστώθηκε ότι μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας έχει αντιδράσει το 50% της ποσότητας του ΝΟ. Να υπολογιστούν: α) Ο αριθμός mol καθενός από τα τέσσερα αέρια που περιέχονται στο δοχείο στην ισορροπία. β) Η τιμή της σταθεράς Κ c της ισορροπίας στη θερμοκρασία Τ. γ) Η απόδοση της αντίδρασης Σε δοχείο σταθερού όγκου V = L εισάγονται 1 mol A(s) και 0,6 mol B(g), σε θερμοκρασία 17 ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία: Α(s) + Β(g) Γ(g) + Δ(g). Αν το αέριο μίγμα ισορροπίας ασκεί πίεση ίση με 16,4 atm στους 17 ο C, να υπολογιστούν: α) Η απόδοση της αντίδρασης, β) Η τιμή της σταθεράς Κ c στους 17 ο C. γ) Η % v/v περιεκτικότητα του αερίου μίγματος ισορροπίας. R = 0,08 L atm/(mol K). 93

104 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Σε δοχείο όγκου L περιέχονται 60 g ισομοριακού μίγματος Ν και Η. Θερμαίνουμε το μίγμα στους 57 o C με τη βοήθεια καταλύτη και αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Tο μίγμα ισορροπίας περιέχει 0,8 mol NH 3. α) Να υπολογίσετε την απόδοση της αντίδρασης. β) Να υπολογίσετε τη σταθεράς Κ c της ισορροπίας. γ) Να σχεδιάστε σε κοινό διάγραμμα τη γραφική παράσταση της [Ν ], της [Η ] και της [ΝΗ 3 ] σε συνάρτηση με το χρόνο, από t = 0 μέχρι την αποκατάσταση της χημικής ι- σορροπίας Σε θερμοκρασία Τ = 500 Κ η μεθανόλη διασπάται, σύμφωνα με την εξίσωση: CH 3 OH(g) CO(g) + Η (g) Σε δοχείο όγκου 10 L εισάγουμε αρχικά 1 mol CH 3 OH και θερμαίνουμε στους 500 Κ, οπότε μέχρι την ισορροπία έ- χουν παραχθεί 1,5 mol H. α) Πόσα mol CH 3 OH υπάρχουν στην ισορροπία; Ποια η απόδοση της αντίδρασης; β) Ποια η τιμή της Κ c της ισορροπίας στους 500 Κ; γ) Σε άλλο δοχείο όγκου 1 L εισάγουμε 1 mol CH 3 OH και 6,75 mol CO, στους 500 Κ. Πόσα mol Η πρέπει να εισάγουμε ταυτόχρονα στο δοχείο, ώστε το σύστημα να είναι σε ισορροπία, δηλαδή να μην εξελιχθεί αντίδραση; Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου εισάγουμε 0,3 mol CO και 0,3 mol H και αποκαθίσταται η ισορροπία, CO (g) + H (g) CO(g) + H O(g) στην οποία βρέθηκαν 0,1 mol H O(g). α) Να υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς K c στη θερμοκρασία του πειράματος. β) Σε άλλο κενό δοχείο στην ίδια θερμοκρασία εισάγουμε 0,6 mol CO και 0,6 mol H O(g). Πόσα mol από κάθε συστατικό θα υπάρχει όταν αποκατασταθεί η ισορροπία; Σε δοχείο όγκου 1 L εισάγονται 1 mol Η (g) και 1 mol I (g), οπότε στους θ ο C αποκαθίσταται η ισορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: H (g) + I (g) HI(g) α) Αν στην ισορροπία βρέθηκαν 1,6 mol HI(g), i. ποια η απόδοση της αντίδρασης, και ii. ποια η τιμή της σταθεράς K c στους θ ο C; β) Σε άλλο δοχείο όγκου L εισάγονται 1 mol Η (g) και 1 mol I (g) στους θ ο C. Ποια θα είναι η απόδοση της αντίδρασης στην περίπτωση αυτή; γ) Σε τρίτο δοχείο όγκου V εισάγονται mol HI(g), στους θ ο C. Ποιες oι ποσότητες του H (g), του I (g) και του HI(g) στη Χ.Ι.; Σε δοχείο 1 L εισάγουμε ποσότητες από τα αέρια SO και NO στους θ ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία, SO (g) + NO (g) SO 3 (g) + NO(g), στην οποία συνυπάρχουν 0, mol SO, 0, mol NO, 0,8 mol SO 3 και 0,8 mol NO. α) Ποιες οι αρχικές ποσότητες των αερίων SO και NO ; β) Ποια η τιμή της σταθεράς K c στους θ ο C; γ) Σε άλλο δοχείο όγκου V εισάγουμε ισομοριακές ποσότητες SO 3 και NO, οπότε αποκαθίσταται ισορροπία στην ο- ποία προσδιορίστηκαν 1,6 mol NO στους θ ο C. Ποιες ήταν οι αρχικές ποσότητες των SO 3 και NO; Σε δοχείο Δ 1 όγκου 8 L περιέχονται 0,4 mol COCl καθώς και ισομοριακές ποσότητες CO και Cl σε κατάσταση ισορροπίας, σύμφωνα με την εξίσωση: COCl (g) CO(g) + Cl (g) Η θερμοκρασία του μίγματος είναι ίση με 77 o C και η πίεση στο δοχείο ίση με 8, atm. α) Ποιες οι ποσότητες (σε mol) του CO και του Cl στη χημική ισορροπία; β) Ποια η τιμή της σταθεράς Κ c στους 77 o C; γ) Σε ένα άλλο δοχείο όγκου V βρίσκονται κατάσταση Χ.Ι. 0, mol COCl, 0,1 mol CO και 0,1 mol Cl στους 77 o C. Να υπολογιστεί ο όγκος V του δοχείου. R = 0,08 L atm/mol K Σε δοχείο όγκου L και υπό σταθερή θερμοκρασία έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: αα(g) + ββ(g) γγ(g), όπου α, β και γ οι συντελεστές των αντίστοιχων σωμάτων (μικρότεροι δυνατοί ακέραιοι). Οι συγκεντρώσεις των τριών αερίων σε συνάρτηση με το χρόνο, από την έναρξη της αντίδρασης μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας, απεικονίζεται στο διάγραμμα που ακολουθεί. c (Μ) 5 4 [Α] 3 [Β] 1 t α) Να προσδιορίσετε τους συντελεστές α, β και γ για τις ενώσεις Α, Β και Γ της παραπάνω ισορροπίας. β) Ποιες ενώσεις είχαν εισαχθεί αρχικά στο δοχείο και πόσα mol από την κάθε μία; γ) Να υπολογίσετε την απόδοση της αντίδρασης που πραγματοποιήθηκε, καθώς και την τιμή της σταθεράς Κ c Σε δοχείο σταθερού όγκου βρίσκονται σε χημική ι- σορροπία 0,5 mol H, 0,5 mol Ι και mol HΙ, στους θ 1ο C, σύμφωνα με την εξίσωση: HΙ(g) Ι (g) + Η (g). Αυξάνουμε τη θερμοκρασία στους θ ο C, οπότε στην κατάσταση της ισορροπίας προσδιορίζονται,5 mol HΙ. α) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς Κ c για την ισορροπία στους θ 1ο C. β) Να εξηγήσετε προς ποια κατεύθυνση μετατοπίστηκε η ισορροπία με την αύξηση της θερμοκρασίας. γ) Να εξετάσετε αν η αντίδραση σχηματισμού του HΙ από τα συστατικά του στοιχεία είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. [Γ] 94

105 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Σε κλειστό και κενό δοχείο όγκου 0 L εισάγονται ποσότητα αερίου CO και περίσσεια C(s), που αντιδρούν, υπό σταθερή θερμοκρασία, σύμφωνα με την εξίσωση: CO (g) + C(s) CO(g). Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας περιέχονται στο δοχείο 1 mol CO και mol CO. Να υπολογίσετε: α) Την αρχική ποσότητα του αερίου CO σε mol και την απόδοση της αντίδρασης. β) Την τιμή της σταθεράς χημικής ισορροπίας Κ c της αντίδρασης Δίνεται η ισορροπία: N (g) + O (g) NO(g). α) Σε κλειστό δοχείο που βρίσκεται στους θ o C συνυπάρχουν σε ισορροπία 1 mol N, 1 mol O και mol NO. Να υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς K c στη θερμοκρασία του πειράματος. β) Σε άλλο δοχείο στην ίδια θερμοκρασία θ o C εισάγονται 4 mol NO. Ποιες ποσότητες από τα τρία αέρια θα συνυπάρχουν όταν αποκατασταθεί ισορροπία; γ) Σε τρίτο δοχείο, που βρίσκεται σε θερμοκρασία θ o C, συνυπάρχουν mol N, mol O και mol NO. Να δείξετε ότι το σύστημα αυτό δεν βρίσκεται σε ισορροπία Αέριο μίγμα έχει όγκο 89,6 L σε STP και αποτελείται από Ν και Η με αναλογία mol 1:3, αντίστοιχα. Το μίγμα εισάγεται σε δοχείο όγκου 3 L στους θ o C. Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας, Ν (g) + 3Η (g) ΝΗ 3 (g), η περιεκτικότητα σε ΝΗ 3 βρέθηκε ίση με 60% v/v. α) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς Κ c της ισορροπίας, καθώς και την απόδοση της αντίδρασης στους θ o C. β) Αν η αντίδραση σχηματισμού της ΝΗ 3 από τα συστατικά της στοιχεία είναι εξώθερμη, να εξετάσετε αν θα μεταβληθεί και πώς (αν θα αυξηθεί ή αν θα ελαττωθεί) η σταθερά Κ c της ισορροπίας με την αύξηση της θερμοκρασίας του συστήματος Σε δοχείο όγκου V = 10 L εισάγονται 0,3 mol SO, 0,4 mol NO, 0,1 mol SO 3 και 0,4 mol NO. Tο δοχείο θερμαίνεται στους 77 ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία: SO (g) + NO (g) SO 3 (g) + NO(g). Στη θέση χημικής ισορροπίας βρέθηκε ότι η ποσότητα του SO (g) είναι 0,1 mol. Να υπολογίσετε: α) Τις συγκεντρώσεις των αερίων στην ισορροπία. β) Την τιμή της σταθεράς ισορροπίας Κ c. γ) Την ολική πίεση του αερίου μίγματος στην ισορροπία. Δίνεται R = 0,08 L atm/mol K Σε δοχείο όγκου V 1 περιέχονται σε ισορροπία 0,1 mol ένωσης Α, 0, mol ένωσης Β, 0, mol ένωσης Γ και 0,8 mol ένωσης Δ σε ολική πίεση Ρ atm, σύμφωνα με την εξίσωση: Α(g) + xb(g) Γ(g) + Δ(g) Διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία, διπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου, οπότε η πίεση γίνεται τελικά ίση με Ρ/ atm. α) Nα προσδιορίστε την τιμή του συντελεστή x στην παραπάνω εξίσωση. β) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς Κ c. γ) Σε ένα άλλο δοχείο όγκου V εισάγουμε 0,3 mol A, 0,6 mol B, 0,6 mol Γ και 0,3 mol Δ στην ίδια με την παραπάνω θερμοκρασία. Να εξηγήσετε γιατί το σύστημα αρχικά δεν βρίσκεται σε ισορροπία. ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Χ.Ι Σε κλειστό δοχείο βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας 1 mol CO, 1 mol H, mol CO και mol υδρατμών στους θ ο C, σύμφωνα με την εξίσωση: CO (g) + H (g) CO(g) + H O(g). α) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς K c στους θ ο C. β) Διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία, προσθέτουμε επιπλέον στο δοχείο της ισορροπίας 3 mol CO και 3 mol H. Να υπολογίσετε τη σύσταση του μίγματος στη νέα ι- σορροπία που θα αποκατασταθεί Σε δοχείο όγκου V 1 = 4 L έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία, NO (g) N O 4 (g), στην οποία συνυπάρχουν mol NO και 5 mol N O 4. α) Να υπολογίσετε την τιμή της K c στη θερμοκρασία του πειράματος. β) Μεταβάλλουμε τον όγκο του δοχείου σε V υπό σταθερή θερμοκρασία και απoκαθίσταται νέα Χ.Ι., στην οποία συνυπάρχουν ισομοριακές ποσότητες NO και N O 4. i. Να εξηγήσετε το είδος της μεταβολής του όγκου (αύξηση ή μείωση). ii. Να υπολογίσετε τον όγκο V Σε δοχείο εισάγονται mol Η (g) και mol Ι (g). Το μίγμα θερμαίνεται στους θ 1o C και αποκαθίσταται η ισορροπία: Η (g) + Ι (g) ΗI, ΔΗ = 5 kj, για την οποία ισχύει: K c = 64. α) Ποιες οι ποσότητες (σε mol) των τριών αερίων στην ισορροπία; β) Η θερμοκρασία μειώνεται στους θ o C, οπότε αποκαθίσταται με την πάροδο του χρόνου νέα χημική ισορροπία. i. Προς ποια κατεύθυνση εξελίχθηκε αντίδραση με τη μείωση της θερμοκρασίας; ii. Να εξηγήσετε πως θα μεταβληθεί η σταθερά Κ c και πως η ολική πίεση στο δοχείο. γ) Αν στη νέα θερμοκρασία η σταθερά K c έχει τιμή ίση με 36, ποιες οι ποσότητες των τριών αερίων στη νέα ισορροπία; 5.47 Για την ισορροπία: H (g) + I (g) HI(g), η σταθερά Κ c έχει τιμή ίση με 4 στους 400 ο C. Σε δοχείο όγκου L εισάγουμε 1 mol H και 1 mol I στους 400 ο C. α) Να υπολογιστεί η ποσότητα σε mol κάθε αερίου στην κατάσταση ισορροπίας. β) Να αποδοθεί γραφικά η συγκέντρωση του HI σε συνάρτηση με το χρόνο. Για την αποκατάσταση της ισορροπίας χρειάστηκαν 0, min. γ) Στο μίγμα ισορροπίας προσθέτουμε επιπλέον 1, mol HI υπό σταθερή θερμοκρασία. Ποιος ο αριθμός mol κάθε αερίου στο δοχείο μετά την αποκατάσταση της νέας ισορροπίας; 95

106 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Σε δοχείο όγκου V = L εισάγονται 35, g CO και 4 g Η. Το μίγμα θερμαίνεται στους θ ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία, CΟ (g) + H (g) CO(g) + H O(g), στην οποία η συγκέντρωση των υδρατμών βρέθηκε ίση με 0, Μ. α) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς Κ c, καθώς και την απόδοση της αντίδρασης. β) Πόσα mol CO πρέπει να προσθέσουμε επιπλέον στο δοχείο, υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε η συγκέντρωση των υδρατμών να γίνει ίση με 0,5 Μ; Σε δοχείο σταθερού όγκου σε ορισμένη θερμοκρασία θ ο C εισάγονται ισομοριακές ποσότητες από τα αέρια Α και Β και αποκαθίσταται η ισορροπία: Α(g) + B(g) Γ(g). Παρατηρούμε ότι στην κατάσταση της ισορροπίας έχει παραμείνει, χωρίς να αντιδράσει, το 50% της αρχικής ποσότητας του Α. α) Ποια η τιμή της σταθεράς Κ c της παραπάνω ισορροπίας στους θ ο C; β) Αν αναμιγνύαμε αρχικά τα σώματα Α και Β με αναλογία mol 4:1, αντίστοιχα, ποια θα ήταν η απόδοση της αντίδρασης στην ίδια θερμοκρασία; γ) Με ποια αναλογία mol πρέπει να αναμίξουμε τα Α και Β, ώστε η απόδοση της αντίδρασης να είναι 75%; Σε δοχείο όγκου 10 L περιέχονται σε κατάσταση ι- σορροπίας 14 g CO, 9 g H O καθώς και ισομοριακές ποσότητες CO και Η, στους θ ο C, σύμφωνα με την εξίσωση: CΟ(g) + H O(g) CO (g) + H (g), Η σταθερά της ισορροπίας έχει τιμή Κ c = 4, στους θ ο C. α) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του CO στο μίγμα ισορροπίας. β) Διπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου υπό σταθερή θερμοκρασία. Να υπολογίσετε τη νέα συγκέντρωση του CO. γ) Ποια μάζα υδρατμών πρέπει να προσθέσουμε στο δοχείο των 0 L με σταθερή τη θερμοκρασία, ώστε η συγκέντρωση του CO να γίνει ίση με 0,06 Μ; Για την ισορροπία, SO (g) + Cl (g) SO Cl (g), ισχύει K c = 64 στους θ ο C. α) 0,1 mol SO (g), 0,1 mol Cl (g) και 0,64 mol SO Cl (g) συνυπάρχουν σε ισορροπία στους θ ο C. Ποιος ο όγκος του δοχείου; β) Πόσα mol SO Cl πρέπει να προσθέσουμε στην παραπάνω ισορροπία, υπό σταθερό όγκο και υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε στη νέα ισορροπία να υπάρχουν 0, mol SO ; γ) Μεταβάλλουμε τον όγκο της αρχικής ισορροπίας υπό σταθερή θερμοκρασία και ταυτόχρονα εισάγουμε 0,1 mol SO (g). Παρατηρούμε ότι η ποσότητα του SO Cl (g) παραμένει 0,64 mol. Ποιος ο όγκος του δοχείου στην περίπτωση αυτή; 5.5. Σε δοχείο σταθερού όγκου 10 L εισάγονται 3 mol PCl 5 στους 7 ο C οπότε μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g), στο δοχείο περιέχονται 71 g Cl. α) Να υπολογίσετε: i. Την τιμή της σταθεράς ισορροπίας Κ c καθώς και την α- 96 πόδοση της αντίδρασης. ii. Την ολική πίεση των αερίων στην κατάσταση ισορροπίας. β) Στο μίγμα ισορροπίας προσθέτουμε ποσότητα Cl, υπό σταθερή θερμοκρασία και μετά την αποκατάσταση της νέας ισορροπίας η πίεση του συστήματος βρέθηκε ίση με 0,5 atm. Να υπολογίσετε τον αριθμό mol του Cl που προσθέσαμε στο δοχείο. R = 0,08 L atm/mol K Σε δοχείο όγκου V = 1 L εισάγονται mol Ν Ο 4 και mol NO στους θ ο C. Παρατηρείται ότι οι ποσότητες των δύο αερίων δε μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου. α) Να υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς K c της ισορροπίας: Ν Ο 4 (g) ΝΟ (g) β) Τη χρονική στιγμή t 1 τριπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία, οπότε τη χρονική στιγμή t αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία. Ποιες ποσότητες από τα δύο αέρια περιέχονται τότε στο δοχείο; γ) Να παραστήσετε σε κοινό διάγραμμα τις συγκεντρώσεις των δύο αερίων σε συνάρτηση με το χρόνο για το χρονικό διάστημα 0-t Σε δοχείο όγκου 10 L εισάγονται 6 mol SO 3 και 3 mol NO και το μίγμα θερμαίνεται σε θερμοκρασία Τ, οπότε με την πάροδο του χρόνου αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: SO 3 (g) + NO(g) SO (g) + NO (g) Στην κατάσταση της ισορροπίας η συγκέντρωση του ΝΟ στο δοχείο προσδιορίστηκε ίση με 0, Μ. α) Να υπολογίσετε: i. την απόδοση της αντίδρασης (με τη μορφή κλάσματος) και ii. την τιμή της σταθεράς ισορροπίας K c στη θερμοκρασία Τ. β) Πόσα mol ΝΟ πρέπει να προσθέσουμε επιπλέον στο μίγμα της ισορροπίας, υπό σταθερή θερμοκρασία Τ, ώστε στη νέα ισορροπία η συγκέντρωση του ΝO να γίνει ίση με 0,3 Μ; γ) Στην αρχική χημική ισορροπία, υποδιπλασιάζουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία. Ποιες θα είναι οι νέες συγκεντρώσεις των 4 συστατικών της ισορροπίας; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Σε δοχείο 1 L εισάγονται 0,3 mol Ν Ο 4 (g) στους θ 1ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν Ο 4 (g) NO (g), στην οποία προσδιορίστηκαν 0, mol NO. α) Να προσδιοριστεί η τιμή της K c της παραπάνω ισορροπίας στους θ 1ο C. β) Σε άλλο δοχείο όγκου V εισάγονται 0,3 mol NO και αποκαθίσταται η παραπάνω ισορροπία στους θ 1ο C, στην οποία βρέθηκαν 0,1 mol NO. Ποιος ο όγκος του δοχείου; γ) Σε τρίτο δοχείο σταθερού όγκου έχει αποκατασταθεί η παραπάνω ισορροπία στους θ 1ο C, στην οποία συνυπάρχουν 0,4 mol N O 4 και 0,1 mol NO. Αυξάνουμε τη θερμοκρασία του συστήματος σε θερμοκρασία θ ο C και στη νέα χημική ισορροπία οι ποσότητες (σε mol) του ΝΟ και του Ν Ο 4 είναι ίσες μεταξύ τους. i. Nα εκτιμηθεί αν η αντίδραση διάσπασης του Ν Ο 4 είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. ii. Nα προσδιοριστεί η τιμή της K c της ισορροπίας στους θ ο C.

107 ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Σε κλειστό δοχείο εφοδιασμένο με έμβολο συνυπάρχουν σε κατάσταση χημικής ισορροπίας, σε θερμοκρασία Τ 1, 4 mol N O 4 (g) και 4 mol NO (g), σύμφωνα με την εξίσωση: N O 4 (g) NO (g). Η ολική πίεση στο δοχείο είναι P 1. O όγκος του δοχείου τριπλασιάζεται, υπό σταθερή θερμοκρασία, οπότε σταδιακά αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία στην οποία η πίεση είναι ίση με Ρ. α) Να υπολογιστούν οι ποσότητες σε mol των δύο αερίων στη νέα χημική ισορροπία. β) Να υπολογιστούν ο λόγος των ολικών πιέσεων P 1 /P στις δύο ισορροπίες. γ) Το δοχείο που περιέχει το μίγμα της νέας χημικής ισορροπίας (όταν η πίεση είναι Ρ ) ψύχεται σε θερμοκρασία Τ < Τ 1, υπό σταθερό όγκο, και το σύστημα καταλήγει σε τελική χημική ισορροπία, στην οποία η ποσότητα του N O 4 είναι ίση με 5 mol. Να εκτιμήσετε αν η αντίδραση διάσπασης του N O 4 σε NO είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. δ) Να υπολογίσετε το λόγο των σταθερών ισορροπίας στη θερμοκρασία Τ 1 και στη θερμοκρασία Τ Σε δοχείο (Δ1) όγκου L εισάγουμε αρχικά 1 mol Ν και,5 mol H στους θ ο C και αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Η απόδοση της αντίδρασης βρέθηκε ίση με 60%. α) Ποια η τιμή της σταθεράς K c στους θ ο C; Σε άλλο δοχείο (Δ) όγκου 1 L στους θ ο C, εισάγουμε α mol N και β mol H. Σε κάποια χρονική στιγμή t 1 στο δοχείο βρέθηκαν mol N, 5 mol H και 6 mol NH 3. Σε κάποια επόμενη χρονική στιγμή t στο δοχείο βρέθηκαν 1 mol N, mol H και 8 mol NH 3. β) Να υπολογίσετε τις αρχικές ποσότητες α και β mol. γ) Να αποδείξετε ότι τη χρονική στιγμή t 1 δεν έχουμε χημική ισορροπία. Στην ίδια χρονική στιγμή t 1, ποια η σχέση της ταχύτητας της αντίδρασης σχηματισμού της NH 3 (υ 1 ) και της ταχύτητας της αντίδρασης διάσπασης της ΝΗ 3 (υ ); Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. δ) Να αποδείξετε ότι τη χρονική στιγμή t έχει αποκατασταθεί χημική ισορροπία. ε) Στην κατάσταση ισορροπίας στο δοχείο Δ αυξάνουμε τη θερμοκρασία και αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία στην οποία προσδιορίστηκαν 1, mol N. Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση σύνθεσης της NH 3 ως εξώθερμη ή ενδόθερμη g CH 3 COOH και 13,8 g CH 3 CH OH φέρονται προς αντίδραση, σύμφωνα με την εξίσωση: CH 3 COOH(l) + CH 3 CH OH(l) CH 3 COΟCH CH 3 (l) + H O(l), Κ c = 4 α) Να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης. β) Πόσα g CH 3 COOH πρέπει να προστεθούν επιπλέον στην φιάλη της παραπάνω ισορροπίας, ώστε να σχηματιστούν συνολικά 0,5 mol εστέρα; γ) 0, mol CH 3 COOH και x mol CH 3 CH OH φέρονται προς αντίδραση σε άλλη φιάλη και αποκαθίσταται η παραπάνω χημική ισορροπία στην οποία σχηματίζεται εστέρας με απόδοση 80%. Ποια η τιμή του x; ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Σε δοχείο σταθερού όγκου 10 L εισάγονται 4 mol H και 4 mol I στους θ ο C. Μετά την πάροδο 0 min αποκαθίσταται η ισορροπία: Η (g) + Ι (g) ΗΙ(g), για την οποία ισχύει: K c = 4, στους θ ο C. α) Να υπολογίσετε την ποσότητα (σε mol) όλων των αερίων της ισορροπίας. β) Να υπολογίσετε την ταχύτητα της αντίδρασης από την έναρξη της μέχρι να αποκατασταθεί η ισορροπία. γ) Αφαιρούμε από το μίγμα ισορροπίας ποσότητα ΗΙ ίση με x mol, οπότε στο δοχείο, μετά από ορισμένο χρονικό διάστημα, αποκαθίσταται νέα ισορροπία, στην ίδια θερμοκρασία θ ο C. Η ποσότητα του ΗΙ που αφαιρέθηκε διαλύεται πλήρως σε νερό και σχηματίζει διάλυμα (Δ) όγκου 3 L. Ποσότητα από το διάλυμα (Δ) όγκου 50 ml απαιτεί για την εξουδετέρωση 5 ml διαλύματος NaOH M. Να υπολογίσετε την ποσότητα (x mol) του ΗΙ που αφαιρέθηκε από το δοχείο της ισορροπίας και να προσδιορίσετε τη σύσταση του μίγματος στη νέα ισορροπία Σε δοχείο 10 L που βρίσκεται υπό σταθερή θερμοκρασία T 1, εισάγονται 0,6 mol A(g) και 0,6 mol B(g) και πραγματοποιείται η αντίδραση: A(g) + B(g) Γ(g), ΔΗ = 00 kj Η ισορροπία αποκαθίσταται μετά από χρόνο t = min από την έναρξη της αντίδρασης και τότε ισχύει: [Γ] = 0,04 Μ. α) Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης καθώς και τη μέση ταχύτητα σχηματισμού του Γ(g) από την έναρξη της αντίδρασης (t = 0) μέχρι την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας. Όλες οι ταχύτητες να υπολογιστούν σε Μ min 1. β) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς Κ c της παραπάνω ισορροπίας. γ) Να εξηγήσετε πως θα μεταβληθεί η θέση της παραπάνω ισορροπίας καθώς και η τιμή της σταθεράς Κ c με μείωση της θερμοκρασίας σε T < T Σε κενό δοχείο όγκου 10 L εισάγονται 0,6 mol SO και 0,6 mol O και πραγματοποιείται η αντίδραση, υπό σταθερή θερμοκρασία: SO (g) + O (g) SO 3 (g). H ισορροπία αποκαθίσταται μετά από t = min από την έ- ναρξη της αντίδρασης και τότε ισχύει: [SO 3 ] = 0,04 Μ. α) Να υπολογίσετε: i. Τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης, καθώς και τη μέση ταχύτητα σχηματισμού του SO 3 (g) από την έναρξη της αντίδρασης (t = 0) μέχρι την αποκατάσταση της χημικής ισορροπίας. ii. Την απόδοση της αντίδρασης. β) Η αρχική ποσότητα SO (g) (0,6 mol) προέκυψε από α- ντίδραση στερεού S με πυκνό και θερμό υδατικό διάλυμα Η SO 4, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): S + H SO 4 SO + H O Να συμπληρώσετε την αντίδραση με τους κατάλληλους συντελεστές και να υπολογίσετε την απαιτούμενη μάζα του θείου για την παραγωγή των 0,6 mol SO (g). 97

108 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Σε δοχείο όγκου V = 10 L εισάγουμε 3 mol Ν και 6 mol Η, στους θ ο C, οπότε και αποκαθίσταται η ισορροπία: Ν (g) + 3Η (g) ΝΗ 3 (g), ΔΗ = 90 kj Η απόδοση της αντίδρασης βρέθηκε ίση με 0%. α) Να προσδιοριστούν τα mol όλων των σωμάτων στην ισορροπία, καθώς και η τιμή της σταθεράς Κ c στους θ ο C. Πως επηρεάζεται η τιμή της σταθεράς Κ c με την αύξηση της θερμοκρασίας; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Η ποσότητα της NH 3 που έχει παραχθεί στην παραπάνω ισορροπία διαλύεται σε νερό και προκύπτει διάλυμα Α ό- γκου 5 L. Σε 4 L του διαλύματος Α διαβιβάζουμε 3,36 L αερίου Cl (σε STP), οπότε διεξάγεται η αντίδραση, που περιγράφεται από την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): ΝΗ 3 + Cl N + NH 4 Cl i. Nα εξηγήσετε αν η παραπάνω αντίδραση είναι οξειδοαναγωγική ή όχι και να συμπληρώσετε τους συντελεστές. ii. Ποιος ο όγκος του παραγόμενου αερίου προϊόντος (σε STP) από την αντίδραση αυτή; Το πυκνό διάλυμα H SO 4 αντιδρά με ΚΒr και προκύπτουν SO, Br, K SO 4 και νερό. α) Να γράψετε τη χημική εξίσωση της αντίδρασης με τους κατάλληλους συντελεστές και να σημειώσετε ποιο στοιχείο οξειδώνεται και ποιο στοιχείο ανάγεται. β) Να υπολογίσετε τη μάζα του ΚΒr που πρέπει να αντιδράσει, ώστε να προκύψουν 64 g Br σύμφωνα με την παραπάνω αντίδραση. γ) Η ποσότητα του Br (64 g) εισάγεται με ισομοριακή ποσότητα H σε δοχείο σταθερού όγκου, σε περιβάλλον θερμοκρασίας Τ 1. Με την πάροδο του χρόνου αποκαθίσταται η ισορροπία, H (g) + Br (g) ΗΒr(g), ΔΗ < 0, για την οποία ισχύει: K c (Τ 1 ) = 36. Να υπολογιστούν τα mol και των τριών συστατικών στην ισορροπία. δ) Αυξάνουμε τη θερμοκρασία στο δοχείο σε Τ > Τ 1. i. Nα εξηγήσετε αν η ποσότητα του HBr θα μεταβληθεί και πως. ii. Αν στη νέα θερμοκρασία, K c (Τ ) = 4, να υπολογίσετε τις ποσότητες (σε mol) των τριών αερίων στη νέα ισορροπία ,5 mol Cu αντιδρούν πλήρως με διάλυμα ΗΝΟ 3, σύμφωνα με την αντίδραση (χωρίς συντελεστές): Cu + ΗΝΟ 3 Cu(NO 3 ) + NO + Η Ο α) i. Να χαρακτηρίσετε την παραπάνω αντίδραση ως οξειδοαναγωγική ή μεταθετική και να την αντιγράψετε συμπληρωμένη με τους κατάλληλους συντελεστές. ii. Nα υπολογίσετε τον όγκο του παραγομένου ΝΟ(g) σε STP. β) 0,5 mol NO(g) εισάγονται σε δοχείο όγκου V = 10 L, οπότε μετά από χρόνο t = 100 s αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: ΝΟ(g) N (g) + O (g), ΔΗ < 0, στην οποία προσδιορίστηκαν 0,1 mol NO(g). Nα υπολογιστούν: i. H σταθερά ισορροπίας K c και η απόδοση της αντίδρασης. ii. H μέση ταχύτητα της αντίδρασης από την έναρξή της (t = 0) μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας (t = 100 s). γ) Πως θα επηρεαστεί η [Ν (g)] στην ισορροπία, αν: i. Αυξηθεί ο όγκος του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία. ii. Αν μειωθεί η θερμοκρασία, υπό σταθερό όγκο. δ) Στην κατάσταση της αρχικής χημικής ισορροπίας προσθέτουμε λ mol O (g) επιπλέον, υπό σταθερό όγκο και υπό 98 σταθερή θερμοκρασία και στη νέα ισορροπία προσδιορίστηκαν 0,1 mol N (g). Να υπολογίσετε την τιμή του λ Σε δοχείο σταθερού όγκου 0,1 L εισάγονται 0,4 mol COCl, οπότε πραγματοποιείται η διάσπαση του COCl, σύμφωνα με την εξίσωση: COCl (g) CO(g) + Cl (g). α) Αν στην ισορροπία εμφανίζεται ισομοριακό μίγμα των 3 αερίων, να προσδιοριστεί η απόδοση της διάσπασης καθώς και η τιμή της σταθεράς (K c ) της ισορροπίας. β) Πόσα mol COCl (g), πρέπει να προσθέσουμε επιπλέον στην παραπάνω χημική ισορροπία, υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε στη νέα ισορροπία να υπάρχουν 0,3 mol CO; γ) Η ποσότητα CO που σχηματίστηκε στην αρχική ισορροπία διοχετεύεται σε 100 ml διαλύματος KMnO 4 1 M, παρουσία H SO 4. Να προσδιορίσετε αν αποχρωματίζεται ή όχι το διάλυμα ΚΜnO 4. δ) Η ποσότητα του CO που παράγεται στην παραπάνω αντίδραση αναμειγνύεται με ισομοριακή ποσότητα C(s) σε δοχείο όγκου 8 L. Το σύστημα θερμαίνεται στους 1000 Κ και αποκαθίσταται η ισορροπία: CO(g) C(s) + CO (g). Αν η πίεση στο δοχείο μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας είναι 0,3 atm, να προσδιοριστεί η τιμή της σταθεράς της χημικής ισορροπίας (K c ). R = 0,08 L atm (mol K) Ποσότητα ΚCl αντιδρά πλήρως με 500 ml διαλύματος K Cr O 7 οξινισμένου με H SO 4, σύμφωνα με την εξίσωση (χωρίς συντελεστές): ΚCl + K Cr O 7 + H SO 4 Cl + A + B + H O α) Nα συμπληρώσετε την εξίσωση με τα σώματα που λείπουν καθώς και με τους κατάλληλους συντελεστές. β) Στην παραπάνω αντίδραση προκύπτουν 6,7 L αερίου Cl σε STP. Να υπολογίσετε την συγκέντρωση του διαλύματος K Cr O 7. γ) Η παραγόμενη ποσότητα του Cl από την παραπάνω ισορροπία (6,7 L, σε STP) διαβιβάζεται μαζί με ισομοριακή ποσότητα Η σε δοχείο όγκου 1 L, οπότε αποκαθίσταται η ισορροπία: Η (g) + Cl (g) ΗCl(g), για την οποία ισχύει Κ c = 0,5 στους θ 1ο C. Να υπολογίσετε την α- πόδοση της παραπάνω αντίδρασης. δ) Το μείγμα ισορροπίας θερμαίνεται σε θερμοκρασία θ ο C (θ > θ 1 ), οπότε την χρονική στιγμή t αποκαθίσταται νέα χημική ισορροπία στην οποία η ποσότητα του HCl είναι 0,1 mol. Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς (Κ c ) της ισορροπίας στους θ ο C και να εξηγήσετε αν η αντίδραση με κατεύθυνση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. ΜΙΑ ΕΙΔΙΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Σε δοχείο όγκου 1 L εισάγονται 0, mol PCl 5 και 0, mol COCl. Με θέρμανση του μίγματος στους θ ο C, αποκαθίστανται οι ισορροπίες (1) και () που ακολουθούν. PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g), K c1 = 0,15 (1) COCl (g) CO(g) + Cl (g) () Αν μετά την αποκατάσταση και των δύο ισορροπιών η συγκέντρωση του Cl είναι ίση με 0,15 Μ, να υπολογίσετε: α) Το ποσοστό διάσπασης του COCl. β) Τη σταθερά K c της ισορροπίας ().

109 ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 5 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-4, να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. 1. Δίνεται η ισορροπία: CO (g ) + C(s) CO(g). H σωστή έκφραση για τη σταθερά ισορροπίας (K c ) είναι: Α) K c = [CO] / [CO ] B) K c = [CO] / [CO ] [C] Γ) K c = [CO ] [C] / [CO] Δ) K c = [CO] / [CO ] ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016. Δίνονται οι εξής ισορροπίες: 1 N O 4 (g) NO (g) Κ c1 = x 1 N (g) + O (g) NO (g) Κ c = y Για την ισορροπία, N (g) + O (g) N O 4 (g), η τιμή της σταθεράς ισορροπίας της (K c ) δίνεται από την έκφραση: Α) K c = y/x Β) K c = y /x Γ) K c = x /y Δ) K c = x/y 3. Δείγμα 60 g CaCO 3 (s) εισάγεται σε κενό δοχείο όγκου 1 L, θερμαίνεται σε θερμοκρασία Τ = 950 K και αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: CaCO 3 (s) CaO(s) + CO (g) Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας η πίεση στο δοχείο είναι ίση με 0,04 atm. Αν στο ίδιο δοχείο είχαν εισαχθεί αρχικά 10 g CaCO 3, ποια θα ήταν η πίεση στο δοχείο, στην ίδια θερμοκρασία; A) 0,0 atm P < 0,04 atm B) P = 0,04 atm Γ) 0,04 atm < P < 0,08 atm Δ) P = 0,08 atm Να υποθέσετε ότι τα στερεά σώματα καταλαμβάνουν αμελητέο όγκο. 4. Για την ισορροπία, NO(g) N (g) + O (g), ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν δεν είναι σωστή; A) Στην ισορροπία, η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά είναι ίση με την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά. B) Μέχρι την αποκατάσταση της ισορροπίας οι ποσότητες των αντιδρώντων και των προϊόντων μεταβάλλονται, ενώ μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας μένουν σταθερές Γ) Η μείωση του όγκου του συστήματος, υπό σταθερή θερμοκρασία, δεν έχει επίπτωση στη θέση της ισορροπίας Δ) Οι ποσότητες των 3 σωμάτων της ισορροπίας εξαρτάται από τις αρχικές ποσότητες E) Ο λόγος [N ] [O ] / [NO] στην ισορροπία είναι ο ίδιος, ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία 5. Σε δοχείο θερμοκρασίας θ o C έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g), ΔΗ < 0. Τι θα συμβεί στην ποσότητα της NH 3 και στην K c της αντίδρασης: α) Όταν αυξηθεί η θερμοκρασία στο δοχείο. β) Όταν αυξηθεί ο όγκος του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Σε δοχείο βρίσκονται σε ισορροπία 0,4 mol CO, 1 mol H, 0,5 mol CO και 0, mol υδρατμών (H O), σύμφωνα με την εξίσωση: CO (g) + H (g) CO(g) + H O(g). α) Να υπολογισθεί η σταθερά ισορροπίας K c. β) Να υπολογισθούν τα mol των υδρατμών που πρέπει να προστεθούν στο δοχείο, ώστε στη νέα χημική ισορροπία, τα mol του CO να είναι διπλάσια από τα mol του CO. 99

110 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 7. Η αμμωνία (ΝΗ 3 ) παρασκευάζεται σύμφωνα με την αμφίδρομη αντίδραση που περιγράφεται από τη χημική εξίσωση: Ν (g) + 3H (g) NH 3 (g) Σε δοχείο όγκου 8 L, σε θερμοκρασία θ 1, εισάγονται 5 mol Ν και 11 mol H. Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας διαπιστώνεται ότι η ποσότητα της αμμωνίας είναι mol. α) Να υπολογίσετε την απόδοση (με μορφή κλασματικού αριθμού) της αντίδρασης σύνθεσης της αμμωνίας. β) Να υπολογίσετε την σταθερά χημικής ισορροπίας K c της αντίδρασης σύνθεσης της αμμωνίας στη θερμοκρασία θ 1. γ) Αν η θερμοκρασία του μίγματος ισορροπίας γίνει θ, όπου θ > θ 1, τότε τα συνολικά mol του μίγματος ισορροπίας γίνονται 15. Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση σχηματισμού της αμμωνίας ως ενδόθερμη ή εξώθερμη. Να αιτιολογήσετε την απάντηση σας. ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ

111 ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΟ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ (1) Θέμα Α Για τις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α1 - Α5 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. Α1. Ο ΑΟ του οξυγόνου στις ενώσεις Η CO 3, H O, OF είναι, αντίστοιχα: Α), + και + Β), +1 και +1 Γ), 1 και + Δ) +, 1 και Α. Στις εξώθερμες αντιδράσεις ισχύει: Α) Η προϊόντων < 0 Β) ΔΗ > 0 Γ) Η προϊόντων < Η αντιδρώντων Δ) Η αντιδρώντων = Η προϊόντων Α3. Ισομοριακές ποσότητες N (g) και H (g) αντιδρούν σε δοχείο σταθερού όγκου V, σύμφωνα με την εξίσωση: N (g) + 3H (g) NH 3(g). Ποια από τις παρακάτω σχέσεις ισχύει σε κάθε χρονική στιγμή διεξαγωγής της αντίδρασης: Α) [N ] = [H ] = [NH 3] Β) [N ] [H ] Γ) [N ] [H ] Δ) [H ] > [NH 3] > [N ] Α4. Η σταθερά K c μιας χημικής ισορροπίας: Α) μεταβάλλεται με μεταβολή της πίεσης Β) μεταβάλλεται με μεταβολή του όγκου του δοχείου Γ) μεταβάλλεται με μεταβολή των συγκεντρώσεων Δ) μεταβάλλεται με μεταβολή της θερμοκρασίας Ε) έχει σταθερή τιμή και επομένως δεν μεταβάλλεται Α5. Nα χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Δεν απαιτείται αιτιολόγηση. α) Στην αιθανάλη (CH 3CH=O), o αριθμός οξείδωσης του ατόμου C της ομάδας CH=O είναι ίσος με +. β) Η ισορροπία, Fe 3O 4(s) + 4Η (g) 3Fe(s) + 4Η O(g), είναι ετερογενής. γ) Σε κάθε εξώθερμη αντίδραση ισχύει ΔΗ < 0. δ) Κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης ενός προϊόντος μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. ε) Αν σε μία αμφίδρομη αντίδραση, η αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη, τότε προς τα αριστερά θα είναι ενδόθερμη. Θέμα Β Β1. Να συμπληρωθούν οι παρακάτω αντιδράσεις οξειδοαναγωγής με τα προϊόντα και τους συντελεστές. α) K Cr O 7 + CO + HCl β) KMnO 4 + FeSO 4 + H SO 4 γ) NH 3 + CuO 101

112 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Β. Για την αντίδραση που περιγράφεται από την εξίσωση: NO (g) NO(g) + O (g), ισχύουν: ΔΗ = 115 kj και E a = 64 kj. α) Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση ως εξώθερμη ή ενδόθερμη. β) Να κατασκευάσετε το ενεργειακό διάγραμμα της αντίδρασης σαν συνάρτηση της πορείας της αντίδρασης και να σημειώσετε στο διάγραμμα αυτό με κατάλληλα βέλη την ενθαλπία της αντίδρασης και την ενέργεια ενεργοποίησης. γ) Ποια η τιμή της ενθαλπίας και ποια η τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης για την αντίστροφη αντίδραση, NO(g) + O (g) NO (g); δ) Ποιος ο ορισμός της μέσης ταχύτητας για την αντίδραση, NO (g) NO(g) + O (g); Β3. Για την ισορροπία, CO(g) + O (g) CO (g), ισχύει: K c = 5, στους θ ο C. Να υπολογιστούν οι τιμές των σταθερών, Κ c1 και K c, για τις παρακάτω ισορροπίες, στους θ ο C. CO (g) CO(g) + O (g), Κ c1 CO (g) CO(g) + ½O (g), Κ c Θέμα Γ Γ1. Στερεό μείγμα αποτελείται από δύο συστατικά, το FeCl και το FeCl 3. Βρέθηκε ότι ποσότητα του μείγματος μάζας 4,5 g αποχρωματίζει το πολύ 0 ml διαλύματος KMnO 4 0,1 M, οξινισμένου με HCl. Ποια η μάζα καθενός συστατικού στο μείγμα των 4,5 g; Σχετικές ατομικές μάζες, Fe:56, Cl:35,5. Γ. Στo διάγραμμα που ακολουθεί εμφανίζονται οι καμπύλες αντίδρασης για όλα τα αντιδρώντα και τα προϊόντα της αντίδρασης: Α(g) + Β(g) xγ(g) + Δ(g) α). i. Nα προσδιορίσετε την τιμή του x (συντελεστής του προϊόντος Γ). ii. Να κατασκευάσετε τον πίνακα με τις αρχικές ποσότητες, τις ποσότητες που αντιδρούν και τις τελικές ποσότητες (o όγκος του δοχείου της αντίδρασης είναι V = 1 L). β) Να υπολογίσετε το μέσο ρυθμό μεταβολής των συγκεντρώσεων όλων των σωμάτων, καθώς και τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t 0 = 0 μέχρι t v = 10 s. γ) Τη χρονική στιγμή t 1 = 1 s η ποσότητα του συστατικού Β στο δοχείο αντίδρασης βρέθηκε ίση με 0,3 mol. Ποια η μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t o = 0 t 1 = 1 s; 0,6 c (M) 0, I IV t (s) II III 10s Θέμα Δ Σε δοχείο όγκου 50 L εισάγονται α mol N και β mol H, οπότε στους θ ο 1 C αποκαθίσταται η χημική ισορροπία: Ν (g) + 3H (g) NH 3(g), στην οποία οι ποσότητες και των 3 συστατικών είναι όλες από 5 mol η καθεμία. α) Να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης καθώς και η σταθερά ισορροπίας K c στους θ 1ο C. Μεταβάλλουμε τον όγκο του δοχείου διατηρώντας σταθερή τη θερμοκρασία, οπότε στη νέα χημική ισορροπία βρέθηκαν 7 mol NH 3. β) Ποιος ο όγκος του δοχείου στην περίπτωση αυτή;. γ) Σε άλλο δοχείο όγκου 6 L εισάγουμε 6,5 mol N και,5 mol H σε θερμοκρασία θ < θ 1 Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας βρέθηκε 1 mol NH 3. i. Nα υπολογίσετε τη σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης στους θ ο C. ii. Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση σύνθεσης της ΝΗ 3 ως εξώθερμη ή ενδόθερμη. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. 10

113 ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ Θέμα Ε (προαιρετικό) 18 g CH 3COOH και 13,8 g CH 3CH OH φέρονται προς αντίδραση, σύμφωνα με την εξίσωση: CH 3COOH(l) + CH 3CH OH(l) CH 3COΟCH CH 3(l) + H O(l), Κ c = 4 α) Να υπολογιστεί η απόδοση της αντίδρασης. β) Πόσα g CH 3COOH πρέπει να προστεθούν επιπλέον στο δοχείο της παραπάνω ισορροπίας, ώστε να σχηματιστούν συνολικά 0,5 mol εστέρα; γ) 0, mol CH 3COOH και x mol CH 3CH OH φέρονται προς αντίδραση σε άλλο δοχείο και αποκαθίσταται η παραπάνω χημική ισορροπία στην οποία σχηματίζεται εστέρας με απόδοση 80%. Ποια η τιμή του x; Σχετικές ατομικές μάζες, C:1, H:1, O:

114 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΟ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ () Θέμα Α Για τις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α1 Α4 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. Α1. Κατά την αντίδραση: 3CuO + NH 3 3Cu + N + 3H O: Α) τo N ανάγεται από +3 σε 0 Β) ο χαλκός λειτουργεί ως αναγωγικό μέσο Γ) η αμμωνία λειτουργεί ως αναγωγικό μέσο Δ) ο χαλκός οξειδώνεται Α. Η ουσία R μπορεί να σχηματίσει δύο προϊόντα, το Ρ 1 και το Ρ, σύμφωνα με τις εξισώσεις: R P 1 και R P, αντίστοιχα. Τα ενεργειακά διαγράμματα των δύο αντιδράσεων φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί. Ε P1 R P πορεία αντίδρασης Για τις δύο αυτές αντιδράσεις, ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή; Α) Η αντίδραση R P 1 είναι λιγότερο εξώθερμη από την αντίδραση R P Β) Αν ΔΗ 1 η ενθαλπία της αντίδρασης R P 1 και ΔΗ η ενθαλπία της αντίδρασης R P θα ισχύει: ΔΗ 1 < ΔΗ Γ) Η αντίδραση R P 1 έχει μεγαλύτερη ενέργεια ενεργοποίησης από την αντίδραση R P Δ) Η αντίδραση R P 1 έχει μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης από την αντίδραση R P Α3. Αν ο ρυθμός σχηματισμού του Ο 3(g) σύμφωνα με την αντίδραση, 3Ο(g) O3(g) είναι ίσος με 4, mol L 1 s 1, τότε ο ρυθμός κατανάλωσης του Ο (g) στην ίδια αντίδραση θα είναι ίσος με: Α) 1, mol L 1 s Β), mol L 1 s Γ) 4, mol L 1 s Δ) 6, mol L 1 s Α4. Σε κενό δοχείο εισάγεται ποσότητα ένωσης Α(g). To δοχείο θερμαίνεται σε κατάλληλη θερμοκρασία, οπότε η Α(g) διασπάται προς το προϊόν Β(g). Το διάγραμμα που ακολουθεί παριστάνει τις καμπύλες αντίδρασης των ενώσεων Α και Β σε συνάρτηση με το χρόνο. 0, Μ t (s) Η χημική εξίσωση της αντίδρασης που πραγματοποιήθηκε είναι: Α) Α Β Β) Α Β Γ) Α Β Δ) Β Α 104

115 c (M) ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ Α5. Nα χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Δεν απαιτείται αιτιολόγηση. α) Σε μία οξειδοαναγωγική αντίδραση η συνολική μεταβολή του ΑΟ του στοιχείου που ο- ξειδώνεται είναι ίση με τη συνολική μεταβολή του ΑΟ του στοιχείου που ανάγεται. β) Στην αντίδραση, Η (g) + Cl (g) HCl(g), ΔΗ = 184 kj, η ενθαλπία των προϊόντων είναι μικρότερη από την ενθαλπία των αντιδρώντων. γ) Στο τέλος μιας μονόδρομης αντίδρασης που διεξάγεται σε κλειστό δοχείο, εμφανίζονται αποκλειστικά και μόνο τα προϊόντα της. δ) Αν σε ένα δοχείο στο οποίο έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία: 3Fe(s) + 4H O(g) Fe 3O 4(s) + 4H (g), αυξήσουμε τον όγκο του δοχείου, η συγκέντρωση του Η θα μειωθεί. ε) Αν σε ένα κλειστό δοχείο σταθερού όγκου που έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία, Ν (g) + 3Η (g) ΝΗ 3(g), εισάγουμε μία ποσότητα ευγενούς αερίου υπό σταθερή θερμοκρασία, η χημική ισορροπία δε μεταβάλλεται ενώ η ολική πίεση των αερίων αυξάνεται. Θέμα Β Β1. Να αντιγράψετε τις παρακάτω οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις συμπληρωμένες με τα σώματα που λείπουν (έχουν αντικατασταθεί με γράμματα) καθώς και με τους κατάλληλους συντελεστές (μικρότεροι δυνατοί ακέραιοι αριθμοί). α) Cu + HNO 3 Cu(NO 3) + NO + A β) Κ Cr O 7 + FeCl + HCl B + Γ + Δ + Α Β. Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου πραγματοποιείται, υπό σταθερή θερμοκρασία, η μονόδρομη αντίδραση: A(g) + B(g) 3Γ(g) + Δ(g) Οι καμπύλες αντίδρασης που ακολουθούν α- ντιστοιχούν σε δύο από τα 4 συστατικά της. α) Σε ποια συστατικά της αντίδρασης αναφέρονται οι καμπύλες (1) και (); Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. 0,6 c (M) β) Ποιες είναι οι τελικές συγκεντρώσεις των άλλων δύο συστατικών της αντίδρασης; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. γ) Να εξηγήσετε αν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης η πίεση στο δοχείο αυξάνεται, μειώνεται ή μένει σταθερή. Β3. Σε δοχείο σταθερού όγκου έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: Α(g) + B(g) Γ(g) I Tη χρονική στιγμή t 1 μεταβάλλουμε έναν από τους συντελεστές της ισορροπίας. Στο σχήμα που ακολουθεί εμφανίζονται οι καμπύλες IΙ αντίδρασης των τριών συστατικών μέχρι τη χρονική στιγμή t, οπότε και αποκαθίσταται εκ νέου χημική ισορροπία. IΙΙ α) Να αντιστοιχήσετε τις καμπύλες Ι, ΙΙ και ΙΙΙ με τα σώματα που συμμετέχουν στην ι- σορροπία. t1 t β) Ποιος ο παράγοντας της χημικής ισορροπίας που μεταβλήθηκε τη χρονική στιγμή t 1 και πως; Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. 0,3 0 I II t (s) 105

116 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Θέμα Γ Γ1. Σε κενό και κλειστό δοχείο όγκου V = 10 L εισάγονται 8 mol ΝΟ(g) και 5 mol Η (g) οπότε, υπό σταθερή θερμοκρασία Τ, πραγματοποιείται η αντίδραση: ΝΟ(g) + Η (g) Ν (g) + Η Ο(g) H μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t = 0 μέχρι τη χρονική στιγμή t 1 = 10 s βρέθηκε ίση με 0,01 Μ s 1. α) Nα υπολογίσετε τη συγκέντρωση κάθε αερίου που υπάρχει στο δοχείο τη χρονική στιγμή t 1 καθώς και τους ρυθμούς μεταβολής των συγκεντρώσεων κάθε αερίου το χρονικό διάστημα από t = 0 μέχρι t = 10 s. β) Να εξηγήσετε αν τη χρονική στιγμή t 1 η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί ή όχι. γ) Μία επόμενη χρονική στιγμή t > t 1 η συγκέντρωση του Ν βρέθηκε ίση με 0,5 Μ. Να εξετάσετε αν η αντίδραση τη χρονική στιγμή t έχει ολοκληρωθεί ή όχι. Ποια η (στιγμιαία) ταχύτητα της αντίδρασης τη χρονική στιγμή t ; Γ. Ποσότητα μεταλλικού σιδήρου διαλύεται πλήρως σε περίσσεια διαλύματος HCl και παράγει 1,1 L Η, μετρημένα σε STP, καθώς και διάλυμα FeCl όγκου 500 ml. Σε 50 ml στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε κατά σταγόνες διάλυμα KMnO 4 και παρατηρούμε ελαφρά έγχρωμη απόχρωση με την προσθήκη ακριβώς 0 ml του διαλύματος KMnO 4. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση του διαλύματος του KMnO 4. Θέμα Δ Σχετικά με την αμφίδρομη αντίδραση, Α(g) + B(g) Γ(g), πραγματοποιούνται τα πειράματα 1-4 που ακολουθούν. Πείραμα 1: Σε δοχείο όγκου V = L εισάγονται α mol A(g) και β mol B(g) και αποκαθίσταται η χημική ισορροπία στους θ ο C. Οι συγκεντρώσεις των τριών σωμάτων στην ισορροπία είναι: [Α] = [Β] = 1 Μ και [Γ] = Μ. Δ1. Να προσδιοριστούν: i. Oι αρχικές ποσότητες α mol και β mol, ii. η τιμή της σταθεράς Κ c της ισορροπίας στους θ ο C και iii. η απόδοση της αντίδρασης (με τη μορφή κλασματικού αριθμού). Πείραμα : Σε ένα άλλο κενό δοχείο L εισάγονται γ mol Γ(g) και αποκαθίσταται η παραπάνω ισορροπία, στους θ ο C, στην οποία προσδιορίστηκαν mol A(g). Δ. Nα υπολογιστεί η τιμή του γ. Πείραμα 3: Στη χημική ισορροπία του πειράματος μεταβάλλουμε τον όγκο του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία θ ο C και στη νέα χημική ισορροπία προσδιορίστηκαν 3 mol A(g). Δ3. Να υπολογιστεί ο νέος όγκος του δοχείου. Πείραμα 4: Στην ισορροπία του πειράματος αυξάνουμε τη θερμοκρασία, υπό σταθερό όγκο V = L και στη νέα χημική ισορροπία προσδιορίστηκε ότι: [Γ] = 3 Μ. Δ4. i. Να εξηγήσετε αν η αντίδραση προς τα δεξιά είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη. ii. Nα υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς Κ c της ισορροπίας στη νέα θερμοκρασία (με τη μορφή κλασματικού αριθμού). 106

117 ΜΕΡΟΣ Β (Κεφάλαιο 5 Σχολικού) Οξέα, Βάσεις και Ιοντική Ισορροπία

118

119 6 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Υδατικά διαλύματα ιοντικών και ομοιοπολικών ενώσεων Η πολικότητα των μορίων του νερού αλλά και η ικανότητά τους να συνδέονται διαμοριακά με τους λεγόμενους δεσμούς υδρογόνου έχει ως αποτέλεσμα την υψηλή τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς του (ε = 80, στους 0 C). Κάποιες ενώσεις διαλύονται σε σημαντικές ποσότητες στο νερό και χαρακτηρίζονται ως ευδιάλυτες, ενώ κάποιες άλλες διαλύονται λίγο και χαρακτηρίζονται ως δυσδιάλυτες. Τα υδατικά διαλύματα είναι αυτά στα οποία ο διαλύτης είναι το νερό (Η Ο) και η διαλυμένη ουσία κάποια ιοντική ή ομοιοπολική ουσία. Τα διαλύματα αυτά είναι και τα πιο σημαντικά λόγω της αφθονίας του νερού στη φύση αλλά και λόγω των ξεχωριστών ι- διοτήτων του νερού σε σχέση με όλους τους άλλους υγρούς διαλύτες. Λόγω της μεγάλης διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας του Ο και του Η, στο μόριο του νερού σχηματίζονται δύο πολωμένοι ομοιοπολικοί δεσμοί του τύπου δ Ο Η δ+. Οι δύο αυτοί δεσμοί σχηματίζουν γωνία 105 ο με αποτέλεσμα το μόριο του νερού να εμφανίζεται πολικό, με το άτομο του Ο να φέρει αρνητικό φορτίο και τα δύο άτομα Η ισοδύναμο θετικό φορτίο. Εξαιτίας της μεγάλης του πολικότητας, το νερό είναι πολύ καλός διαλύτης για μία μεγάλη ποικιλία χημικών ενώσεων, ιοντικών ή ομοιοπολικών. Σε στερεή φάση οι ιοντικές ενώσεις σχηματίζουν μία τρισδιάστατη επαναλαμβανόμενη διάταξη ανιόντων και κατιόντων που χαρακτηρίζεται ως κρυσταλλικό πλέγμα και σταθεροποιείται με τις ελκτικές αλληλεπιδράσεις Coulomb μεταξύ των ετερώνυμων φορτίων. Οι ιοντικές ενώσεις αποτελούνται από ιοντικούς κρυστάλλους στο πλέγμα των οποίων τα ιόντα καταλαμβάνουν αυστηρά καθορισμένες θέσεις. Οι ιοντικές διαλύονται εύκολα σε πολικούς διαλύτες όπως το νερό παρέχοντας ιοντικά διαλύματα. Σχήμα 1: Μοντέλο κρυσταλλικού πλέγματος στο χλωριούχο νάτριο. Με τη διάλυση του στερεού στο νερό τα ιόντα που αποτελούν μέρος του κρυσταλλικού πλέγματος ελευθερώνονται στο διάλυμα και γίνονται μέρος της υδατικής φάσης. Ο τρόπος (μηχανισμός) της διάλυσης των ιοντικών ενώσεων είναι ο εξής: 107

120 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Με τη προσθήκη νερού σε μία ιοντική ουσία, τα πολικά μόρια του νερού ασκούν ελκτικές δυνάμεις στα ιόντα της επιφανείας του κρυστάλλου, ενώ παράλληλα η μεγάλη διηλεκτρική σταθερά του νερού έχει ως αποτέλεσμα την εξασθένιση των ελκτικών δυνάμεων που σταθεροποιούν το κρυσταλλικό πλέγμα. Έτσι, τα ιόντα αποσπώνται από το κρυσταλλικό πλέγμα που τελικά «καταρρέει», καθώς τα ιόντα γίνονται μέρος της υδατικής φάσης. Το φαινόμενο αυτό που απαντάται στις ιοντικές ενώσεις ονομάζεται διάσταση. Ηλεκτρολυτική διάσταση (ή απλά διάσταση) στις ιοντικές ενώσεις είναι η απομάκρυνση των ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος. Γενικά, διάσταση παθαίνουν οι ιοντικές ενώσεις, όπως τα άλατα και τα υδροξείδια των μετάλλων. Η επίδραση του νερού στις ιοντικές ενώσεις συνεχίζεται και μετά τη διάστασή τους. Έ- τσι, στην υδατική φάση τα ιόντα έλκουν τα δίπολα μόρια του νερού (είτε μέσω του ατόμου του Ο, αν πρόκειται για κατιόντα, είτε μέσω των ατόμων Η, αν πρόκειται για ανιόντα). Περιβάλλονται, έτσι, από αριθμό κατάλληλα προσανατολισμένων μορίων νερού με τα οποία συνδέονται με ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Το φαινόμενο αυτό χαρακτηρίζεται ως εφυδάτωση των ιόντων. Ο αριθμός των μορίων ΗΟ ανά ιόν, δηλαδή ο αριθμός εφυδάτωσής του, δεν είναι σταθερός και εξαρτάται από το μέγεθος και το φορτίο του ιόντος. Σχήμα : Εφυδατωμένα ιόντα Νa + και Cl. Για παράδειγμα η διάσταση του NaCl στα υδατικά του διαλύματα συμβολίζεται ως εξής: ή πιο απλά: ΝaCl(s) Na + (aq) + Cl (aq) Στις ιοντικές ενώσεις η διάσταση είναι πλήρης καθώς η ιοντική ένωση βρίσκεται αποκλειστικά με τη μορφή των ιόντων της. Πολλές ομοιοπολικές ενώσεις είναι πρακτικά αδιάλυτες στο νερό ενώ άλλες διαλύονται περισσότερο ή λιγότερο στο νερό. Από τις ομοιοπολικές ενώσεις, άλλες σχηματίζουν μοριακά διαλύματα καθώς σε αυτά η διαλυμένη ουσία βρίσκεται με τη μορφή των μορίων και άλλες σχηματίζουν ιοντικά διαλύματα στα οποία τα μόρια της διαλυμένης ουσίας αντιδρούν με μόρια νερού παράγοντας ιόντα. Έτσι, με τη διάλυση του HCl στο νερό τα μόριά του μετατρέπονται πλήρως στα ιόντα H 3 O + και Cl. To φαινόμενο αυτό λέγεται ιοντισμός. 108 Ένα διάλυμα ζάχαρης είναι ένα μοριακό διάλυμα στο οποίο τα μόρια της ζάχαρης (C1HO11) δεν παθαίνουν με τη διάλυση πρακτικά καμία μεταβολή. Οι ομοιοπολικές ενώσεις αποτελούνται από μόρια και συχνά είναι δυσδιάλυτες στο νερό.

121 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY Ιοντισμός μιας ομοιοπολικής ένωσης είναι η αντίδραση των μορίων της ένωσης με τα μόρια του διαλύτη (π.χ. του νερού) προς σχηματισμό ιόντων. Σε αντίθεση με τη διάσταση που θεωρείται πλήρης, ο ιοντισμός μπορεί να είναι πλήρης ή μερικός. Στην πρώτη περίπτωση τα μόρια της ομοιοπολικής ουσίας μετατρέπονται πλήρως σε ιόντα, ενώ στη δεύτερη περίπτωση η μετατροπή σε ιόντα δεν είναι πλήρης, καθώς συνυπάρχουν και μόρια της ένωσης που δεν έχουν ιοντιστεί. Ιοντισμό παθαίνουν π.χ. τα οξέα που είναι ομοιοπολικές ενώσεις. Οι ουσίες που δημιουργούν ιοντικά υδατικά διαλύματα, είτε με διάσταση είτε με ιοντισμό, χαρακτηρίζονται ως ηλεκτρολύτες, καθώς έχουν την ικανότητα να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ηλεκτρολύτες χαρακτηρίζονται ως ισχυροί ή ασθενείς, ανάλογα με το αν η μετατροπή τους σε ιόντα είναι πλήρης ή όχι. Αντίθετα, οι ουσίες που δημιουργούν μοριακά υδατικά διαλύματα, δεν δημιουργούν ιόντα και άρα δεν άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα και χαρακτηρίζονται ως μη ηλεκτρολύτες.. Θεωρία της ηλεκτρολυτικής διάστασης του Arrhenius Ο Arrhenius έφθασε στο συμπέρασμα ότι σε πολλές περιπτώσεις τα ιόντα από ένα στερεό ηλεκτρολύτη προϋπάρχουν στη στερεή φάση και ότι με τη διάλυση στο νερό διαχωρίζονται μεταξύ τους και γίνονται μέρος της υδατικής φάσης. Σε άλλες περιπτώσεις τα ιόντα δεν προϋπάρχουν, αλλά σχηματίζονται με τη διάλυση της ουσίας στο νερό. Σε καμία περίπτωση πάντως η διέλευση του ρεύματος δεν δημιουργεί τα ιόντα. Κάποια άλατα, όπως ο HgCl ιοντίζονται ασθενώς, κατά κανόνα όμως τα άλατα είναι ισχυροί ηλεκτρολύτες. Ο Arrhenius διατύπωσε τη θεωρία του περί ηλεκτρολυτών το Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, οι ηλεκτρολύτες κατά τη διάλυσή τους στο νερό μετατρέπονται πλήρως ή μερικά σε ιόντα στα οποία οφείλεται και η αγωγιμότητα των διαλυμάτων τους. Η θεωρία αυτή ορίζει τον όξινο ή το βασικό χαρακτήρα μίας ένωσης στα υδατικά της διαλύματα ως εξής: Οξέα είναι οι υδρογονούχες ενώσεις που όταν διαλυθούν στο νερό παρέχουν Η + (υδρογονοκατιόντα ή πρωτόνια). Π.χ.: HCl(g) H + (aq) + Cl (aq) Βάσεις είναι οι ενώσεις που όταν διαλυθούν στο νερό παρέχουν ανιόντα υδροξειδίου, ΟΗ. Π.χ.: NaOH(s) Na + (aq) + OH (aq) Τα άλατα είναι επίσης ηλεκτρολύτες, οι οποίοι στα υδατικά τους διαλύματα βρίσκονται με τη μορφή ιόντων, κατιόντων και ανιόντων, δεν παρέχουν όμως ούτε Η + ούτε ΟΗ : CaCl (s) Ca + (aq) + Cl (aq) Johannes Brönsted: , Δανός φυσικοχημικός, καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. Η θεωρία του Arrhenius περί οξέων και βάσεων ισχύει στα υδατικά διαλύματα και δεν λαμβάνει υπόψη το ρόλο του διαλύτη, αν και ο διαλύτης παίζει σημαντικό ρόλο για την εμφάνιση του όξινου ή του βασικού χαρακτήρα μιας ένωσης. Π.χ. το HCl ιοντίζεται πλήρως σε υδατικά διαλύματα, αλλά σε βενζόλιο (C 6 H 6 ) δεν ιοντίζεται καθόλου. Η θεωρία του Arrhenius αποκλείει από την ταξινόμηση ως βάσεις μία σειρά ενώσεις που διαθέτουν βασικές ιδιότητες χωρίς όμως να περιέχουν ιόντα ΟΗ στο μόριό τους. Επίσης, η θεωρία αυτή δεν μπορεί να εξηγήσει τον όξινο ή βασικό χαρακτήρα ορισμένων αλάτων (π.χ. το βασικό χαρακτήρα του CH 3 COONa, τον όξινο χαρακτήρα του NH 4 Cl κτλ.). 109

122 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Για τους παραπάνω λόγους έχουν προταθεί μεταγενέστερες και γενικότερες θεωρίες περί οξέων και βάσεων, σπουδαιότερες από τις οποίες είναι: α) η θεωρία Brönsted - Lowry, που θα αναλύσουμε στη συνέχεια και β) η θεωρία Lewis. 3. Θεωρία Brönsted - Lowry To 193 ο Brönsted και ο Lowry πρότειναν, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, ένα ευρύτερο ορισμό για τα οξέα και τις βάσεις. Σύμφωνα με τον ορισμό αυτό: Οξύ είναι η χημική ουσία που μπορεί να δώσει ένα ή περισσότερα πρωτόνια (Η + ) και βάση η ουσία που μπορεί να δεχθεί ένα ή περισσότερα πρωτόνια. Τα οξέα και οι βάσεις μπορούν να είναι ουδέτερα μόρια ή ιόντα, ενώ η αντίδραση της εξουδετέρωσης δεν είναι παρά η μεταφορά ενός πρωτονίου από ένα οξύ σε μία βάση: οξύ βάση βάση οξύ Ή πιο απλά: CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Στην παραπάνω (πρωτολυτική) ισορροπία το CH 3 COOH λειτουργεί ως οξύ κατά Brönsted - Lowry, αφού εκχωρεί ένα Η + σε ένα μόριο Η Ο και μετατρέπεται στο ιόν CH 3 COO. Από την άλλη μεριά, το Η Ο λειτουργεί ως βάση αφού δέχεται το Η + από το CH 3 COOH. Κατά την αντίθετη κατεύθυνση, το CH 3 COO λειτουργεί ως βάση, ενώ το Η 3 Ο + ως οξύ. Τελικά προκύπτουν δύο ζεύγη οξέος - βάσης (CH 3 COOH - CH 3 COO και Η 3 Ο + - Η Ο), που διαφέρουν μεταξύ τους κατά ένα πρωτόνιο (Η + ). Τέτοια ζεύγη ονομάζονται συζυγή ζεύγη οξέος - βάσης. Γενικά, οι συζυγείς σχέσεις οξέος - βάσης περιγράφονται με την εξίσωση: οξύ (1) + βάση () οξύ () + βάση (1) Ας δούμε και το παράδειγμα του ιοντισμού της ΝΗ 3 στα υδατικά της διαλύματα, σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry: ΝH 3 + H O + ΝH 4 + OΗ βάση οξύ οξύ βάση + Σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση καταλαβαίνουμε ότι η ΝΗ 3 και το κατιόν ΝΗ 4 αποτελούν ζεύγος συζυγούς βάσης - συζυγούς οξέος, ενώ το Η Ο λειτουργεί ως οξύ μετατρεπόμενο στη συζυγή του βάση, ΟΗ, με απόσπαση ενός ιόντος Η +. Τα οξέα και οι βάσεις κατά Brönsted - Lowry μπορεί να είναι όχι μόνο ουδέτερα μόρια, αλλά και ιόντα: Εφυδατωμένο πρωτόνιο. Το ιόν Η + σχηματίζει ομοιοπολικό δεσμό με ένα μόριο ΗΟ παράγοντας το ιόν οξωνίου. Ιόν οξωνίου ή απλά οξώνιο είναι ένα κατιόν οξυγόνου στο οποίο το άτομο οξυγόνου σχηματίζει τρεις δεσμούς. Το πιο απλό οξώνιο είναι το υ- δρόνιο, Η3Ο +. Το ιόν αυτό μπορεί να συνδέεται ασθενώς με δύο ή περισσότερα μόρια ΗΟ παράγοντας συστήματα όπως το Η7Ο3 + που εμφανίζεται στο σχήμα. Τα οξέα είναι πρωτονιοδότες και οι βάσεις πρωτονιοδέκτες, ανεξάρτητα αν έχουμε ή όχι υδατικό διάλυμα. Θεωρία Lewis περί οξέων και βάσεων. Σύμφωνα με τις αντιλήψεις του Lewis, οξέα είναι ουσίες που λειτουργούν ως δέκτες ζεύγους ηλεκτρονίων π.χ. AlCl3 ενώ βάσεις είναι ουσίες που λειτουργούν ως δότες ζεύγους ηλεκτρονίων π.χ. ΝΗ3. Έτσι, στην αντίδραση, ΝΗ3 + Η + ΝΗ4 +, η ΝΗ3 λειτουργεί ως δότης του μη δεσμικού ζεύγους ηλεκτρονίων της, δηλαδή ως βάση κατά Lewis, και το ιόν Η + ως δέκτης ζεύγους ηλεκτρονίων, δηλαδή ως οξύ κατά Lewis. 110

123 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY CN + H O HCN + OH βάση () οξύ (1) οξύ () βάση (1) NH H O NH 3 + H 3 O + οξύ (1) βάση () βάση (1) οξύ () Στον πίνακα που ακολουθεί δίνονται παραδείγματα ζευγών συζυγών οξέων και βάσεων. Συζυγές οξύ HBr H SO 4 H PO 4 Συζυγής βάση Br HSO 4 HPO 4 H O OH H 3 O + H O + NH 4 NH 3 NH 3 NH Ο όξινος ή ο βασικός χαρακτήρας μιας χημικής ουσίας κατά Brönsted - Lowry εξαρτάται από την αντίδραση στην οποία αυτή συμμετέχει. Μην μπερδευόμαστε! Στα υδατικά της διαλύματα η ΝΗ3 είναι η «αγαπημένη» μας ασθενής βάση. Έχουμε συνηθίσει να θεωρούμε το HCl ως οξύ, αλλά όταν το διαλύσουμε σε βενζόλιο (HCl) δεν εκδηλώνεται ο όξινος χαρακτήρας του, καθώς το βενζόλιο δεν μπορεί να δεχθεί Η + και άρα δεν μπορεί να λειτουργήσει ως βάση! Έτσι, π.χ. η ΝΗ 3 στα υδατικά της διαλύματα συμπεριφέρεται ως βάση και το Η Ο συμπεριφέρεται ως οξύ κατά Brönsted - Lowry. Το CH 3 COOH στα υδατικά του διαλύματα συμπεριφέρεται ως οξύ και το Η Ο στην περίπτωση αυτή συμπεριφέρεται ως βάση κατά Brönsted - Lowry. Πάντως, σε εξαιρετικές περιπτώσεις η ΝΗ 3 μπορεί να λειτουργήσει και ως οξύ μετατρεπόμενη σε ΝΗ που αποτελεί τη συζυγή της βάση. Έτσι, όταν η ΝΗ 3 συμπεριφέρεται ως βάση μετατρέπεται στο συζυγές της οξύ ΝΗ 4 +, ενώ όταν συμπεριφέρεται ως οξύ μετατρέπεται στη συζυγή της βάση ΝΗ : ΝΗ ΝΗ 3 + ΝΗ 4 (συζυγής βάση) (συζυγές οξύ) Δεν μπορεί να εκδηλωθεί ο όξινος χαρακτήρας, χωρίς την παρουσία βάσης και αντίστροφα, δεν μπορεί να εκδηλωθεί ο βασικός χαρακτήρας, χωρίς την παρουσία οξέος. Έτσι, η εκδήλωση του όξινου χαρακτήρα γίνεται με την παραχώρηση ενός Η + σε μία ουσία που μπορεί να το δεχθεί, δηλαδή σε μία βάση. Αν δεν υπάρχει βάση δεν μπορεί να εκδηλωθεί ο όξινος χαρακτήρας, όπως και αν δεν υπάρχει οξύ δεν μπορεί να εκδηλωθεί ο βασικός χαρακτήρας. Λέμε ότι ένα οξύ είναι ισχυρότερο από κάποιο άλλο όταν έχει μεγαλύτερη τάση να δώσει Η + στην ίδια βάση. Αντίστοιχα, μία βάση είναι ισχυρότερη από κάποια άλλη όταν έχει μεγαλύτερη τάση να πάρει Η + από το ίδιο οξύ. Μάλιστα η ισχύς ενός οξέος εξαρτάται από την ισχύ της βάσης στην οποία δίνει το Η +. Με άλλα λόγια, όσο ισχυρότερη είναι η βάση τόσο ισχυρότερος είναι και ο όξινος χαρακτήρας του οξέος. 111

124 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4. Ισχύς των οξέων σε σχέση με την ισχύ των συζυγών τους βάσεων Η αντίδραση ιοντισμού του υδροχλωρίου, HCl + H O H 3 O + + Cl είναι πλήρως μετατοπισμένη προς τα δεξιά, καθώς το HCl είναι ισχυρό οξύ και έχει πολύ μεγαλύτερη τάση να παραχωρεί Η + από ότι το Η 3 Ο + στο Cl. Επίσης, το Η Ο είναι ισχυρότερη βάση από το Cl, αφού δέχεται όλα τα ιόντα Η + που παραχωρεί το HCl. Με άλλα λόγια τα ισχυρά οξέα όπως π.χ. το HCl έχουν μία πολύ ασθενή συζυγή βάση. Γενικά: Όσο ισχυρότερο είναι ένα οξύ, τόσο ασθενέστερη είναι η συζυγής του βάση και όσο ασθενέστερη είναι η βάση, τόσο ισχυρότερο είναι το συζυγές της οξύ. Π.χ. στα υδατικά διαλύματα της ίδιας θερμοκρασίας ισχύει η εξής σειρά ισχύος: ΗCl > HCOOH > CH 3 COOH > HCN. Για τις αντίστοιχες (συζυγείς) βάσεις η σειρά ισχύος είναι ακριβώς η αντίστροφη: Cl < HCOO < CH 3 COO < CN. Η ισορροπία οξέος - βάσης είναι μετατοπισμένη προς την πλευρά του ασθενέστερου οξέος και της ασθενέστερης βάσης. Η ισχύς ενός οξέος (οξύτητα) καθορίζεται από την τάση του να δίνει πρωτόνια (Η + ) και η ισχύς μίας βάσης (βασικότητα) από την τάση της να προσλαμβάνει πρωτόνια. Η ερώτηση της ημέρας: Η συζυγής βάση ενός ασθενούς οξέος, π.χ. του CH3COOH είναι ισχυρή ή ασθενής βάση; Σε μία οξεοβασική ισορροπία κυριαρχούν οι συγκεντρώσεις του ασθενέστερου οξέος και της ασθενέστερης βάσης. Π.χ. η ισορροπία, HCΟΟΗ + CH 3 COO HCOO + CH 3 COOH, είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά, καθώς το CH 3 COOH είναι ασθενέστερο οξύ από το ΗCΟΟΗ. Παράλληλα η ΗCOO είναι η ασθενέστερη βάση. 5. Αμφιπρωτικές ουσίες (αμφολύτες) Προσέξτε τις παρακάτω ισορροπίες κατά Brönsted - Lowry: CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + οξύ (1) βάση () βάση (1) οξύ () + NH 3 + H O NH 4 + OH βάση () οξύ (1) οξύ () βάση (1) Παρατηρούμε ότι στην πρώτη περίπτωση το Η Ο παίζει το ρόλο της βάσης ενώ στη δεύτερη του οξέος. Οι αμφιπρωτικές ουσίες μπορούν και να πάρουν Η +, αλλά και να δώσουν Η +! Τέτοιες ουσίες (μόρια ή ιόντα), που άλλοτε συμπεριφέρονται ως οξέα και άλλοτε ως βάσεις χαρακτηρίζονται ως αμφιπρωτικές (ή αμφολύτες). Γενικά, οι αμφιπρωτικές ουσίες μπορούν να λειτουργήσουν ως οξέα (παρουσία βάσης) και να μετατραπούν στις συζυγείς τους βάσεις αλλά και ως βάσεις (παρουσία οξέος) παράγοντας τα συζυγή τους οξέα. Το Η Ο αποτελεί τη χαρακτηριστικότερη αμφιπρωτική ουσία, ενώ άλλα παραδείγματα είναι τα αμινοξέα, το HCO 3, το H PO 4 κτλ. 11

125 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY Παράδειγμα: Όταν το ιόν H PO 4 λειτουργεί ως οξύ αποβάλλει Η + και μετατρέπεται σε HPO 4, ενώ όταν λειτουργεί ως βάση προσλαμβάνει Η + και μετατρέπεται σε H 3 PO 4. Τα οξέα χαρακτηρίζονται ως μονοπρωτικά ή πολυπρωτικά, ανάλογα με το αν μπορούν να χάσουν ένα ή και περισσότερα Η +. Π.χ. το CH3COOH είναι μονοπρωτικό οξύ, ενώ το HSO4 ή το Η3ΡΟ4 είναι πολυπρωτικά οξέα. Επίσης, οι βάσεις χαρακτηρίζονται ως μονοπρωτικές (π.χ. ΝaΟΗ, ΚΟΗ) ή πολυπρωτικές (π.χ. Ca(OH)), ανάλογα με τον αριθμό των ιόντων ΟΗ που μπορούν να αποδώσουν στα υδατικά τους διαλύματα. 6. Ιοντισμός και διάσταση σε διαλύματα ηλεκτρολυτών Είδαμε ότι η διάσταση θεωρείται πλήρης ενώ ο ιοντισμός μπορεί να είναι πλήρης ή μερικός. Στην περίπτωση των οξέων πλήρης ιοντισμός επέρχεται στα λεγόμενα ισχυρά οξέα, π.χ. το HCl: HCl + H O H 3 O + + Cl Αντίθετα, το HCOOH λειτουργεί στα υδατικά του διαλύματα ως ασθενές οξύ και τα α- διάστατα μόρια συνυπάρχουν με μόρια που έχουν ιοντιστεί: HCOOH + H O HCOO + H 3 O + Στα υδατικά διαλύματα, ως ισχυρά οξέα θα θεωρούμε τα εξής: ΗCl, HBr, HI, HNO 3, HClO 4 και Η SO 4 (στην πρώτη βαθμίδα ιοντισμού του). Τα οξέα αυτά θεωρούνται ισχυρά, τόσο κατά Arrhenius όσο και κατά Brönsted - Lowry (σε υδατικά διαλύματα). Ιοντισμός διπρωτικών οξέων. Τα διπρωτικά οξέα ιοντίζονται σε δύο στάδια, αποβάλλοντας τα δύο Η + διαδοχικά. Π.χ για το Η S: Η S + H O HS + H 3 O + (εξίσωση 1ου ιοντισμού) HS + H O S + H 3 O + (εξίσωση ου ιοντισμού) Ειδικά το Η SΟ 4 εμφανίζεται ισχυρό στον 1ο ιοντισμό του και ασθενές στο ο: Η SΟ 4 + H O HSΟ 4 + H 3 O + (εξίσωση 1ου ιοντισμού) HSΟ 4 + H O SΟ 4 + H 3 O + (εξίσωση ου ιοντισμού) Τα υδροξείδια των μετάλλων της 1ης και της ης ομάδας του περιοδικού πίνακα είναι ιοντικές ενώσεις και ισχυρές βάσεις κατά Arrhenius, οπότε γράφουμε απλά τη διάστασή τους: Ca(OH) Ca + + OH Tα άλατα είναι, κατά κανόνα, ιοντικές ενώσεις και με τη διάλυσή τους στο νερό λαμβάνει χώρα διάσταση. Ειδικά, όμως για τα άλατα θα πρέπει να εξετάσουμε και κάτι άλλο: την πιθανή αντίδραση των ιόντων τους με το ΗΟ, σύμφωνα με την θεωρία Brönsted - Lowry. Οι ομοιοπολικές βάσεις, όπως η ΝΗ 3, οι αμίνες (RNH ) κτλ. είναι, γενικά, ασθενείς κατά Brönsted - Lowry και παθαίνουν ιοντισμό: + NH 3 + H O NH 4 + OH + CH 3 NH + H O CH 3 NH 3 + OH Υπάρχουν και βάσεις που θεωρούνται ισχυρές, κατά Brönsted - Lowry, π.χ. το ιόν ΝΗ, το ιόν Ο, το ιόν CH 3 O κτλ. Τέλος, τα άλατα διίστανται πλήρως, π.χ.: CaCl Ca + + Cl 113

126 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Τα παραπάνω συνοψίζονται στον πίνακα που ακολουθεί: ΟΞΕΑ Ομοιοπολικές ενώσεις Ισχυροί ή ασθενείς ηλεκτρολύτες Ιοντισμός Ομοιοπολικές ή Ασθενείς Ιοντισμός ΒΑΣΕΙΣ Ιοντικές ενώσεις Ισχυροί Διάσταση ΑΛΑΤΑ Ιοντικές ενώσεις Ισχυροί Διάσταση 7. Βαθμός ιοντισμού (α) ενός ηλεκτρολύτη Ορίζουμε ως βαθμό ιοντισμού (α) ενός ηλεκτρολύτη το πηλίκο του αριθμού των mol που ιοντίζονται προς το συνολικό αριθμό των mol του ηλεκτρολύτη. Ο βαθμός ιοντισμού χαρακτηρίζει την απόδοση της αντίδρασης του ιοντισμού του ηλεκτρολύτη και παίρνει τιμές μεταξύ 0 και 1. Τα ισχυρά οξέα έχουν α = 1, ενώ τα ασθενή οξέα έχουν α < 1. Αποτελεί μέτρο έκφρασης της ισχύος των ηλεκτρολυτών, αλλά εξαρτάται από πολλούς παράγοντες: Από τη φύση του ηλεκτρολύτη. Από τη φύση του διαλύτη. Από τη θερμοκρασία. Από τη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη. Από την παρουσία κοινών ιόντων με τα ιόντα του ηλεκτρολύτη. Η ισχύς ενός ηλεκτρολύτη προσδιορίζεται κυρίως με βάση την τιμή της σταθεράς ιοντισμού (βλ. ενότητα 8), η οποία δεν εξαρτάται από τη συγκέντρωση, ούτε από την παρουσία κοινών ιόντων. 8. Η περίπτωση των αλάτων Το NaCl είναι άλας και στα υδατικά του διαλύματα επέρχεται διάσταση: ΝaCl Νa + + Cl Το υδατικό διάλυμα του NaCl εμφανίζει ουδέτερη συμπεριφορά (ούτε όξινη ούτε βασική). Ένα υδατικό διάλυμα, όμως, NH 4 Cl εμφανίζει όξινη συμπεριφορά. Γιατί; Το ΝH 4 Cl διίσταται στο νερό, σύμφωνα με τη εξίσωση: NH 4 Cl NH Cl Από τα ιόντα που σχηματίζονται με τη διάσταση, το NH 4 + είναι το συζυγές οξύ της α- σθενούς βάσης ΝΗ 3. Έτσι, αντιδρά με το νερό, σχηματίζοντας τη συζυγή βάση από την οποία προέρχεται: ΝH H O ΝH 3 + H 3 Ο + οξύ (1) βάση () βάση (1) οξύ () Το ιόν Cl προέρχεται από ισχυρό οξύ, το HCl. Και ισχυρό οξύ σημαίνει ότι ιοντίζεται πλήρως, ότι δεν μπορεί δηλαδή να υπάρξει σε υδατικά διαλύματα με τη μορφή μορίων: Cl + H O ΗCl + OH 114

127 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY Θα επανέλθουμε στα άλατα στην ενότητα 9. Το φαινόμενο αυτό της αντίδρασης ενός ή και των δύο ιόντων ενός άλατος λέγεται υδρόλυση. Στην περίπτωση ενός άλατος, αν κάποιο από τα ιόντα του (ή και τα δύο) προέρχεται από ισχυρό οξύ ή ισχυρή βάση, δεν αντιδρά με το νερό, δηλαδή δεν υδρολύεται. Στην περίπτωση που κάποιο από τα ιόντα του άλατος (ή και τα δύο) προέρχεται από ασθενές οξύ (το ανιόν) ή ασθενή βάση (το κατιόν) αντιδρά με το νερό (υδρολύεται) παράγοντας το α- ντίστοιχο ασθενές οξύ ή ασθενή βάση. Η αντίδραση αυτή είναι σύμφωνη με τη θεωρία Brönsted - Lowry. Ας δούμε και την περίπτωση του CH 3 COONH 4. Αρχικά, η διάσταση του άλατος δίνει τα ιόντα CH 3 COO και ΝΗ + 4, που προέρχονται αντίστοιχα από το CH 3 COΟΗ και την ΝΗ 3 (ασθενείς ηλεκτρολύτες). Επομένως, ιοντίζονται (υδρολύονται) και τα δύο ιόντα. Ας δούμε όλο το «πακέτο» των εξισώσεων στην περίπτωση αυτή: CH 3 COONH 4 CH 3 COO + + ΝΗ 4 διάσταση CH 3 COO + H O CH 3 COOH + OH + NH 4 + H O NH 3 + H 3 O + ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 1. Εύρεση συζυγούς οξέος από τη συζυγή βάση και αντίστροφα Το είπαμε πάλι: Το συζυγές οξύ διαφέρει από το τη συζυγή του βάση κατά ένα Η +! Όταν γνωρίζουμε το συζυγές οξύ, αφαιρούμε ένα Η +, δηλαδή ένα άτομο Η και ελαττώνουμε το φορτίο του σωματιδίου που προκύπτει κατά 1. Π.χ.: CH 3 COOH CH 3 COO Από την άλλη μεριά, όταν γνωρίζουμε τη συζυγή βάση και θέλουμε να βρούμε το συζυγές οξύ, προσθέτουμε ένα Η +, δηλαδή ένα άτομο Η και αυξάνουμε το φορτίο του σωματιδίου κατά 1: ΝH 3 ΝH 4 + Έστω π.χ. ότι θέλουμε να συμπληρώσουμε την ιοντική ισορροπία: CH 3 COOH + ; ; + HPO 4 οξύ βάση βάση οξύ Το CH 3 COOH παίζει το ρόλο του οξέος (άρα πρέπει να χάσει ένα Η + ) και μετατρέπεται στο ιόν CH 3 COO. Το ΗΡΟ 4 παίζει επίσης το ρόλο του οξέος, οπότε και αυτό πρέπει να χάσει ένα H +. Προέρχεται, επομένως, από το ΡΟ 4 3 : CH 3 COOH + PO 4 3 CH 3 COO + HPO 4 οξύ βάση βάση οξύ. Υπολογισμός των συγκεντρώσεων των ιόντων σε διάλυμα ισχυρού ηλεκτρολύτη Ο υπολογισμός των συγκεντρώσεων των ιόντων ενός ισχυρού ηλεκτρολύτη στα υδατικά του διαλύματα γίνεται από την εξίσωση της διάστασης ή του ιοντισμού του, με βάση τη συγκέντρωση του ισχυρού ηλεκτρολύτη και τη στοιχειομετρία. Π.χ.: 115

128 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΗΝΟ 3 + Η Ο Η 3 Ο + + ΝΟ 3 0,01 Μ 0,01 Μ 0,01 Μ Ca(OH) Ca + + OH 0,05 Μ 0,05 Μ 0,1 Μ CaCl Ca + + Cl 0,01 Μ 0,01 Μ 0,0 Μ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Να αναφέρετε με βάση τους ορισμούς: α) Τρεις διαφορές μεταξύ της βάσης κατά Arrhenius και της βάσης κατά Brönsted - Lowry. β) Δύο διαφορές μεταξύ της ηλεκτρολυτικής διάστασης και του ιοντισμού των ηλεκτρολυτών. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Βάση κατά Arrhenius είναι μία ένωση που όταν διαλυθεί στο νερό δίνει λόγω διάστασης ανιόντα ΟΗ. Βάση κατά Brönsted - Lowry είναι μία η ουσία που μπορεί να δεχθεί ένα ή περισσότερα πρωτόνια. Η βάση κατά Arrhenius εκδηλώνεται μόνο σε υδατικό διάλυμα, όπου παρέχει ΟΗ, δεν απαιτεί την ύπαρξη ενός οξέος για τη λειτουργία της, ενώ δεν μετατρέπεται σε συζυγές οξύ. Η βάση κατά Brönsted - Lowry παίρνει Η + (πρωτονιοδέκτης), δεν σχετίζεται αποκλειστικά με υδατικά διαλύματα, απαιτεί την ύπαρξη ενός οξέος για τη λειτουργία της (στο οποίο δίνει το Η + ) και μετατρέπεται στο συζυγές της οξύ. Η θεωρία των Brönsted - Lowry είναι γενικότερη εκείνης του Arrhenius και επεκτείνεται εύκολα σε οποιονδήποτε διαλύτη, ερμηνεύοντας όλες τις αντιδράσεις μεταφοράς πρωτονίων. β) Η ηλεκτρολυτική διάσταση γίνεται στις ιοντικές ενώσεις και συνεπάγεται την απομάκρυνση των ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος. Η διάσταση θεωρείται πλήρης καθώς στην ιοντική ένωση τα ιόντα προϋπάρχουν στο κρυσταλλικό πλέγμα. Ο ιοντισμός γίνεται στις ομοιοπολικές ενώσεις (που αποτελούνται από μόρια και όχι από ιόντα) και είναι η αντίδραση των μορίων της ένωσης με τα μόρια του διαλύτη (π.χ. νερού) προς σχηματισμό ιόντων. Σε αντίθεση με τη διάσταση που θεωρείται πλήρης, ο ιοντισμός μπορεί να είναι πλήρης ή μερικός.. Να ταξινομήσετε τα φαινόμενα που περιγράφονται από τις παρακάτω εξισώσεις σε διαστάσεις ή ιοντισμούς. α) HCl + H O Cl + H 3 O + + β) NH 3 + H O NH 4 + OH γ) NaCl Na + + Cl δ) ΚΟΗ Κ + + ΟΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ 116

129 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY Το HCl και η ΝΗ 3 είναι ομοιοπολικές ενώσεις και τα ιόντα δημιουργούνται με τη διάλυση στο νερό (άσχετα αν το HCl είναι ισχυρός ηλεκτρολύτης, ενώ η ΝΗ 3, ασθενής). Το φαινόμενο είναι, λοιπόν, ιοντισμός. Από την άλλη μεριά, το NaCl και το ΚΟΗ είναι ιοντικές ενώσεις και με τη διάλυση στο νερό, τα ιόντα που προϋπάρχουν γίνονται απλά μέρος της υδατικής φάσης. Στις δύο αυτές περιπτώσεις το φαινόμενο είναι διάσταση. CH 3 COOH: αιθανικό ή οξικό οξύ 3. Σε υδατικά διαλύματα CH 3 COOH αποκαθίσταται η ισορροπία (Ι): CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + (Ι) Αν σε διάλυμα του CH 3 COOH προστεθεί HCl, αποκαθίσταται η ισορροπία (ΙΙ): + CH 3 COOH + HCl CH 3 COOH + Cl (ΙΙ) Με βάση τις δύο αυτές εξισώσεις, ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι η σωστή; Να εξηγήσετε την επιλογή σας. α) Το CH 3 COOH είναι το συζυγές οξύ του CH 3 COOH +. β) Το HCl είναι πιο ασθενές οξύ από το CH 3 COOH. γ) Το CH 3 COO είναι συζυγές οξύ του CH 3 COOH. δ) Το CH 3 COOH δρα αμφιπρωτικά. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry: CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + (Ι) οξύ βάση βάση οξύ CH 3 COOH + HCl CH 3 COOH + + Cl (ΙΙ) βάση οξύ οξύ βάση Στην ισορροπία (Ι) το CH 3 COOH παίζει το ρόλο του οξέος και το ιόν CH 3 COO είναι η συζυγής του βάση. Στην ισορροπία (ΙΙ) το CH 3 COOH παίζει το ρόλο της βάσης και μετατρέπεται στο ιόν CH 3 COOH + που είναι το συζυγές της οξύ. Επίσης, το HCl είναι ι- σχυρό οξύ ενώ το CH 3 COOΗ είναι ασθενές οξύ. Επομένως, οι τρεις πρώτες προτάσεις είναι λανθασμένες. Το CH 3 COOH παίζει το ρόλο του οξέος στην ισορροπία (Ι) και το ρόλο της βάσης στην ισορροπία (ΙΙ), οπότε χαρακτηρίζεται ως αμφιπρωτική ουσία. Θα διαλέξουμε επομένως ως σωστή επιλογή την δ. Η μεθυλαμίνη ανήκει στις πρωτοταγείς αμίνες του τύπου CvHv+1NH, που είναι οργανικές ενώσεις με ασθενείς βασικές ιδιότητες. 4. Η μεθυλαμίνη (CH 3 NH ) είναι ομοιοπολική οργανική ένωση, που στα υδατικά της διαλύματα εμφανίζεται ως ασθενής βάση, ισχυρότερη όμως από την ΝΗ 3. α) Να γράψετε την εξίσωση που δηλώνει τις βασικές ιδιότητες της CH 3 NH στα υ- δατικά της διαλύματα. Να εξηγήσετε αν πρόκειται για διάσταση ή ιοντισμό. β) Να ταξινομήσετε τα οξέα NH 4 +, CH 3 NH 3 + και HCl κατά σειρά αυξανόμενης ισχύος. γ) Να γράψετε την ισορροπία κατά Brönsted - Lowry της επίδρασης HCl σε υδατικό διάλυμα CH 3 NH και να εξηγήσετε γιατί η ισορροπία αυτή είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά. ΑΠΑΝΤΗΣΗ + α) CH 3 NH + H O CH 3 NH 3 + OH 117

130 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Η CH 3 NH είναι ομοιοπολική ένωση και τα ιόντα σχηματίζονται μόνο με τη διάλυσή της στο νερό (ιοντισμός). β) Το HCl είναι ισχυρό οξύ. Από την άλλη μεριά, αφού η CH 3 NH είναι ισχυρότερη βάση της ΝΗ 3 θα ισχύει ότι το CH 3 NH 3 + είναι ασθενέστερο από το ΝΗ 4 +. Άρα η σειρά ισχύος (από το ασθενέστερο προς το ισχυρότερο θα είναι: CH 3 NH 3 +, ΝΗ 4 +, HCl. + γ) CH 3 NH + HCl CH 3 NH 3 + Cl + Το HCl είναι ισχυρότερο οξύ από το CH 3 NH 3 (και η CH 3 NH πολύ ισχυρότερη βάση από το Cl ). Άρα, η ισορροπία είναι πλήρως μετατοπισμένη προς τα δεξιά (μονόδρομη αντίδραση). 5. Να συμπληρωθεί ο παρακάτω πίνακας. Να σχολιαστούν οι απαντήσεις. Συζυγές οξύ Α HClO 4 + Β NH 4 Γ HSO 4 Δ NH 3 Ε Ζ ΣΤ Συζυγής βάση CN HSO 3 SO 3 Συμπληρώστε τον πίνακα, καθώς διαβάζετε την απάντηση. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Α. ClO 4. Με αποβολή Η + το οξύ HClO 4 μετατρέπεται στη συζυγή βάση. Β. NH 3. Με αποβολή Η + + το ιόν ΝΗ 4 μετατρέπεται στη συζυγή του βάση (ΝΗ 3 ). Γ. SO 4. Το ΗSO 4 για να λειτουργήσει ως οξύ αποβάλλει ένα Η + : ΗSO 4 + H O SO 4 + H 3 O + οξύ βάση βάση οξύ Δ. ΝΗ. Η περίπτωση αυτή είναι ίσως η πιο περίεργη και αν δεν την καλοσκεφτούμε θα γράψουμε ΝΗ + 4. Μα, έτσι η ΝΗ 3 θα έπαιρνε Η + και θα ήταν βάση! Για να παίξει το ρόλο του οξέος θα πρέπει να χάσει Η + μετατρεπόμενη σε NH. Ε. HCN. Z. H SO 3. ΣΤ. HSO 3. Η SO 3 + H O HSO 3 + H 3 O + οξύ βάση βάση οξύ Μα, εμείς ξέραμε ότι η ΝΗ3 είναι ασθενής βάση. Ακριβώς, ασθενής! Άρα, παρουσία ι- σχυρότερης βάσης θα αναγκαστεί να παίξει το ρόλο του οξέος, καθώς θα έχει μικρότερη τάση να πάρει Η + σε σχέση με την ισχυρότερη βάση. Πάντως, μην αναιρείται ότι ξέρετε. Για μας και για τα υδατικά διαλύματα, η ΝΗ3 θα είναι για πάντα η «αγαπημένη» μας ασθενής βάση. ΗSO 3 + H O SO 3 + H 3 O + οξύ βάση βάση οξύ Παρατήρηση: Το ΗSO 3 είναι αμφιπρωτικό ιόν, δηλαδή μπορεί να παίξει και το ρόλο του οξέος και το ρόλο της βάσης, οπότε μπορεί και να πάρει ένα Η + (μετατρεπόμενο σε Η SO 3 ) και να δώσει ένα Η + (μετατρεπόμενο σε SO 3 ). 118

131 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY 6. α) Τι εννοούμε λέγοντας ότι το ΗΝΟ είναι ισχυρότερο οξύ από το CH 3 COOH; β) Η ισχύς ενός οξέος, σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry εξαρτάται και από την τάση της βάσης - με την οποία αντιδρά - να δέχεται πρωτόνια. i. Να γράψετε τις χημικές εξισώσεις δύο αντιδράσεων στις οποίες το νερό να συμπεριφέρεται ως οξύ και να εξηγήσετε σε ποια από αυτές είναι ισχυρότερο οξύ. ii. Να γράψετε τις χημικές εξισώσεις της επίδρασης, i. H O και ii. OH στο ΗΝΟ. Να συγκρίνετε την ισχύ του ΗΝΟ ως οξύ στις δύο περιπτώσεις. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Εννοούμε ότι το HΝΟ έχει μεγαλύτερη τάση για αποβολή Η + στην ίδια βάση (π.χ. το νερό) στην ίδια θερμοκρασία σε σχέση με το CH 3 COOH. β) i. ΝΗ 3 + Η Ο ΝΗ ΟΗ (1) Cl + H O HCl + OH () Στην ισορροπία (1) το Η Ο είναι ισχυρότερο οξύ σε σχέση με τη (), γιατί η ΝΗ 3 έχει μεγαλύτερη τάση να δέχεται Η + απ ότι το ιόν Cl (στην πραγματικότητα η () είναι πλήρως μετατοπισμένη προς τα αριστερά, δηλαδή δεν πραγματοποιείται). ii. ΗΝΟ + Η Ο Η 3 Ο + + ΝΟ (3) ΗΝΟ + ΟΗ Η Ο + ΝΟ (4) Στην ισορροπία (4) το ΗΝΟ δρα ως ισχυρότερο οξύ σε σχέση με την (3), καθώς το ΟΗ έχει μεγαλύτερη τάση να δεχθεί Η + από ότι το Η Ο. Είναι τόσο ισχυρή η τάση του ΟΗ να πάρει Η +, που η ισορροπία (4) είναι πλήρως μετατοπισμένη προς τα δεξιά (μονόδρομη αντίδραση). 7. Κάθε μία από τις ακόλουθες ισορροπίες είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά. Α) HCN + OH H O + CN Β) HCO 3 + CN HCN + CO 3 Γ) H S + CO 3 HCO 3 + HS Να κατατάξετε τα οξέα HCN, HCO 3, H O και H S κατά σειρά ελαττωμένης ισχύος. Κατ αρχή όλα τα άλατα διίστανται. Από κει και πέρα, όμως, τα ιόντα του που προέρχονται από ασθενές οξύ ή βάση αντιδρούν με το νερό (υδρολύονται), λειτουργώντας ως βάσεις ή οξέα, σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Από την 1η ισορροπία προκύπτει: HCN > H O. Από τη η ισορροπία, για τον ίδιο λόγο καταλαβαίνουμε ότι: HCO 3 > HCN. Τέλος, από την 3η ισορροπία, έχουμε: H S > HCO 3. Με συνδυασμό των παραπάνω σχέσεων προκύπτει: H S > HCO 3 > HCN > H O 8. Να εξηγήσετε, σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry, γιατί τα υδατικά διαλύματα των αλάτων, α) KCN και β) Νa CO 3 εμφανίζουν βασική συμπεριφορά, ενώ το διάλυμα του άλατος γ) NH 4 Cl όξινη. Να γραφούν οι κατάλληλες χημικές εξισώσεις σε κάθε περίπτωση. 119

132 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Η διάσταση του KCN περιγράφεται από την εξίσωση: ΚCN Κ + + CN Από τα ιόντα του άλατος, μόνο το CN υδρολύεται λειτουργώντας ως ασθενής βάση: CN + H O HCN + OH β) Για το Na CO 3 η βασική συμπεριφορά στα υδατικά του διαλύματα εξηγείται καθώς το ανθρακικό ιόν (CO 3 ) που παράγεται με τη διάστασή του αντιδρά με το νερό και μάλιστα σε δύο στάδια παράγοντας τελικά το ασθενές οξύ H CO 3 : Na CO 3 Na + + CO 3 CO 3 + Η Ο ΗCO 3 + Η Ο ΗCO 3 + OH H CO 3 + OH γ) Το άλας NH 4 Cl διίσταται και στη συνέχεια το ιόν NH 4 + που παράγεται ιοντίζεται λειτουργώντας ως οξύ (συζυγές οξύ της ασθενούς βάσης NH 3 ): NH 4 Cl NH Cl NH Η Ο NH 3 + Η 3 Ο + 9. Διαλύουμε 0,37 g Ca(OH) και 1,6 g NaOH σε νερό και αραιώνουμε μέχρι τελικού όγκου 500 ml. Στο διάλυμα που προκύπτει, ποια είναι η συγκέντρωση των ιόντων OH ; ΛΥΣΗ Υπολογίζουμε αρχικά τις συγκεντρώσεις των δύο βάσεων. Για το Ca(OH) : m 0,37 n 0,005mol, c1 M 74 r n V 0,005 0,01M 0,5 Το ΝaOH και το Ca(OH) είναι ιοντικές ενώσεις και ισχυρές βάσεις (διάσταση). Για το NaOH: m 1,6 n 0,04 mol, c M 40 r n V 0,04 0,08M 0,5 Από τις εξισώσεις διάστασης των δύο βάσεων προκύπτει: Ca(OH) Ca + + OH NaOH Na + + OH 0,01 M 0,0 M 0,08 M 0,08 M Επομένως: [OH ] ολ = 0,0 + 0,08 = 0,1 Μ. 10

133 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 6.1. Ηλεκτρολυτική διάσταση είναι: Α) η δημιουργία ιόντων σε μία ομοιοπολική ένωση Β) η μετατροπή μιας ομοιοπολικής ένωσης σε ιοντική με τη διάλυσή της στο νερό Γ) η πλήρης ή μερική μετατροπή μίας ένωσης σε ιόντα κατά τη διάλυσή της στο νερό Δ) η απομάκρυνση των ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος μιας ιοντικής ένωσης με τη διάλυσή της στο νερό 6.. Ποια είναι η καλύτερη περιγραφή για ένα ιόν Na + σε υδατικό διάλυμα NaCl; A) Βρίσκεται σε επαφή με ένα ιόν Cl B) Γειτνιάζει με το θετικό άκρο μορίων νερού Γ) Απαντάται με τη μορφή εφυδατωμένου ιόντος Δ) Δεν υπάρχουν αλληλεπιδράσεις του ιόντος Νa + με τα μόρια του διαλύτη στο διάλυμα 6.3. Ιοντισμός μιας ομοιοπολικής (μοριακής) ένωσης είναι: Α) η πρόσληψη ή αποβολή ηλεκτρονίων απ αυτή Β) η μετατροπή της σε ιόντα, όταν αυτή βρεθεί σε ηλεκτρικό πεδίο Γ) η διαδικασία μετατροπής των μορίων της σε ηλεκτρικά δίπολα Δ) ο σχηματισμός ιόντων κατά τη διάλυσή της στο νερό 6.4. Σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry: i. όταν ένα οξύ αντιδρά με μία βάση παράγονται: Α) αλάτι και νερό Β) νέα βάση και νέο οξύ Γ) κατιόντα Η + και ανιόντα ΟΗ Δ) τίποτε από απ τα παραπάνω ii. Mία ουσία λειτουργεί ως βάση όταν: Α) παρέχει πρωτόνια Β) αποβάλει ηλεκτρόνια Γ) δέχεται πρωτόνια Δ) ελευθερώνει ΟΗ 6.5. Ποιο από τα παρακάτω οξέα ιοντίζεται πλήρως στο νερό; Α) HClO 4 Β) HF Γ) H S Δ) HCN [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 6.6. Από τις παρακάτω χημικές ενώσεις ασθενής ηλεκτρολύτης είναι το: Α) HNO 3 Β) KNO 3 Γ) HF Δ) HCl [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 6.7. Ποια από τα σωματίδια που ακολουθούν είναι η συζυγής βάση του Η SO 4 ; A) SO 4 B) HSO 4 Γ) H SO 3 Δ) H S [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 6.8. Ποιο από τα παρακάτω μόρια ή ιόντα δε μπορεί ποτέ να δράσει ως οξύ κατά Brönsted - Lowry; Α) Tο ClO 3 Β) Tο ΗCl Γ) Tο ΗCO 3 Δ) H NH Με βάση τις χημικές εξισώσεις, HSO 3 + H O H 3 O + + SO 3 H SO 3 + H O H 3 O + + HSO 3 το ανιόν HSO 3 χαρακτηρίζεται ως: Α) οξύ Β) βάση Γ) αμφιπρωτική ουσία Δ) πρωτονιοδότης Στη χημική εξίσωση, NH H O NH 3 + H 3 O +, το νερό συμπεριφέρεται ως: Α) βάση Β) οξύ Γ) πρωτονιοδότης Δ) αμφολύτης Το συζυγές οξύ και η συζυγής βάση του HPO 4 είναι, αντίστοιχα: Α) το Η PO 4 και το PO 4 3 Β) το PO 4 3 και το Η PO 4 Γ) το Η PO 4 και το Η PO 4 Δ) το Η 3 PO 4 και το PO Το H 3 ΡO 4 είναι ισχυρότερο οξύ από το HClO, γιατί: Α) έχει μεγαλύτερη τάση να αποδίδει Η + Β) περιέχει περισσότερα άτομα Η ανά μόριο Γ) είναι περισσότερο ευδιάλυτο στο νερό Δ) αντιδρά με μεγαλύτερο αριθμό βάσεων Η φαινόλη, C 6 H 5 OH, εμφανίζει στα υδατικά της διαλύματα, ιδιότητες ασθενούς οξέος. Με βάση το δεδομένο αυτό, ο ιοντισμός της περιγράφεται από την εξίσωση: Α) C 6 H 5 OH + Η Ο C 6 H 5 O + Η 3 Ο + Β) C 6 H 5 OH C 6 H ΟΗ Γ) C 6 H 5 OH + Η Ο C 6 H 5 O + Η 3 Ο + Δ) C 6 H 5 OH C 6 H ΟΗ Η CH 3 ΝH εμφανίζει ιδιότητες ασθενούς βάσης κατά Brönsted - Lowry και ο ιοντισμός της περιγράφεται από την εξίσωση: Α) CH 3 ΝH CH 3 ΝΗ + Η + Β) CH 3 ΝH + Η Ο CH 3 ΝΗ + Η 3 Ο + Γ) CH 3 ΝH + Η Ο CH 3 ΝΗ 3 + Η 3 Ο + Δ) CH 3 ΝH + Η Ο CH 3 ΝΗ 3 + ΟΗ Ε) Καμία από τις παραπάνω Από τα οξέα HCl, HF, H SO 3, H SO 4, HNO 3 και Η 3 ΡΟ 4 πόσα θεωρούνται ισχυρά; Α) 5 Β) 4 Γ) Δ) Σε διάλυμα έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: HPO 4 + HCO 3 H PO 4 + CO 3 Αν η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα αριστερά, ποια είναι η πιο ισχυρή βάση; A) HPO 4 B) HCO 3 Γ) H PO 4 Δ) CO Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή όχι (Λ). Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. Α) Όλοι οι ισχυροί ηλεκτρολύτες είναι ιοντικές ενώσεις. 11

134 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Β) Κατά τον ιοντισμό της ΝΗ 3 σε υδατικό της διάλυμα το ιόν ΟΗ είναι η συζυγής της βάση. Γ) Όλα τα οξέα σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry είναι υδρογονούχες ενώσεις. Δ) Ένα πολύ ασθενές οξύ βρίσκεται στα υδατικά του διαλύματα κυρίως με τη μορφή της συζυγούς του βάσης. Ε) Για τη μεταφορά Η + από ένα οξύ σε μία βάση, σύμφωνα με τη θεωρία Bronsted - Lowry, δεν είναι απαραίτητη η παρουσία του νερού. ΣΤ) Η συζυγής βάση οποιουδήποτε οξέος είναι ένα ανιόν. Ζ) Σύμφωνα με τη θεωρία Βrönsted - Lowry, βάση είναι κάθε ουσία που μπορεί να προσλάβει ζεύγος ηλεκτρονίων. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Η) Το ιόν Η ΡΟ 4 μπορεί να συμπεριφερθεί ως αμφολύτης. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Θ) Επειδή το ΗΝΟ είναι ισχυρότερο οξύ από το HCN, το CN είναι ισχυρότερη βάση από το ΝΟ. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Ι) Η θεωρία Brönsted - Lowry είναι γενικότερη εκείνης του Arrhenius και επεκτείνεται σε οποιονδήποτε διαλύτη, ερμηνεύοντας όλες τις αντιδράσεις μεταφοράς πρωτονίων Να αιτιολογήσετε την ισχύ της πρότασης: «Στην α- ντίδραση, ΝΗ 3 + Η + ΝΗ 4+, η ΝΗ 3 λειτουργεί ως βάση κατά Lewis» Για καθεμιά από τις παρακάτω εξισώσεις και για την κατεύθυνση που δείχνει το βέλος, να καθορίσετε ποιο από τα αντιδρώντα μόρια συμπεριφέρεται ως οξύ κατά Brönsted - Lowry. Να γράψετε δίπλα σε κάθε οξύ τη συζυγή του βάση. α) ΝΗ Η Ο ΝΗ 3 + Η 3 Ο + β) HCOO + Η Ο HCOOH + OH γ) ΗCl + Η Ο Η 3 Ο + + Cl [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 6.0. Στην υγρή αμμωνία εμφανίζεται η ισορροπία: NH 3 NH NH Ποια είναι τα οξέα και οι βάσεις σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry στην ισορροπία αυτή; Nα αιτιολογήσετε την απάντησή σας Να μελετήσετε τις ισορροπίες που ακολουθούν και να χαρακτηρίσετε την κάθε ένωση ή ιόν με το γράμμα Ο, Β, ή Α, αν η αντίστοιχη ένωση ή ιόν συμπεριφέρεται αποκλειστικά σαν οξύ, αποκλειστικά σαν βάση ή σαν αμφιπρωτικό σώμα. Α) ΝΗ 3 + Η Ο ΝΗ ΟΗ Β) ΝΗ Η Ο ΝΗ 3 + Η 3 Ο + Γ) CO 3 + H O HCO 3 + OH Δ) H CO 3 + H O HCO 3 + H 3 O Nα εξηγήσετε το μηχανισμό της διάλυσης των ιοντικών ενώσεων στο νερό σχολιάζοντας το σχήμα που ακολουθεί. Tι είναι τα εφυδατωμένα ιόντα; 1 Cl Na Να συμπληρωθούν οι εξισώσεις που ακολουθούν. Προς ποια κατεύθυνση είναι μετατοπισμένη η κάθε ιοντική ισορροπία; α) HCl + F β) HClO 4 + H O γ) H SO 4 + H O δ) CH 3 COO + H CO 3 Τα οξέα ΗCl, HClO 4 και H SO 4 είναι ισχυρά οξέα. Το ΗF, το CH 3 COOΗ και το H CO 3 είναι ασθενή οξέα (το H CO 3 είναι ασθενέστερο οξύ από το CH 3 COOΗ) Θεωρήστε την ισορροπία που ακολουθεί σε υδατικό διάλυμα: HCN + HCO 3 CN + H CO 3. Αν η παραπάνω ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα αριστερά, ποια είναι η ισχυρότερη βάση του συστήματος; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Στα υδατικά του διαλύματα το ιόν Fe 3+ απαντάται με τη μορφή του συμπλόκου ιόντος [Fe(H O) 6 ] 3+. Σε ένα τέτοιο διάλυμα ισχύει η ισορροπία: [Fe(H O) 6 ] 3+ + H O [Fe(H O) 5 (OH)] + + H 3 O + Ποιος ο ρόλος καθενός από τα παραπάνω σωματίδια με βάση τη θεωρία Brönsted - Lowry; 6.6. Να συμπληρωθούν οι παρακάτω ισορροπίες σε υδατικά διαλύματα: α) HCO 3 + OH.. +. β). +. CH 3 COOH + OH γ) HSO 4 + S Το ιόν ΝΗ (ανιόν αμιδίου) λειτουργεί ως ισχυρή βάση στα υδατικά του διαλύματα. Ποια εξίσωση δικαιολογεί τη συμπεριφορά της αυτή, σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry; Ποιο είναι το συζυγές οξύ του ΝΗ ; 6.8. Είναι γνωστό ότι σε υδατικά διαλύματα το HCl και η ΝΗ 3 αντιδρούν σύμφωνα με την εξίσωση: HCl(aq) + NH 3 (aq) NH 4 Cl(aq) Όμως, η παραπάνω αντίδραση γίνεται και σε άλλους διαλύτες ή ακόμη και χωρίς διαλύτη. Έτσι, π.χ. η αντίδραση λαμβάνει χώρα μεταξύ HCl και NH 3 που έχουν διαλυθεί σε βενζόλιο (C 6 Η 6 ). Το προϊόν είναι πάλι ΝΗ 4 Cl το οποίο στην περίπτωση αυτή καταβυθίζεται ως ίζημα: HCl(βενζόλιο) + NH 3 (βενζόλιο) NH 4+ Cl (s) (1) O H

135 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY Τo HCl και η NH 3 αντιδρούν ακόμα και σε αέρια φάση: ΗCl(g) + ΝΗ 3 (g) NH 4+ Cl (s) () Να εξηγήσετε γιατί οι αντιδράσεις (1) και () εξηγούνται με τη θεωρία Brönsted - Lowry αλλά όχι με τη θεωρία του Arrhenius α) Ποια είναι η συζυγής βάση των ακόλουθων οξέων: HClO 4, H S, PH 4+, HCO 3 ; β) Ποιο είναι το συζυγές οξύ των ακόλουθων βάσεων: CN, SO 4, H O, HCO 3 ; Το ιόν HSO 3 είναι αμφιπρωτικό ιόν. α) Να γράψετε την εξίσωση με το νερό, όπου να φαίνεται ότι το ιόν αυτό δρα, i. ως ασθενές οξύ και ii. ως ασθενής βάση. β) Να γράψετε πως αντιδρά το HSO 3 με: i. NH 3 και ii. με ΗCl. Ποια είναι σε κάθε περίπτωση τα συζυγή ζεύγη; α) Nα αναφέρετε τρεις ισχυρές βάσεις κατά Arrhenius και τρεις ισχυρές βάσεις κατά Brönsted - Lowry. β) Όταν το οξείδιο του λιθίου (Li O) διαλύεται στο νερό, σχηματίζονται ιόντα ΟΗ, λόγω της αντίδρασης του ιόντος Ο με το Η Ο. Να γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης αυτής καθώς και τα ζεύγη συζυγών οξέων - βάσεων Το (CH 3 ) NH + είναι ένα ασθενές οξύ, που στα υδατικά του διαλύματα ιοντίζεται σε μικρό βαθμό. α) Ποια είναι η συζυγής του βάση; β) Ποια εξίσωση περιγράφει τη σχετική οξεοβασική ισορροπία; γ) Να συγκρίνετε το βασικό χαρακτήρα της συζυγούς βάσης και του ιόντος Cl Να γράψετε όλες τις χημικές εξισώσεις που συνοδεύουν την διάλυση των αλάτων που ακολουθούν στο νερό. α) NaCl β) CH 3 COONa γ) NH 4 CΝ δ) KCN Τα οξέα HCl και HClΟ 4 θεωρούνται και τα δύο ισχυρά στα υδατικά τους διαλύματα. Σε ένα διαλύτη που λειτουργεί ως ασθενέστερη βάση από το νερό, π.χ. το διαιθυλαιθέρα, (C H 5 ) O ισχύουν οι εξισώσεις: HClO 4 + (C H 5 ) O ClO 4 + (C H 5 ) OH + HCl + (C H 5 ) O Cl + (C H 5 ) OH + Να συγκρίνετε την ισχύ των δύο οξέων στο διαθυλαιθέρα, καθώς και την ισχύ των δύο συζυγών βάσεων στο διαλύτη αυτό. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΩΝ Ποιο από τα παρακάτω διαλύματα παρουσιάζει τη μεγαλύτερη συγκέντρωση ιόντων Na + ; Α) Νa SO 4 0,4 M B) NaCl 1,17 g/l Γ) Διάλυμα Na 3 PO 4 0,0164% w/v Δ) NaCl 0, Μ Το φωσφορικό νάτριο (Νa 3 PO 4 ) είναι μία ουσία που χρησιμοποιείται συχνά σαν συστατικό καθαριστικών με το εμπορικό όνομα ΤSP (trisodium phosphate). Ποιες είναι οι τιμές των συγκεντρώσεων των ιόντων Νa + και των PO 4 3 σε ένα διάλυμα TSP 0,4 Μ; Η υδρόλυση των ιόντων PO 4 3 να θεωρηθεί αμελητέα Το Sr(OH) είναι στερεή ιοντική ένωση που στα υδατικά της διαλύματα λειτουργεί ως ισχυρή βάση. Διάλυμα όγκου 500 ml περιέχει, mol Sr(OH). Ποια είναι η τιμή της συγκέντρωσης των ιόντων ΟΗ του διαλύματος αυτού; Σε κάποιες χώρες προστίθεται ορισμένη συγκέντρωση ιόντων F στο πόσιμο νερό για την πρόληψη της τερηδόνας. Ποια συγκέντρωση NaF (σε mol/l ή Μ) δίνει περιεκτικότητα ιόντων F ίση με 0,9 mg/l, που είναι το συνιστώμενο όριο στο πόσιμο νερό; Το θαλασσινό νερό περιέχει κυρίως τα ιόντα Na +, Mg + και Cl. Αν θεωρήσουμε ότι το θαλασσινό νερό περιέχει μόνο NaCl σε συγκέντρωση 0,45 Μ και ΜgCl σε συγκέντρωση 0,05 Μ, ποιες είναι οι τιμές των συγκεντρώσεων των τριών παραπάνω ιόντων στο θαλασσινό νερό; Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα, ένα διάλυμα KCl 0, M όγκου 500 ml και ένα άλλο διάλυμα CaCl 0,1 Μ όγκου επίσης 500 ml Αναμιγνύουμε τα δύο αυτά διαλύματα και προκύπτει νέο διάλυμα όγκου 1 L. Ποια η συγκέντρωση των ιόντων Cl στο τελικό διάλυμα; Διάλυμα προκύπτει με την διάλυση 1,1 L (σε stp) αέριου HCl σε νερό και αραίωση του διαλύματος που προκύπτει μέχρι τελικού όγκου 500 ml. α) Ποια η [Η 3 Ο + ] του διαλύματος που θα προκύψει; β) Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε 4,5 L νερού. Ποια η [Η 3 Ο + ] του νέου (αραιωμένου) διαλύματος; γ) Ποια η ποσότητα (σε mol) των ιόντων Η 3 Ο + στο αρχικό και στο αραιωμένο διάλυμα; Τι παρατηρείτε; Μην παραξενεύεστε, που ένας τέτοιος όγκος αερίου δε μεταβάλλει με την διάλυσή του τον όγκο ενός υγρού. Συνήθως έτσι κάνουν όλα! 6.4. Δοχείο όγκου 1 m 3 (= 1000 L) είναι γεμάτο με νερό. Στο δοχείο αυτό διαλύεται το περιεχόμενο 4 φακέλων με 100 g tuboflo (εμπορικό προϊόν που περιέχει NaOH και ξεβουλώνει τις αποχετεύσεις) ο καθένας. Ποια είναι η [ΟΗ ] στο διάλυμα που προκύπτει; Η μεταβολή του όγκου με την προσθήκη της στερεάς ουσίας θεωρείται αμελητέα. Nα θεωρήσετε ότι κάθε φακελάκι περιέχει καθαρό ΝaOH Στερεό μίγμα μάζας 9,3 g αποτελείται από ΚΟΗ και Ca(OH). Το μίγμα διαλύεται στο νερό σχηματίζοντας διάλυμα όγκου 00 ml στο οποίο η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ είναι 1 Μ. Ποιες είναι οι μάζες των δύο συστατικών του στερεού μίγματος σε g; 13

136 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ ,1 L αερίου HCl (σε STP) και 3,15 g ΗΝΟ 3 διαλύονται μαζί σε νερό σχηματίζοντας διάλυμα όγκου L. α) Ποια η [Η 3 Ο + ] στο διάλυμα που προκύπτει; β) Πόσα L νερού πρέπει να προστεθούν στο παραπάνω διάλυμα, ώστε η [Η 3 Ο + ] να υποδεκαπλασιαστεί; γ) Πόσα g ΗΝΟ 3 πρέπει να διαλυθούν επιπλέον στο αρχικό διάλυμα, ώστε η [Η 3 Ο + ] να δεκαπλασιαστεί; Να υποτεθεί ότι η προσθήκη της επιπλέον ποσότητας ΗΝΟ 3 δε μεταβάλλει αισθητά τον όγκο του διαλύματος. Χημεία και τέρατα: J. N. Brønsted, «Μερικές παρατηρήσεις για τη θεωρία περί οξέων και βάσεων» Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas (193), Τόμος 4, Σελ Απόσπασμα: Ελεύθερη μετάφραση Μπορούμε νε εκφράσουμε τις βασικές ιδιότητες της αμμωνίας με την εξίσωση (1): NH 4 + NH 3 + H + (1) ή με την εξίσωση (): NH OHˉ NH 4 OH (). Αν δεχτούμε την εξίσωση () ως μία κατάλληλη εξίσωση για τον χαρακτηρισμό των βάσεων θα είμαστε υποχρεωμένοι να γράφουμε διαφορετικές εξισώσεις για κάθε ένα διαφορετικό διαλύτη. Όμως, οι θεωρήσεις περί οξέων και βάσεων θα πρέπει να έχουν γενική μορφή και ανεξάρτητα από τη φύση του διαλύτη. Για το λόγο αυτό θα πρέπει να δεχτούμε την εξίσωση () ως έναν απόλυτο ορισμό για μία βάση. Τα παραπάνω μπορούν να αποσαφηνιστούν με τον ακόλουθο τρόπο: «Οξέα είναι ουσίες που μπορούν να παραχωρήσουν κατιόντα υδρογόνου και βάσεις ουσίες που μπορούν να προσλάβουν κατιόντα υδρογόνου». Η ουσία του ορισμού αυτού μπορεί να αποδοθεί σχηματικά με την ακόλουθη έκφραση, A B + H + (οξύ) (βάση) με την οποία δεν λέμε τίποτα για τις ιδιότητες των ουσιών Α και Β ούτε για το ηλεκτρικό τους φορτίο. Έτσι, αν η Α είναι ηλεκτρικά ουδέτερη, η Β θα έχει αρνητικό φορτίο: CH 3 COOH CH 3 COOˉ + H + (οξύ) (βάση) Επίσης, αν η A έχει θετικό φορτίο, η B θα πρέπει να είναι ηλεκτρικά ουδέτερη: NH + 4 NH 3 + H + (οξύ) (βάση) 14

137 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 6 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-17 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (4x17 = 68 μονάδες). 1. Μία ουσία συμπεριφέρεται ως οξύ, σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry, όταν: Α) παρέχει πρωτόνια Β) αποβάλει ηλεκτρόνια Γ) δέχεται πρωτόνια Δ) ελευθερώνει ΟΗ. Ποιο από τα παρακάτω μόρια ή ιόντα δεν μπορεί ποτέ να δράσει ως οξύ κατά Brönsted - Lowry; Α) το NO 3 Β) το ΗSO 3 Γ) το ΗSO 4 Δ) η NH 3 3. Έστω η ισορροπία: ΝΗ 3 + Η Ο NH ΟΗ. Σύμφωνα µε τη θεωρία των Brönsted - Lowry η αμμωνία (ΝΗ 3 ) στην παραπάνω αντίδραση συμπεριφέρεται ως: Α) οξύ Β) αμφιπρωτική ουσία Γ) βάση Δ) δέκτης ζεύγους ηλεκτρονίων [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 4. Στη χημική εξίσωση: HF + H O H 3 O + + F, το νερό συμπεριφέρεται ως Α) βάση Β) οξύ Γ) πρωτονιοδότης Δ) αμφολύτης [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 5. Ποια από τα μόρια ή ιόντα που ακολουθούν, Ι. ΡΟ 4 3, ΙΙ. ΗΡΟ 4 και ΙΙΙ. Η ΡΟ 4 μπορούν να δράσουν αμφιπρωτικά: A) Το Ι, το ΙΙ και το ΙΙΙ Β) Όλα Γ) Το ΙΙ και το ΙΙΙ Δ) Μόνο το Ι 6. Ποιό από τα παρακάτω συστήματα αποτελεί συζυγές ζεύγος οξέος - βάσης σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry; Α) HCN, CN Β) H 3 O +, OH Γ) H CO 3, CO 3 Δ) ΝΗ 4+, ΝΗ [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 7. Ποιο από τα παρακάτω ζεύγη αποτελεί συζυγές ζεύγος οξέος - βάσης σύμφωνα με τη θεωρία Brönsted - Lowry; Α) Η 3 Ο + - OH Β) H S - S Γ) HS - S Δ) HCl - H 3 O + [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 8. Η συζυγής βάση του Η SO 4 είναι το: Α) SO 4 Β) HSO 4 Γ) H SO 3 Δ) H S [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 9. Για την ισορροπία, HC O 4 + H 3 O + H C O 4 + H O ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή: Α) Το συζυγές οξύ του H 3 O + είναι το H O Β) Η συζυγής βάση του HC O 4 είναι το H C O 4 Γ) Το συζυγές οξύ του H O είναι το H 3 O + Δ) Το HC O 4 συμπεριφέρεται ως οξύ κατά Brönsted -Lowry 10. Ποιο από τα παρακάτω οξέα είναι ασθενής ηλεκτρολύτης στο νερό; Α) HF Β) HCl Γ) HΒr Δ) HI [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 11. Ποια από τις παρακάτω επιλογές περιλαμβάνει μόνο περιπτώσεις ισχυρών βάσεων κατά Brönsted - Lowry; Α) Το ιόν ΝΗ, το ιόν Ο, το ιόν CH 3 O Β) Η ΝΗ 3 και η CH 3 ΝΗ Γ) Το CH 3 COOH και η CH 3 CΗ OH Δ) Το ιόν CH 3 COO και το ιόν HCOO 1. Δίνεται η χημική εξίσωση: CH 3 COOH + ΟΗ H O + CH 3 COO Σύμφωνα µε τη θεωρία Brönsted - Lowry: Α) το CH 3 COOH και το H O αποτελούν συζυγές ζεύγος οξέος - βάσης Β) το ΟΗ και το CH 3 COO είναι οξέα Γ) το CH 3 COOH και το ΟΗ είναι βάσεις Δ) το H O και το ΟΗ αποτελούν συζυγές ζεύγος οξέος - βάσης [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 13. Οι ιοντικές ισορροπίες που ακολουθούν είναι και οι τρεις μετατοπισμένες προς τα δεξιά. N H NH 3 NH N H 4 NH 3 + HBr NH Br N H 4 + HBr N H Br Ποια είναι η σωστή σειρά ισχύος των οξέων; A) HBr > N H 5 + > NH 4 + B) N H 5 + > N H 4 > NH 4 + Γ) NH 3 > N H 4 > Br Δ) N H 5 + > HBr > NH Η συζυγής βάση του ιόντος [Zn(H O) 6 ] + είναι το ιόν: Α) [Zn(ΟΗ)(H O) 4 ] + Β) [Zn(H O) 5 ] + Γ) [Zn(Η 3 Ο)(H O) 5 ] 3+ Δ) [Zn(ΟΗ)(H O) 5 ] Ο ιοντισμός της ΝH 3 στα υδατικά της διαλύματα περιγράφεται από την εξίσωση: Α) ΝH 3 ΝΗ + Η + Β) ΝH 3 + Η Ο ΝΗ + Η 3 Ο + Γ) ΝH 3 + Η Ο ΝΗ 4+ + ΟΗ Δ) ΝH 3 + Η Ο ΝΗ 4+ + ΟΗ 15

138 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 16. Η ισορροπία που ακολουθεί, ΗΧ + HΖ H Χ + Ζ, είναι μετατοπισμένη προς τα αριστερά. Το ισχυρότερο οξύ στην ισορροπία αυτή είναι το: Α) Ζ Β) HΖ Γ) ΗΧ Δ) H Χ 17. Ποια η συγκέντρωση των ιόντων Na + σε διάλυμα που σχηματίζεται με ανάμιξη 0 ml διαλύματος Na SO 4 0,1 M με 50 ml διαλύματος Na 3 PO 4 0,3 M; A) 0,09 M B) 0,7 M Γ) 0,4 M Δ) 0,48 M 18. Να συμπληρώσετε κατάλληλα τον πίνακα που ακολουθεί. (4 μονάδες) Συζυγές οξύ H SO 4 AsH 3 Συζυγής βάση Η Ο HCO Είναι γνωστό ότι σε υδατικά διαλύματα το HCl και η ΝΗ 3 αντιδρούν σύμφωνα με την εξίσωση: HCl(aq) + NH 3 (aq) NH 4 Cl(aq) Όμως, η παραπάνω αντίδραση γίνεται και σε άλλους διαλύτες ή ακόμη και χωρίς διαλύτη. Έτσι, π.χ. η αντίδραση λαμβάνει χώρα μεταξύ HCl και NH 3 που έχουν διαλυθεί σε βενζόλιο (C 6 Η 6 ). Το προϊόν είναι πάλι ΝΗ 4 Cl το οποίο στην περίπτωση αυτή καταβυθίζεται ως ίζημα: HCl(βενζόλιο) + NH 3 (βενζόλιο) NH 4+ Cl (s) (1) Επίσης, τo HCl και η NH 3 αντιδρούν ακόμα και σε αέρια φάση: ΗCl(g) + ΝΗ 3 (g) NH 4+ Cl (s) () Να εξηγήσετε γιατί οι αντιδράσεις (1) και () εξηγούνται με τη θεωρία Brönsted - Lowry αλλά όχι με τη θεωρία του Arrhenius. (4 μονάδες) 0. Nα εξηγήσετε με τη χρήση κατάλληλων παραδειγμάτων τους όρους: α) ηλεκτρολυτική διάσταση, β) ιοντισμός, γ) αμφιπρωτική ουσία, δ) εφυδατωμένο ιόν. (8 μονάδες) 16

139 ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED LOWRY 1. Στα υδατικά του διαλύματα το ιόν HS δρα ως αμφιπρωτική ουσία. α) Να γράψετε τη χημική εξίσωση με το νερό, όπου να φαίνεται ότι το ιόν αυτό δρα ως οξύ. β) Να γράψετε τη χημική εξίσωση με το νερό, όπου να φαίνεται ότι το ιόν αυτό δρα ως βάση. γ) Να γράψετε πως αντιδρά το HS στα υδατικά διαλύματα με: i. NH 3 και ii. CH 3 COOH. Ποια είναι σε κάθε περίπτωση τα συζυγή ζεύγη; (6 μονάδες). 0,01 mol Na O προστίθενται σε νερό και λαμβάνει χώρα η αντίδραση: Νa O + H O NaOH To διάλυμα (Δ) που προκύπτει έχει όγκο 00 ml. α) Ποια η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ στο διάλυμα Δ; β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα Δ, ώστε η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ να υποτετραπλασιαστεί; (8 μονάδες) 17

140 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 18

141 7 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. H σταθερά του γινομένου των ιόντων του νερού Το νερό είναι μάλλον κακός αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος, καθώς αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά Ο από μόρια, Ο τα οποία δε προάγουν Ο τη Οδιέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος. Όμως, ακριβείς μετρήσεις αγωγιμότητας αποδεικνύουν ότι το χημικά καθαρό νερό δείχνει μία πολύ μικρή αγωγιμότητα που οφείλεται στον ιοντισμό σε πολύ μικρό ποσοστό των μορίων του, σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: Η + Ο + Ο Ο Ο Η Η Η Η Η Η Η βάση οξύ οξύ βάση Ο ιοντισμός του ΗΟ είναι ενδόθερμο φαινόμενο. H O(l) H 3 O + (aq) + OH (aq), ΔΗ > 0 Σύμφωνα με την εξίσωση αυτή, από τα δύο μόρια του Η Ο, το ένα παίζει το ρόλο της βάσης και μετατρέπεται σε Η 3 Ο + και το άλλο παίζει το ρόλο του οξέος και μετατρέπεται σε ΟΗ. Εφαρμόζοντας το νόμο της χημικής ισορροπίας, έχουμε: [H3O ] [OH ] K [H O] Η πυκνότητα (ρ) του νερού είναι περίπου ίση με 1 g/ml ή 1000 g/l (στους 5 ο C) και η σχετική μοριακή του μάζα (Μr) είναι ίση με 18. Καθώς το Η Ο ιοντίζεται ελάχιστα, η συγκέντρωσή του είναι πρακτικά σταθερή. Η σταθερή αυτή συγκέντρωση υπολογίζεται με τη θεώρηση ότι το χημικά καθαρό νερό (αλλά και τα αραιά υδατικά διαλύματα) αποτελούνται αποκλειστικά από μόρια νερού: nh m O HO 1000g/L [H O] 55,5M V 18 V 18 g/mol Επομένως, αν θέσουμε Κ [Η Ο] = K w, προκύπτει: [H 3 O + ] [OH ] = K w Η σταθερά K w ονομάζεται σταθερά του γινομένου των ιόντων του νερού, έχει τιμή ίση με στους 5 ο C και εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Μάλιστα, η Κ w αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, όπως συμβαίνει σε όλες τις ενδόθερμες αντιδράσεις και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier. Το βασικό με την παραπάνω εξίσωση είναι το ότι ισχύει για όλα τα υδατικά διαλύματα και όχι μόνο για το καθαρό νερό. Δηλαδή: 19

142 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σε οποιοδήποτε αραιό υδατικό διάλυμα οι συγκεντρώσεις των Η 3 Ο + και των ΟΗ μεταβάλλονται έτσι ώστε το γινόμενό τους (Κ w ) να είναι ίσο με στους 5 ο C. Με την αύξηση της θερμοκρασίας η τιμή της Κ w αυξάνεται.. Ουδέτερα, όξινα και βασικά υδατικά διαλύματα Στο χημικά καθαρό νερό οι συγκεντρώσεις των ιόντων Η 3 Ο + και ΟΗ είναι ίσες μεταξύ τους, καθώς τα ιόντα προέρχονται αποκλειστικά και μόνο από τον ιοντισμό του: [H 3 O + ] = [OH ] = 10 7 (5 ο C) Τα υδατικά διαλύματα στα οποία ισχύει [H 3 O + ] = [OH ] χαρακτηρίζονται ως ουδέτερα. Όταν στο νερό προστεθεί ποσότητα οξέος, ισχυρού ή ασθενούς, η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο + αυξάνεται, οπότε για να είναι το γινόμενο της συγκέντρωσης των ιόντων του νερού σταθερό, θα πρέπει η συγκέντρωση των ΟΗ να μειωθεί. Έτσι, λόγω της αρχής Le Châtelier, η ισορροπία ιοντισμού του νερού οδεύει προς τα αριστερά και άρα ο ιοντισμός του Η Ο περιορίζεται: H O Η 3 Ο + + OH HCl + H O Η 3 Ο + + Cl Τα υδατικά διαλύματα στα οποία ισχύει: [Η 3 Ο + ] > [OH ] και επομένως [Η 3 Ο + ] > 10 7 (στους 5 ο C) χαρακτηρίζονται ως όξινα. Επίσης, όταν στο νερό προστεθεί βάση, η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ αυξάνεται, ο- πότε θα πρέπει η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο + να μειωθεί. Και στην περίπτωση αυτή, η ισορροπία ιοντισμού του νερού οδεύει προς τα αριστερά, δηλαδή προς τα μόρια νερού που δεν έχουν ιοντιστεί: H O Η 3 Ο + + OH ΝaOH Na + + OH Τα υδατικά διαλύματα στα οποία ισχύει: [Η 3 Ο + ] < [OH ] και επομένως [Η 3 Ο + ] < 10 7 Μ (στους 5 ο C) χαρακτηρίζονται ως βασικά (ή αλκαλικά). 3. Τι είναι το ph ενός (υδατικού) διαλύματος; Καθώς η [Η 3 Ο + ] είναι συνήθως πολύ μικρή για την απλοποίηση των υπολογισμών που περιλαμβάνουν τα ιόντα αυτά, ο Δανός Sørensen εισήγαγε το 1909 τον όρο ph (πε-χα). Σύμφωνα με τον ορισμό αυτό: ph είναι ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της αριθμητικής τιμής της συγκέντρωσης των ιόντων Η 3 Ο +. Δηλαδή: Έχω ακούσει για ένα σαμπουάν με ph = 5,5, αλλά δεν ήξερα τι είναι και γιατί είναι τόσο ph = log[η 3 Ο + ] Ανάλογα ορίζεται και το poh (πε-οχά): poh = log[οh ]. Με βάση τους ορισμούς αυτούς προκύπτουν οι σχέσεις: 130

143 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph [Η 3 Ο + ] = 10 ph και [ΟΗ ] = 10 pοh Μπορούμε τώρα να δώσουμε έναν άλλο ορισμό των όξινων, βασικών και ουδέτερων διαλυμάτων με βάση το ph. Έτσι, για τα ουδέτερα διαλύματα στους 5 ο C, ισχύει: [Η 3 Ο + ] = [OH ] = 10 7, ph = log10 7 = ( 7) = 7 Για τα όξινα διαλύματα στους 5 ο C, ισχύει: [Η 3 Ο + ] > 10 7, log[η 3 Ο + ] < log10 7, ph < 7 Το ph υπολογίζεται με ακρίβεια, με ειδικά όργανα, τα phμετρα ή προσεγγιστικά με τη βοήθεια δεικτών που αλλάζουν χρώμα σε μια συγκεκριμένη περιοχή ph. Θεωρητικά είναι δυνατόν να έχουμε τιμές του ph μεγαλύτερες του 14 ή μικρότερες του 0, π.χ. διάλυμα HCl Μ ή διάλυμα NaOH Μ. Γενικά όμως στα πυκνά διαλύματα (με c > M), παρατηρούνται σημαντικές αποκλίσεις μεταξύ των τιμών που υπολογίζονται από τη σχέση ph = log[h3ο + ] και αυτών που προσδιορίζονται πειραματικά, λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφόρων ιόντων του διαλύματος. Για τα βασικά (ή αλκαλικά) διαλύματα στους 5 ο C, ισχύει: [Η 3 Ο + ] < 10 7, log[η 3 Ο + ] > log10 7, ph > 7 Επομένως, στους 5 o C: Στα όξινα διαλύματα ισχύει: ph < 7. Στα ουδέτερα διαλύματα ισχύει: ph = 7. Στα βασικά διαλύματα ισχύει: ph > 7. Έτσι, στους 5 ο C έχουμε την εξής κλίμακα ph: Ουδέτερο διάλυμα πιο όξινο διάλυμα πιο βασικό διάλυμα ph, [Η 3 Ο + ], [OH ] ph, [Η 3 Ο + ], [OH ] Εφαρμογή 1 Σε υδατικό διάλυμα ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 10 5 Μ. Να υπολογιστούν: α) το ph, β) η [ΟΗ ] και γ) το poh. Να χαρακτηριστεί το διάλυμα ως όξινο, ουδέτερο ή βασικό. θ=5 o C. Από τη σχέση, ph = log[η3ο + ] προκύπτει η σχέση: [Η3Ο + ] = 10 ph. Επίσης, από τη σχέση, pοh = log[οη ] προκύπτει η σχέση: [ΟΗ ] = 10 pοh. ph = log[h 3 O + ] = log10 5 = ( 5) = 5 14 K w 10 [OH ] 5 [H O ] poh = log[oh ] = log10 9 = ( 9) = 9 Επειδή ισχύει: ph < 7, το διάλυμα χαρακτηρίζεται όξινο. 9 M H μέτρηση του ph υδατικού διαλύματος γίνεται με τη βοήθεια ειδικών οργάνων που ονομάζονται πεχάμετρα, όργανα πολύ σημαντικά για κάθε χημικό εργαστήριο. Προσεγγιστικά η τιμή του ph μπορεί να βρεθεί με τη βοήθεια δεικτών, που αλλάζουν χρώμα σε ορισμένη περιοχή του ph. Ως παράμετρος, το ph είναι πολύ σημαντικό μέγεθος σε οποιοδήποτε υδατικό διάλυμα στη χημεία, στη βιοχημεία, στη βιομηχανία, στην ιατρική κτλ. 131

144 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4. Σχέση μεταξύ ph και poh Θα αποδείξουμε τώρα τη σχέση που συνδέει το ph με το poh, ξεκινώντας από τη βασική σχέση που ισχύει για όλα τα υδατικά διαλύματα. [Η 3 Ο + ] [ΟΗ ] = K w, log([η 3 Ο + ] [ΟΗ ]) = logk w log[η 3 Ο + ] + log[οη ] = logk w log[η 3 Ο + ] log[οη ] = logk w ph + poh = logk w = pk w Καθώς K w = 10 14, σε όλα τα υδατικά διαλύματα στους 5 o C ισχύει: ph + poh = 14 (στους 5 ο C) Εφαρμογή Ποιες σχέσεις ισχύουν για το poh στην περίπτωση των όξινων, ουδέτερων και βασικών διαλυμάτων (θ=5 ο C); Στα ουδέτερα διαλύματα, ισχύει: ph = poh = 7. Στα όξινα διαλύματα: poh = 14 ph > 7 (γιατί ph < 7) Στα βασικά (αλκαλικά) διαλύματα: poh < 7 (γιατί ph > 7) ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ 1. Πως υπολογίζουμε το ph σε διάλυμα ισχυρού οξέος; Για τον υπολογισμό του ph ενός διαλύματος ισχυρού οξέος, γνωστής συγκέντρωσης c, εφαρμόζουμε την εξής διαδικασία: 1. Γράφουμε την εξίσωση ιοντισμού του ισχυρού οξέος.. Από την αρχική συγκέντρωση c του οξέος υπολογίζουμε στοιχειομετρικά τη [Η 3 Ο + ]. 3. Εφαρμόζουμε τη σχέση: ph = log[η 3 Ο + ]. Παράδειγμα: Διαλύουμε 0,05 mol HNO 3 σε νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα (Δ) ό- γκου 500 ml. Ποιο το ph του διαλύματος Δ; Έχουμε ήδη αναφέρει μερικά παραδείγματα ισχυρών οξέων, όπως το HCl, το HBr, το HI, το HNO3, το HClO4 και το HSO4 (για τον 1ο ιοντισμό). Στα αραιά διαλύματα των οξέων αυτών θα δεχτούμε ότι ο ιοντισμός είναι πρακτικά πλήρης. Σε διαστάσεις και σε ιοντισμούς δουλεύουμε με συγκεντρώσεις! Υπολογίζουμε αρχικά τη συγκέντρωση του HNO 3 : c n V 0,05mol 0,1M 0,5L Το HNO 3 ιοντίζεται σύμφωνα με την εξίσωση: ΗΝΟ 3 + Η Ο Η 3 Ο + + ΝΟ 3 0,1 Μ 0,1 Μ 0,1 Μ [Η 3 Ο + ] = 0,1 Μ, ph = log[η 3 Ο + ] = log 0,1 = 1 13

145 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph. Πως υπολογίζουμε το ph σε διαλύματα ισχυρών βάσεων; Παράδειγμα: Ποιο το ph διαλύματος ΚΟΗ συγκέντρωσης 0,01 Μ στους 5 ο C; Τα υδροξείδια των μετάλλων της 1ης και της ης ομάδας του περιοδικού πίνακα θεωρούνται ισχυρές βάσεις (πλήρης διάσταση). Το ΚΟΗ διίσταται, σύμφωνα με την εξίσωση: ΚΟΗ Κ + + ΟΗ 10 Μ 10 Μ Επομένως: [ΟΗ ] = 10 Μ, poh = log[οη ] = log 10 = Επειδή θ=5 ο C, θα ισχύει: ph = 14 poh = 14 = 1 Θεωρούμε ένα διάλυμα συγκέντρωσης c1 και όγκου V1. Προσθέτουμε νερό, οπότε ο όγκος του διαλύματος αυξάνεται (V > V1), ενώ η συγκέντρωσή του μειώνεται (c < c1), καθώς το διάλυμα γίνεται πιο αραιό. Η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας, όμως, παραμένει σταθερή. Ισχύουν: n = c1 V1, n = c V και επομένως: c1 V1 = c V (σχέση αραίωσης διαλυμάτων). Επίσης, αν V o όγκος του διαλύτη που προστέθηκε, θα ισχύει: V = V1 + V 3. Αραίωση διαλυμάτων Έστω, π.χ. διάλυμα NaOH συγκέντρωσης c 1 και όγκου V 1. To NaOH είναι ισχυρή (ιοντική) βάση και στο νερό διίσταται πλήρως, σύμφωνα με την εξίσωση: NaOH Na + + OH c 1 c 1 c 1 To διάλυμα αραιώνεται με νερό, οπότε η συγκέντρωσή του γίνεται c (c < c 1 ) και ο ό- γκος του γίνεται V (V > V 1 ). NaOH Na + + OH c c c Έτσι, με την αραίωση η [ΟΗ ] μειώνεται από c 1 σε c. Αντίθετα, η ποσότητα των ιόντων ΟΗ παραμένει σταθερή (mol OH = c 1 V 1 = c V ). Θα θεωρήσουμε δύο διαλύματα της ίδιας διαλυμένης ουσίας, ένα διάλυμα συγκέντρωσης c1 και όγκου V1 και ένα άλλο διάλυμα συγκέντρωσης c και όγκου V. Αναμιγνύουμε τα δύο διαλύματα, οπότε προκύπτει ένα τρίτο διάλυμα με συγκέντρωση c και όγκο V = V1 + V. Η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας στο τελικό διάλυμα είναι ίση με το άθροισμα των ποσοτήτων της διαλυμένης ουσίας στα δύο αρχικά διαλύματα, δηλαδή: n = n1 + n. Ισχύουν: n1 = c1.v1, n = c.v, n = c.v, και άρα: c1 V1 + c V = cτελ Vτελ (σχέση ανάμιξης διαλυμάτων της ίδιας διαλυμένης ουσίας). Αν εξαιρέσουμε τις περιπτώσεις πολύ αραιών διαλυμάτων ισχύει γενικά: Με την αραίωση υπό σταθερή θερμοκρασία υδατικού διαλύματος ισχυρού οξέος ή ισχυρής βάσης με νερό σε δεκαπλάσιο όγκο, επέρχεται μεταβολή του ph κατά 1. Αν έχουμε ισχυρή βάση, τότε το ph μειώνεται κατά 1, ενώ αν έχουμε ισχυρό οξύ, τότε αυξάνεται κατά 1. Σε όλες τις περιπτώσεις με την αραίωση το ph τείνει προς το ουδέτερο ph. Αν έ- χουμε αραίωση κατά λιγότερο από 10 φορές η αντίστοιχη μεταβολή δεν είναι 1, αλλά μικρότερη. 4. Υπολογισμός του ph με ανάμιξη δύο διαλυμάτων του ίδιου ισχυρού οξέος (ή της ίδιας ισχυρής βάσης) Στην περίπτωση αυτή ακολουθούμε, συνήθως, τα εξής βήματα: Υπολογίζουμε τις συγκεντρώσεις των αρχικών διαλυμάτων (αν δεν τις ξέρουμε) Εφαρμόζουμε τον τύπο της ανάμιξης για να υπολογίσουμε τη συγκέντρωση του τελικού διαλύματος (c 1 V 1 + c V = c V) Γράφουμε την εξίσωση ιοντισμού ή διάστασης για το τελικό διάλυμα Εκτελούμε τους σχετικούς υπολογισμούς για την εύρεση της τιμής του ph. 133

146 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 5. Υπολογισμός του ph σε υπερβολικά αραιά διαλύματα ισχυρών οξέων ή βάσεων Σύμφωνα με τις παραπάνω παρατηρήσεις αν έχουμε υδατικό διάλυμα ΗΝΟ Μ το ph θα είναι ίσο με 3. Επίσης, αν έχουμε διάλυμα ΚΟΗ 10 3 Μ το ph θα είναι ίσο με 11. Στην περίπτωση, όμως, που έχουμε πολύ αραιά διαλύματα, π.χ. διάλυμα ΗΝΟ Μ το ph δεν μπορεί να είναι 8 (βασικό!). Στην περίπτωση αυτή πρέπει να συνυπολογιστούν και τα Η 3 Ο + από τον (αυτο)ιοντισμό του νερού. Γενικά, ισχύει: Στην εξαιρετική περίπτωση διαλυμάτων οξέων ή βάσεων στα οποία η συγκέντρωση των Η 3 Ο + ή ΟΗ, που προέρχεται από τον ιοντισμό (ή τη διάστασή) τους είναι μικρότερη από 10 6 Μ, για τον υπολογισμό του ph θα πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν και η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο + ή ΟΗ που προέρχεται από τον ιοντισμό του νερού. Στις άλλες περιπτώσεις ο ιοντισμός του νερού θα θεωρείται αμελητέος [Βλ παράδειγμα 5]. Ένα διάλυμα HCl συγκέντρωσης 10 8 Μ δεν έχει βέβαια ph = 8! Ένα διάλυμα HCl συγκέντρωσης 10 9 M ή μικρότερης έχει πρακτικά ph = 7 (στους 5 ο C). 6. Υπολογισμός του ph με την προσθήκη επιπλέον ποσότητας ηλεκτρολύτη, χωρίς μεταβολή όγκου (ΔV = 0) Στην περίπτωση αυτή υπολογίζουμε τη νέα συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη θεωρώντας το συνολικό αριθμό mol του ηλεκτρολύτη (αυτά που προϋπήρχαν στο διάλυμα συν αυτά που προστέθηκαν). Στη συνέχεια υπολογίζουμε το ph του διαλύματος κατά τα γνωστά (δες λυμένα παραδείγματα 9 και 10). ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Σε ένα διάλυμα ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 100 [ΟΗ ] (στους 5 ο C). Ποιο το ph του; Να χαρακτηριστεί το διάλυμα ως όξινο, ουδέτερο ή βασικό. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Σε κάθε υδατικό διάλυμα ισχύει: [Η 3 Ο + ] [ΟΗ ] = (5 ο C). Με βάση την σχέση που δίνεται από την άσκηση προκύπτει: 100 [ΟΗ ] = 10 14, [ΟΗ ] = 10 16, [ΟΗ ] = 10 8 M, poh = 8, ph = 6 Επειδή ph = 6 < 7 το διάλυμα είναι όξινο.. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λανθασμένες. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. α) Μεταξύ δύο διαλυμάτων οξέων της ίδιας θερμοκρασίας, περισσότερο όξινο είναι εκείνο που έχει μικρότερο ph. β) Αν σε υδατικό διάλυμα ισχύει poh = pk w, τότε το διάλυμα είναι ουδέτερο. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] γ) Ένα διάλυμα καυστικού νατρίου μπορεί να έχει pοh = 1. δ) Το μεταλλικό Ca αντιδρά με το νερό και δίνει διάλυμα με ph > 7 (στους 5 o C). ε) Η αντίδραση: Η 3 Ο + + ΟΗ H O, είναι πρακτικά μονόδρομη και εξώθερμη α- ντίδραση. στ) Όταν σε ένα υδατικό διάλυμα ισχύει η σχέση pη < pοη, το διάλυμα είναι βασικό. 134

147 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Σωστή. Όσο μικρότερο είναι το ph, τόσο πιο όξινο χαρακτηρίζεται ένα διάλυμα. β) Λανθασμένη. Με αύξηση του ph το διάλυμα γίνεται λιγότερο όξινο, η [Η 3 Ο + ] ελαττώνεται και η [ΟΗ ] αυξάνεται. γ) Σωστή. Σε ένα υδατικό διάλυμα ισχύει: ph + poh = pk w. Aν ισχύει επίσης poh = pk w, τότε θα ισχύει: ph = poh και επομένως: [Η 3 Ο + ] = [ΟΗ ]. Άρα, το διάλυμα θα είναι ουδέτερο. δ) Σωστή. Τα δραστικά μέταλλα (π.χ. Νa, K, Ca, Ba) αντιδρούν εύκολα με το νερό, παράγοντας τα αντίστοιχα υδροξείδια των μετάλλων και εκλύοντας αέριο Η : Ca + H O Ca(OH) + Η Tο παραγόμενο υδροξείδιο του ασβεστίου είναι ισχυρή βάση και διίσταται παράγοντας ιόντα ΟΗ : Ca(OH) Ca + + OH Λόγω των παραγόμενων ΟΗ, το ph του διαλύματος είναι βασικό. ε) Σωστή. Η αντίδραση Η 3 Ο + + ΟΗ H O είναι η αντίστροφη της αντίδρασης, H O Η 3 Ο + + OH, ΔΗ > 0 που αντιστοιχεί στον αυτοϊοντισμό του νερού και είναι ενδόθερμη αντίδραση με Κ w = Έτσι, η αντίστροφη αντίδραση θα είναι εξώθερμη και θα έχει σταθερά ισορροπίας ίση με (πρακτικά μονόδρομη). στ) Λανθασμένη. pη pοη < 0, log[h 3 O + ] + log[oh ] < 0, log([oh ]/[H 3 O + ]) < log1, [OH ]/[H 3 O + ] < 1, [OH ] < [H 3 O + ]. Άρα, το ph θα είναι όξινο. 3. Ουδέτερο διάλυμα έχει ph = 6,9. α) Να εξηγήσετε πως είναι δυνατόν αυτό να συμβεί. β) Ποια η τιμή της K w στην περίπτωση αυτή; γ) Να αποδειχθεί η σχέση μεταξύ του ουδέτερου ph και της Κ w. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Σε όλα τα υδατικά διαλύματα ισχύει: [H 3 O + ] [OH ] = K w. Ειδικά στα ουδέτερα διαλύματα ισχύει: [Η 3 Ο + ] = [ΟΗ ] και επομένως ειδικά στα ουδέτερα διαλύματα ισχύει: [H 3 O + ] = K w (1) Με βάση την παραπάνω σχέση στους 5 ο C (όπου K w = ) για τα ουδέτερα διαλύματα θα ισχύει [Η 3 Ο + ] = 10 7 Μ. Αν η θερμοκρασία του διαλύματος είναι μεγαλύτερη από τους 5 ο C, η τιμή της Κ w είναι μεγαλύτερη από 10 14, και άρα η [Η 3 Ο + ] θα είναι μεγαλύτερη από 10 7 Μ και άρα το ουδέτερο ph = log[h 3 O + ] θα είναι μικρότερο του 7. Ισχύει και το αντίστροφο: Αν ένα ουδέτερο υδατικό διάλυμα έχει ph < 7 τότε η θερμοκρασία του διαλύματος είναι θ > 5 ο C. β) Από την παραπάνω σχέση (1), προκύπτει: Κ w = [Η 3 Ο + ] = (10 6,9 ) = 10 13,8 > γ) Από τη σχέση (1) με λογαρίθμηση, προκύπτει: log[h 3 O + ] ουδ = logk w ph ουδ logkw pkw, όπου pk w = logk w. 135

148 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4. Ένα διάλυμα έχει ph = 6,8. Αν η θερμοκρασία του διαλύματος είναι θ = 60 ο C, να χαρακτηρίσετε το διάλυμα ως όξινο, ουδέτερο ή βασικό. Στους 60 ο C, Κ w = ΑΠΑΝΤΗΣΗ Υπολογίζουμε το ph του ουδέτερου διαλύματος στους 60 o C: [Η 3 Ο + ] [ΟΗ ] = Κ w, [Η 3 Ο + ] = 10 13, [H 3 O + ] ουδ = 10 6,5 M Επομένως, στους 60 ο C: ph ουδ = 6,5. Σε θ > 5 ο C τα ουδέτερα διαλύματα έχουν ph < 7, ενώ σε θ < 5 ο C τα ουδέτερα διαλύματα έχουν ph > 7. Έτσι, ένα διάλυμα με ph = 6,8, στους 60 o C, χαρακτηρίζεται ως βασικό. 5. Δίνεται διάλυμα ισχυρού οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c. α) Να αποδείξετε ότι έχει ph = logc. β) Με βάση την σχέση αυτή, ποιο θα ήταν το ph διαλύματος του ΗΑ συγκέντρωσης c = 10 8 Μ; Ποιό είναι το πραγματικό ph στην περίπτωση αυτή; θ=5 ο C. Κ w = ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Από τoν (πλήρη) ιοντισμό του ΗΑ έχουμε: 136 HA + Η Ο H 3 Ο + + A c c c ph = log[h 3 Ο + ] = logc β) Mε αντικατάσταση στην προηγούμενη σχέση για c = 10 8 Μ έχουμε ph = log10 8 = 8, που είναι μη δεκτή τιμή για όξινο διάλυμα. Σε τόσο αραιό διάλυμα οξέος, η συγκέντρωση των Η 3 Ο + που προέρχονται από τον ιοντισμό του νερού δεν είναι αμελητέα και θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν στους υπολογισμούς: HA + Η Ο Η 3 Ο + + A H O Η 3 Ο + + OH x x Επομένως ισχύει: [Η 3 Ο + ] = x. Αντικαθιστώντας στην εξίσωση του γινομένου των ιόντων του νερού, προκύπτει: [Η 3 Ο + ] [ΟΗ ] = 10 14, ( x) x = Δεκτή λύση: x = 9, και άρα [Η 3 Ο + ] = x = 1, Μ. Τελικά προκύπτει: ph = log[h 3 O + ] = 6, Nα αποδειχθεί ότι το ph διαλύματος ΝaOH συγκέντρωσης c > 10 6 Μ, στους θ ο C, δίνεται από τη σχέση: ph = pk w + logc, όπου Κ w η σταθερά του γινομένου των ιόντων του νερού στην ίδια θερμοκρασία. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Το ΝaOH διίσταται, σύμφωνα με την εξίσωση: NaΟΗ Na + + ΟΗ c c c

149 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph [ΟΗ ] = c, poh = logc Στα υδατικά διαλύματα ισχύει: ph + poh = pk w και επομένως: ph = pk w poh = pk w + logc 7. Ποσότητα ΗΝΟ 3 μάζας m = 1,6 g διαλύεται σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα όγκου V = 00 ml. α) Ποιο το ph του διαλύματος που προκύπτει; β) Πόσα ml νερού πρέπει να προστεθούν στο διάλυμα αυτό, ώστε το ph του διαλύματος να μεταβληθεί κατά ; Για το ΗΝΟ 3, Μ r = 63. ΛΥΣΗ α) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση c 1 του αρχικού διαλύματος: n m M r 1,6 0,0mol 63 c 1 n 0,0 mol 0,1 M V 0, L Από την εξίσωση ιοντισμού του ΗΝΟ 3, έχουμε: ΗΝΟ 3 + Η Ο Η 3 Ο + + ΝΟ 3 0,1 Μ 0,1 Μ Επομένως: [Η 3 Ο + ] = 0,1 Μ, ph = log[η 3 Ο + ] = log 0,1 = 1 β) Με την προσθήκη νερού σε ένα διάλυμα οξέος, το ph του διαλύματος αυξάνεται: ph = 3, οπότε [Η 3 Ο + ] = 10 3 Μ. ΗΝΟ 3 + Η Ο Η 3 Ο + + ΝΟ Μ 10 3 Μ Επομένως, c = 10 3 M. Εφαρμόζοντας τη σχέση της αραίωσης, c 1 V 1 = c V, προκύπτει: 0,1 0, = 10 3 V, οπότε V = 0 L. Άρα ο προστιθέμενος όγκος νερού είναι: (0 0,) L = 19,8 L. 8. Αναμιγνύονται δύο διαλύματα HCl, το Δ 1 και το Δ. Το διάλυμα Δ 1 έχει ph = και όγκο V και το διάλυμα Δ έχει ph = 4 και όγκο 10V. Ποιο το ph του διαλύματος (Δ) που προκύπτει; ΑΠΑΝΤΗΣΗ Υπολογίζουμε τις αρχικές συγκεντρώσεις των Δ 1 και Δ : 137

150 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 HCl + H O Cl + H 3 O + 1o διάλυμα: 10 Μ 10 Μ o διάλυμα: 10 4 Μ 10 4 Μ Τελικό διάλυμα (Δ): 10 V V = c 11 V, c = 10 3 M HCl + H O Cl + H 3 O M 10 3 M [Η 3 Ο + ] = 10 3 Μ, ph = log10 3 = 3 9. Διαθέτουμε διάλυμα NaOH με ph = 11, όγκου V = L. α) Ποια μάζα ΝaOH(s) (σε g) πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα αυτό, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε το ph να μεταβληθεί κατά 1; β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε στο νέο διάλυμα, ώστε να προκύψει ένα τελικό διάλυμα με ph = 11; Για το ΝaOH, Μ r = 40. θ=5 ο C. ΛΥΣΗ α) ph = 11, pοh = 3, [ΟΗ ] = 10 3 Μ ΝaΟΗ Na + + ΟΗ 10 3 Μ 10 3 Μ Υπολογίζουμε τον αρχικό αριθμό mol του NaOH στο αρχικό διάλυμα: n 1 c 1 V mol Με την προσθήκη επιπλέον ποσότητας ΝaOH η συγκέντρωση αυξάνεται με αποτέλεσμα το διάλυμα να γίνεται περισσότερο βασικό. Επομένως: ph = 1 και άρα η συγκέντρωση του ΝaOH θα έχει γίνει τώρα c = 0,01 Μ. Έστω n ο αριθμός των επιπλέον mol που προστέθηκαν. Θα ισχύει: c n n1 n,n1 n c V, V c V n 0, ,8 10 mol Η μάζα του NaOH προστέθηκε είναι: m = 1, = 0,7 g. β) Το τελικό διάλυμα έχει ph = 11, poh = 3, [ΟΗ ] = 10 3 Μ. Επομένως, στο διάλυμα αυτό η συγκέντρωση του NaOH θα είναι c 3 = 10 3 Μ. Από τη σχέση αραίωσης, έχουμε: c V = c 3 V 3, 0,01 = 10 3 V 3, V 3 = 0 L. Άρα, ο όγκος του νερού που προστέθηκε είναι: 0 = 18 L. 138

151 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph 10. Διάλυμα (Δ) περιέχει Ba(OH) σε περιεκτικότητα 0,855 %w/v και όγκο 00 ml. Το διάλυμα χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη. Στο 1ο μέρος προστίθενται 900 ml νερού και προκύπτει διάλυμα (Δ 1 ) όγκου 1 L. Στο ο μέρος προστίθενται 0,09 mol ΝaΟΗ και προκύπτει διάλυμα (Δ ) όγκου 100 ml. α) Να υπολογιστούν τα ph των διαλυμάτων Δ, Δ 1 και Δ. β) Να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις όλων των ιόντων στο διάλυμα Δ. Για το Ba(OH), M r = 171. Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C. Κ w = ΛΥΣΗ α) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του διαλύματος Δ: Στα 100 ml του διαλύματος Δ περιέχονται 0,855 g Ba(OH) Στα 1000 ml x = 8,55 g Tα 8,55 g αντιστοιχούν σε 8,55/171 = 0,05 mol Ba(OH) και επομένως η συγκέντρωση του διαλύματος Δ είναι: c = 0,05 M. Ba(OH) Ba + + OH 0,05 M 0,05 M 0,1 M Επομένως: poh = 1, ph = 14 1 = 13. Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του αραιωμένου διαλύματος: c V = c 1 V 1, 0,05 0,1 = c 3 1, c 3 = M Ba(OH) Ba + + OH M M 10 M poh =, ph = 14 = 1 Με την προσθήκη του NaOH το διάλυμα αποκτά συγκέντρωση σε NaOH ίση με 0,09/0,1 = 0,9 Μ. Επομένως, η ολική συγκέντρωση των ΟΗ θα υπολογίζεται από το άθροισμα των [ΟΗ ] με βάση τις διαστάσεις των δύο βάσεων: Ba(OH) Ba + + OH 0,05 M 0,05 M 0,1 M NaOH Na + + OH 0,9 M 0,9 M 0,9 M [ΟΗ ] ολ = 0,1 + 0,9 = 1 Μ poh = 0, ph = 14 β) Στο διάλυμα Δ υπολογίσαμε ήδη ότι: [ΟΗ ] = 1 Μ. Στο διάλυμα αυτό έχουμε επίσης: [Ba + ] = 5 10 M και [Νa + ] = 0,9 M. Επίσης, στο διάλυμα έχουμε και Η 3 Ο +, η συγκέντρωση των οποίων υπολογίζεται από τη σταθερά Κ w : [Η 3 Ο + ] [ΟΗ ] = 10 14, [Η 3 Ο + ] 1 = 10 14, [Η 3 Ο + ] = Μ 139

152 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά). ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Για νέους λύτες 7.1. Ένα ουδέτερο διάλυμα: Α) έχει ph = 7, πάντα και ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία Β) είναι αυτό στο οποίο ισχύει [Η 3 Ο + ] = [ΟΗ ] Γ) προκύπτει μόνο με την εξουδετέρωση ενός οξέος από βάση Δ) είναι μόνο το καθαρό νερό 7.. Στους 5 o C η σταθερά K w έχει τιμή: Α) ίση με 10 7 και στα όξινα διαλύματα και στα βασικά διαλύματα Β) ίση με και στα όξινα διαλύματα και στα βασικά διαλύματα Γ) μεγαλύτερη από 10 7 στα βασικά διαλύματα και μικρότερη από 10 7 στα όξινα διαλύματα Δ) μικρότερη από 10 7 στα βασικά διαλύματα και μεγαλύτερη από 10 7 στα όξινα διαλύματα 7.3. Με τη διάλυση ποσότητας NaOH(s) σε νερό, υπό σταθερή θερμοκρασία: Α) το γινόμενο [Η 3 Ο + ] [ΟΗ ] αυξάνεται Β) το γινόμενο [Η 3 Ο + ] [ΟΗ ] μειώνεται Γ) ο αυτοϊοντισμός του Η Ο αυξάνεται Δ) ο αυτοϊοντισμός του Η Ο περιορίζεται 7.4. Μεταξύ δύο υδατικών διαλυμάτων της ίδιας θερμοκρασίας, περισσότερο βασικό είναι αυτό που έχει: Α) μικρότερο ph Β) μεγαλύτερο poh Γ) μικρότερο pοh Δ) περισσότερα διαλυμένα mol βάσης 7.5. Διαθέτουμε διάλυμα ΝaOH 0,1 Μ στους 5 ο C. i. Το ph του διαλύματος αυτού είναι: Α) ίσο με 1 Β) ίσο με 13 Γ) μεταξύ 1 και 7 Δ) μεταξύ 7 και 1 ii. Με τη συνεχή αραίωση με νερό, το ph του παραπάνω διαλύματος: Α) αυξάνεται συνεχώς Β) αυξάνεται μέχρι την τιμή 14 Γ) μειώνεται, αλλά παραμένει μεγαλύτερο του 7 Δ) μειώνεται μέχρι την τιμή Στην υγρή αμμωνία τα μόρια της ΝΗ 3 αυτοϊοντίζονται κατ αναλογία με τα μόρια του Η Ο. Στη σχετική ισορροπία, ποιο είναι το παραγόμενο ζεύγος προϊόντων; Α) ΝΗ 4 + και ΟΗ Β) ΝΗ 3 και ΝΗ 4 + Γ) ΝΗ 4 + και ΝΗ Δ) ΝΗ 3 και ΝΗ 7.7. i. Διάλυμα Ca(OH) συγκέντρωσης c = 0,005 Μ έχει ph στους 5 o C ίσο με: Α) 1 log5 Β) 1 Γ) + log5 Δ) 1 ii. Ένα ισχυρό διπρωτικό οξύ H A διαλύεται σε νερό στους 5 C και προκύπτει διάλυμα συγκέντρωσης c με ph =. Θεωρώντας πλήρη ιοντισμό και στα δύο στάδια, θα ισχύει: A) c = Μ B) c = 0,01 Μ Γ) c = 0, Μ Δ) c = 0,05 Μ 7.8. Ουδέτερο διάλυμα εμφανίζει ph = 6,9. Αυτό σημαίνει ότι: Α) θ > 5 ο C Β) [Η 3 Ο + ] > [ΟΗ ] Γ) [Η 3 Ο + ] < [ΟΗ ] Δ) poh = 14 6,9 = 7, i. Σε 1 L διαλύματος HCl με ph = 1 προστίθενται 0,1 mol ΗΝΟ 3, χωρίς μεταβολή στον όγκο του διαλύματος. Το νέο ph θα είναι: A) μικρότερο του 1 B) μεταξύ 1 και Γ) πάνω από Δ) ίσο με ii. Σε 1 L διαλύματος HCl 0,1 M προστίθεται 1 L διαλύματος HΒr 0,1 M. Το ph του διαλύματος που θα προκύψει θα είναι: Α) ίσο με 1 Β) ίσο με Γ) μικρότερο από 1 Δ) μεταξύ 1 και Το ph διαλύματος HCl 0,1 M όγκου 10 ml δεν θα αλλάξει αν σε αυτό προσθέσουμε: A) 5 ml Η Ο B) 10 ml Η Ο Γ) 0 ml διαλύματος HBr 0,1 Μ Δ) 10 ml διαλύματος HCl 0,01 M Για ένα διάλυμα HCl 10 8 Μ, ποια από τις σχέσεις που ακολουθούν είναι ακριβής; A) ph = 8 B) [H 3 Ο + ] = [Cl ] Γ) [Cl ] = 10 8 Μ Δ) [H 3 Ο + ] < [Cl ] 7.1. Διάλυμα έχει ph = 7 στους θ ο C, όπου Κ w = Το διάλυμα αυτό: Α) είναι ουδέτερο Β) έχει [ΟΗ ] = 10 7 Μ Γ) είναι όξινο Δ) έχει θ < 5 ο C Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα στους 5 ο C, ένα διάλυμα NaOH 0,1 M, 100 ml και ένα άλλο ΚΟΗ 0, Μ, 00 ml. Tι από τα παρακάτω ισχύει; Α) Το πρώτο διάλυμα έχει [Η 3 Ο + ] μικρότερη από την αντίστοιχη [Η 3 Ο + ] του δεύτερου διαλύματος Β) Το δεύτερο διάλυμα έχει μεγαλύτερο ph από το πρώτο διάλυμα Γ) Το πρώτο διάλυμα έχει [ΟΗ ] μεγαλύτερη από την αντίστοιχη [ΟΗ ] του δεύτερου Δ) Το δεύτερο διάλυμα έχει μεγαλύτερο poh από το πρώτο διάλυμα 140

153 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph Ποιο από τα διαγράμματα που ακολουθούν αποδίδει καλύτερα τη σχέση μεταξύ [Η 3 Ο + ] και [ΟΗ ] σε υδατικά διαλύματα 5 ο C; [ΟΗ ] Α) [Η3Ο + ] [ΟΗ ] Β) 45 ο [Η 3 Ο + ] H τιμή της σταθεράς K w του γινομένου των ιόντων του Η Ο στους θ 1ο C έχει τιμή ίση με 10 14,5. α) Να εκτιμήσετε αν η θερμοκρασία θ 1ο C είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από τους 5 ο C. β) Ποια η τιμή του ph και του poh για το χημικά καθαρό Η Ο στους θ 1ο C; γ) Ένα υδατικό διάλυμα με ph = 7 στους θ 1ο C θα είναι όξινο, βασικό ή ουδέτερο; δ) Ποιο είναι το ph ενός υδατικού διαλύματος NaOH συγκέντρωσης 10 3 M, i. στους 5 ο C και ii. στους θ 1ο C; ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ [ΟΗ ] Γ) [ΟΗ ] Δ) 7.0. Να υπολογίσετε το ph των εξής διαλυμάτων, στους 5 ο C: α) HCl 0,01 M. β) ΗΝΟ 3 6,3% w/v. γ) NaOH 0,04% w/v. δ) Ba(OH) 0,005 M. [Η 3 Ο + ] α) Nα αποδειχθεί ότι το ph ενός υδατικού διαλύματος Ca(OH) συγκέντρωσης c, στους θ ο C δίνεται από τη σχέση: ph = pk w + logc + log, όπου Κ w η σταθερά του γινομένου των ιόντων του νερού στην ίδια θερμοκρασία. β) Nα αποδειχθεί ότι ένα διάλυμα HCl 0,1 Μ έχει μεγαλύτερο ph από ένα διάλυμα H SO 4 0,1 M Στον παρακάτω πίνακα υπάρχουν διαλύματα μόνο ισχυρών οξέων και ισχυρών βάσεων στους 5 ο C. Να συμπληρωθεί ο πίνακας με τις τιμές συγκεντρώσεων, ph και poh που λείπουν. Διάλυμα c ph poh NaOH 0,01 HCl 1 HNO 3 0 KOH 3 Ca(OH) HClO 4 13 Ca(OH) HBr 10 KOH 11 [Η 3 Ο + ] α) Πόσες φορές μεταβάλλεται η [Η 3 Ο + ] ενός διαλύματος, όταν το ph του ανεβαίνει κατά μονάδες; β) Θεωρείστε δύο υδατικά διαλύματα, το Α και το Β. Η [Η 3 Ο + ] του Α είναι 1000 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του Β. Πόσο διαφέρουν τα ph των δύο διαλυμάτων; Ποιο από τα δύο διαλύματα είναι το πιο όξινο; Σε κάποια θερμοκρασία θ ο C η σταθερά K w έχει τιμή ίση με α) Nα συγκρίνετε τη θερμοκρασία θ με τους 5 ο C. β) Να υπολογίσετε τις συγκεντρώσεις των ιόντων H 3 O +, OH καθώς και το ph για ένα ουδέτερο υδατικό διάλυμα στους θ ο C. log = 0, mol CaO διαλύονται πλήρως σε νερό, οπότε διεξάγεται η αντίδραση: CaO + H O Ca(OH) και τελικά προκύπτει διάλυμα όγκου 1 L. Για το διάλυμα αυτό να υ- πολογιστεί η [ΟΗ ], η [Η 3 Ο + ] και το ph του. θ=5 ο C. 7.. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε δύο διαλύματα HCl, ένα με ph = 1 και ένα άλλο με ph = 3, ώστε το διάλυμα που θα προκύψει να έχει ph = ; 7.3. Αναμιγνύουμε 100 ml ενός διαλύματος Βa(OH) με ph = 13 με 1 L άλλου διαλύματος Βa(OH) με ph = 11. Να υπολογιστεί το ph του τελικού διαλύματος. θ=5 ο C Σε διάλυμα HCl 0,01 M όγκου 400 ml προσθέτουμε,916 g HΒr χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος που θα προκύψει Πόσα mg στερεού NaOH πρέπει να διαλυθούν (χωρίς μεταβολή όγκου) σε 500 ml διαλύματος NaOH 0,005 Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 1; θ=5 ο C Σε ποσότητα νερού διοχετεύονται 5,6 L αερίου HCl μετρημένα σε STP, οπότε σχηματίζονται 500 ml διαλύματος. Αν 5 ml από το διάλυμα αυτό αραιωθούν στα 15 ml, ποιο θα είναι το ph του διαλύματος που θα προκύψει; 7.7. Ένας χυμός λεμονιού έχει όγκο L και παρουσιάζει [Η 3 Ο + ] = 10 4 Μ. α) Ποιο το ph του χυμού; β) Ποιος όγκος διαλύματος HCl 0,1 Μ πρέπει να αραιωθεί με νερό, ώστε να σχηματίσει διάλυμα ίσου όγκου και ίδιου ph με το χυμό λεμονιού; Σε όλες τις περιπτώσεις θ=5 ο C. Για καλούς λύτες 7.8. Δύο διαλύματα Ca(OH), έχουν το ένα περιεκτικότητα 0,037 % w/v και το άλλο συγκέντρωση Μ. α) Ποιο είναι το ph του κάθε διαλύματος; 141

154 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε τα δύο παραπάνω διαλύματα, ώστε το τελικό διάλυμα να έχει ph = 11; γ) Πόσα mg Ca(OH) (s) πρέπει να προστεθούν (χωρίς μεταβολή όγκου) σε 1 L του διαλύματος Ca(OH) Μ, ώστε το διάλυμα που θα προκύψει να έχει ph = 11; θ=5 ο C Διάλυμα (Δ) HCl όγκου 100 ml και περιεκτικότητας 3,54% w/w έχει πυκνότητα ρ = 1,03 g ml 1. α) Ποιο είναι το ph του διαλύματος αυτού; β) 10 ml από το διάλυμα Δ αραιώνονται με νερό και προκύπτει διάλυμα όγκου 1 L. Ποιο το ph του; γ) Άλλα 10 ml από το αρχικό διάλυμα HCl αναμιγνύεται με V ml από άλλο διάλυμα HCl με ph =, οπότε για το νέο διάλυμα που προκύπτει ισχύει: ph = 1. Να υπολογιστεί η τιμή του όγκου V Σε 00 ml διαλύματος HCl 0,3 M προσθέτουμε 1,3 g Zn, που διαλύονται πλήρως. Να υπολογιστούν: α) Ο όγκος του αερίου που ελευθερώθηκε σε STP. β) Το ph του τελικού διαλύματος. Δίνεται η εξίσωση: Zn + HCl ZnCl + H ,01 mol Ba(OH) διαλύονται σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα όγκου 00 ml. α) Ποιο το ph του διαλύματος που προκύπτει; β) Πόσο L νερού πρέπει να προστεθούν στο διάλυμα αυτό, ώστε το ph του διαλύματος να μεταβληθεί κατά 1; γ) Πόσα g NaOH(s) πρέπει να διαλύσουμε σε νερό ώστε να προκύψει διάλυμα όγκου 00 ml με ph ίδιο με αυτό στο δεύτερο διάλυμα; θ=5 ο C α) g NaOH(s) διαλύονται σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα (Χ) όγκου 5 L. Ποιο το ph του διαλύματος Χ; β) Πόσα g στερεού Ca(OH) πρέπει να διαλύσουμε σε άλλη ποσότητα νερού, ώστε να σχηματιστεί διάλυμα όγκου 0,5 L με το ίδιο ph με το διάλυμα Χ; γ) Πόσα mol KOH(s) πρέπει να διαλύσουμε στο αρχικό διάλυμα Χ, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε το ph να αυξηθεί κατά 1; θ=5 ο C. Κ w = Ποσότητες Na και Ca διαλύονται με προσοχή στο νερό, σχηματίζοντας διάλυμα (Δ) όγκου 400 ml. Κατά τη διαδικασία αυτή παρατηρήθηκε η έκλυση 44,8 ml αερίου σε STP. Ποιο το ph του διαλύματος Δ στους 5 ο C; Δίνονται οι εξισώσεις: Na + H O NaOH + H και Ca + H O Ca(OH) + H ,1 L HCl(g) μετρημένα σε STP διαλύονται πλήρως σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα (Δ 1 ) όγκου 0,5 L. α) Ποιο το ph του διαλύματος; β) Πόσα g ΗΝΟ 3 πρέπει να προστεθούν στο παραπάνω διάλυμα, χωρίς αισθητή μεταβολή όγκου, ώστε το ph του νέου διαλύματος (Δ ) να διαφέρει κατά 1 σε σχέση με το αρχικό; γ) Πόσα ml νερού πρέπει να προστεθούν στο διάλυμα Δ, ώστε το ph να γίνει πάλι ίσο με το αρχικό; Διαθέτουμε υδατικό διάλυμα (Δ 1 ) HCl 0,365% w/v. Το διάλυμα αυτό αναμειγνύεται με 9 L καθαρού νερού, οπότε προκύπτει διάλυμα Δ όγκου 10 L. 1 L από το διάλυμα αυτό αναμειγνύεται με 9 L καθαρού νερού και προκύπτει νέο διάλυμα Δ 3. Με ανάλογες διαδικασίες προκύπτουν διαλύματα Δ 4 - Δ 10. α) Να υπολογίσετε τα ph των Δ 1 - Δ 3 και να εξηγήσετε τις διαδοχικές μεταβολές τους. β) Γιατί οι τιμές ph των διαλυμάτων μετά το Δ 5 αποκλίνουν όλο και περισσότερο από τις θεωρητικές τιμές με βάση τις αραιώσεις; Σε ποια τιμή ph τείνουν ασυμπτωτικά οι τιμές ph των τελευταίων διαλυμάτων; γ) Να σχεδιάσετε μια νέα σειρά διαλυμάτων Δ 1 - Δ 10 ισχυρής βάσης (π.χ. NaOH), αναλόγων συγκεντρώσεων, ώστε να προκύπτουν αντίστοιχα συμπεράσματα. Για όλα τα διαλύματα, θ=5 ο C ,05 mol μιας ισχυρής βάσης κατά Arrhenius του τύπου Μ(ΟΗ) x (Μ: μέταλλο) διαλύονται σε νερό σχηματίζοντας 5 L διαλύματος (Δ1) με ph = 1. Επίσης, 0,05 mol μονοπρωτικής βάσης Β διαλύονται σε νερό σχηματίζοντας 5 L διαλύματος (Δ) με ph = 11. α) Να υπολογίσετε την τιμή του x. β) Να δείξετε ότι η βάση Β είναι ασθενής. γ) Πόσα L νερού πρέπει να προστεθούν σε όλη την ποσότητα του Δ1 ώστε να αποκτήσει το ίδιο ph με αυτό του διαλύματος Δ; Σε όλες τις περιπτώσεις θ=5 ο C. Κ w = Κάποιος αγοράζει ένα ενυδρείο χωρητικότητας 100 L το οποίο, για τη σωστή διαβίωση των ψαριών, πρέπει να έχει ph μεταξύ 6,3 και 6,5. Γεμίζει το ενυδρείο με νερό και προσθέτει 3 ml διαλύματος HCl 10 M, χωρίς αισθητή μεταβολή του όγκου. Να εξετάσετε αν το ph του διαλύματος που θα προκύψει είναι στα επιθυμητά όρια. K w = Οι υπολογισμοί να γίνουν με αριθμομηχανή. ΔΥΟ ΕΙΔΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Διάλυμα HCl 0,1 M (Δ 1 ) όγκου 1 L αραιώνεται με νερό προς διάλυμα Δ όγκου 10 L. Να υπολογιστεί ο λόγος των mol των ιόντων ΟΗ στο διάλυμα Δ σε σχέση με το διάλυμα Δ 1. Π.Μ.Δ.Χ Δύο ποτήρια Π1 και Π περιέχουν 100 ml Η Ο και 100 ml διαλύματος ΝaOH 10 3 Μ, αντίστοιχα. Τα περιεχόμενα των δύο ποτηριών αναμιγνύονται σε ένα άλλο ποτήρι (Π3). Να υπολογιστεί ο λόγος (λ) των βαθμών ιοντισμού του νερού στο ποτήρι Π1 και στο ποτήρι Π3. Για την ΝΗ 3, Κ b = Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C, όπου Κ w = Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. 14

155 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 7 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-14 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (4x13 = 5 μονάδες). 1. Ένα υδατικό διάλυμα θερμοκρασίας 5 ο C, είναι βασικό, όταν: Α) poh > 7 Β) [ΟΗ ] < [Η 3 Ο + ] Γ) [ΟΗ ] > [Η 3 Ο + ] Δ) ph < 7 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016]. Το χημικά καθαρό νερό παρουσιάζει: A) πάντα ουδέτερο ph B) όξινο ph, αν θ > 5 ο C Γ) βασικό ph, αν θ > 5 ο C Δ) όξινο ph αν θ > 5 ο C και βασικό ph αν θ < 5 ο C 3. To διάγραμμα που ακολουθεί δείχνει το ph του χημικά καθαρού νερού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας του (σε ο C). 7,6 7,4 7, 7,0 6,8 6,6 6, Με βάση το διάγραμμα αυτό ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι η σωστή; Α) Σε όλες τις θερμοκρασίες, [Η 3 Ο + ] = 10 7 Μ Β) Σε θ > 5 ο C το νερό εμφανίζεται όξινο, ενώ σε θ < 5 ο C εμφανίζεται βασικό Γ) Η τιμή της pk w στους 60 ο C θα είναι ίση με 13 Δ) Η τιμή της K w στους 60 ο C θα είναι μικρότερη από την τιμή της K w στους 30 ο C 4. Ένα διάλυμα για το οποίο ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 10 [ΟΗ ], στους 5 ο C, θα έχει ph = : Α) 1 Β) 1 Γ) 6,5 Δ) 8,5 5. Όταν το ph ενός διαλύματος μεταβάλλεται από την τιμή 9 στην τιμή 1: A) η [ΟΗ ] τριπλασιάζεται B) η [Η 3 Ο + ] τριπλασιάζεται Γ) η [ΟΗ ] μειώνεται 1000 φορές Δ) η [Η 3 Ο + ] μειώνεται 1000 φορές Ποιο μπορεί να είναι το ph ενός υδατικού διαλύματος ΚΟΗ 0,0 M στους 5 ο C; A) 1,3 B) 1 Γ) Δ) 1,7 7. Διάλυμα HCl έχει όγκο 100 ml και ph = 1,5. Αν το διάλυμα αραιωθεί με νερό μέχρι τελικού όγκου 1 L το ph του διαλύματος που θα προκύψει θα είναι ίσο με: A) 0,5 B) 1,5 Γ),5 Δ) 3,5 8. Για ένα διάλυμα NaOH 0,01 M στους 5 ο C, ισχύουν: Α) [Η 3 Ο + ] = 10 1 Μ και ph = 1 Β) [OH ] = 10 1 Μ και ph = 1 Γ) [Η 3 Ο + ] = 10 1 Μ και poh = 1 Δ) [OH ] = 10 1 Μ και poh = 1 9. Διάλυμα ΚΟΗ έχει ph = 1 στους 5 ο C. Κατά τη συνεχή αραίωση του διαλύματος με νερό το ph του: Α) αυξάνεται συνεχώς Β) αυξάνεται μέχρι την τιμή 14 Γ) μειώνεται, αλλά παραμένει πάντα μεγαλύτερο του 7 Δ) μειώνεται μέχρι την τιμή Σε 1 L διαλύματος HCl με ph = 1 προστίθεται 0,1 mol HBr, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Το νέο ph θα είναι: Α) ίσο με 1 Β) ίσο με Γ) μικρότερο από 1 Δ) μεταξύ 1 και 11. Διαθέτουμε διάλυμα CH 3 COOH συγκέντρωσης 0,1 Μ στους 5 ο C. Για το ph του διαλύματος αυτού μπορούμε να πούμε ότι: Α) είναι μικρότερο του 1 Β) είναι μεγαλύτερο του 1 Γ) είναι ίσο με 1 Δ) δεν μπορούμε να γνωρίζουμε γιατί δεν είναι γνωστός ο όγκος του 1. Το ph ενός υδατικού διαλύματος όγκου 100 ml που περιέχει 10 4 mol HΝΟ 3 είναι: A) ίσο με 3 B) μικρότερο του 3 Γ) ίσο με 4 Δ) ίσο με Ποιο από τα παρακάτω υδατικά διαλύματα στους 5 ο C έχει τη μεγαλύτερη τιμή ph; [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Α) ΝΗ 3 0,1 M Β) Βa(OH) 0,1 M Γ) ΝaΟΗ 0,1 Μ Δ) ΝaCN 0,1 Μ 14. Να αιτιολογήσετε την ισχύ της πρότασης που ακολουθεί: «Για δύο υδατικά διαλύματα, Δ 1 : ΝaOH, συγκέντρωσης c 1 και Δ : Ca(OH), συγκέντρωσης c που έχουν το ίδιο ph στην ίδια θερμοκρασία ισχύει: c 1 > c.» 8 μονάδες 143

156 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 15. Να θεωρήσετε τα διαλύματα Α, Β, Γ και Δ για τα οποία είναι γνωστά τα εξής: A: [OH ] = Μ, B: pοh = 11, Γ: ph = 10, Δ: [H 3 O + ] = 10 7 Μ. Να ταξινομήσετε τα διαλύματα αυτά κατά σειρά αυξανόμενου ph. θ=5 ο C. 8 μονάδες 16. Για ένα υδατικό διάλυμα HCl πολύ μικρής συγκέντρωσης (c < 10 6 ), να αποδειχθεί η σχέση: Kw [H3 O ] c [H O ] 3 8 μονάδες 17. Να συμπληρωθεί ο πίνακας με τις τιμές συγκεντρώσεων, ph και poh που λείπουν. Τo H Α να θεωρηθεί ισχυρό και στα δύο στάδια ιοντισμού του και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί η εξίσωση: Η Α + Η Ο Α + Η 3 Ο +. θ=5 ο C. 8 μονάδες Διάλυμα c ph poh 1. NaOH 4. HNO Βa(OH) 0,005 Μ 4. H Α 18. Σε ένα υδατικό διάλυμα ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 10 3 [OH ]. α) Να χαρακτηριστεί το διάλυμα ως όξινο, ουδέτερο ή βασικό. β) Να υπολογιστούν το ph και το poh του διαλύματος. θ=5 o C. Κ w = μονάδες 144

157 ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ph 19. 0,1 g Ca διαλύεται πλήρως σε νερό, οπότε διεξάγεται η αντίδραση: Ca + H O Ca(OH) + Η και σχηματίζεται τελικά διάλυμα όγκου 500 ml. Να υπολογιστεί ο όγκος του αερίου που ελευθερώθηκε από την αντίδραση σε STP, καθώς και το ph του τελικού διαλύματος στους 5 o C. Για το Ca, Α r = 40. θ=5 ο C, όπου K w = μονάδες 0. Διαθέτουμε 50 ml διαλύματος ΗΝΟ 3 (Μ r = 63) περιεκτικότητας 0,63% w/v. α) Ποιο το ph του διαλύματος; β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε όλη την ποσότητα του διαλύματος για να μεταβληθεί το ph του κατά μονάδες; 8 μονάδες 145

158 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 146

159 8 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Η σταθερά ιοντισμού ασθενών ηλεκτρολυτών Ο ιοντισμός των οξέων, όπως και ο ιοντισμός του νερού, θεωρείται ενδόθερμο φαινόμενο. Ο ιοντισμός ενός ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ στο νερό περιγράφεται από την ισορροπία: HA(aq) + H O(l) A (aq) + H 3 O + (aq), ΔΗ > 0 Πριν τον ιοντισμό ΗΑ Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας ιοντισμού ΗΑ Η 3 Ο + Α Όπως και στο καθαρό νερό, στα αραιά υδατικά διαλύματα η [ΗΟ] είναι πρακτικά σταθερή και ελάχιστα επηρεάζεται από τον ιοντισμό του α- σθενούς οξέος. c c x x x Η σταθερά της χημικής ισορροπίας Κ c θα δίνεται από την σχέση: K c [A ] [H3O ] [HA] [H O] Θεωρώντας τη [Η Ο] πρακτικά σταθερή τη συμπεριλαμβάνουμε στη σταθερά Κ c, δημιουργώντας μια νέα σταθερά, την σταθερά ιοντισμού του οξέος, Κ a = Κ c [Η Ο]: K a [A ] [H O 3 [HA] ] Η αντίδραση ιοντισμού είναι ενδόθερμο φαινόμενο και άρα η σταθερά ιοντισμού K a αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του διαλύματος. Π.χ.: CH 3 COOH + H O CH 3 COOO + H 3 O +, [CH COO 3 ] [H3O ] Ka [CH COOH] Με ανάλογο τρόπο ορίζεται και η σταθερά ιοντισμού Κ b στην περίπτωση των ασθενών βάσεων. Έτσι, π.χ. για τον ιοντισμό της ΝΗ 3, έχουμε: 3 NH 3 (aq) + H O(l) NH 4 + (aq) + OH (aq), [NH 4 ] [OH ] Kb [NH ] 3 147

160 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Για τον ιοντισμό μιας αμίνης του τύπου RNH, ισχύει: RNH + H O RNH OH, [RNH3 ] [OH ] Kb [RNH ] Οι σταθερές Κ a και Κ b εκφράζουν το σταθερό λόγο του γινομένου των συγκεντρώσεων των ιόντων του ασθενούς ηλεκτρολύτη προς τη συγκέντρωση των μορίων που δεν έχουν ιοντιστεί στην ισορροπία. Στα υδατικά διαλύματα των ισχυρών οξέων (π.χ. HCl, HNO 3, HClO 4 κτλ.) η σταθερά ιοντισμού δεν ορίζεται (καλύτερα έχει πολύ μεγάλη τιμή), καθώς είναι ασήμαντος ο α- ριθμός των μορίων του οξέος που δεν έχουν ιοντιστεί και πρακτικά το οξύ απαντάται μόνο με τη μορφή των ιόντων του (π.χ. η σταθερά K a του ΗCl είναι της τάξης του 10 8 ). Στην πράξη, οι σταθερές ιοντισμού των ισχυρών ηλεκτρολυτών δεν χρησιμοποιούνται, και οι ιοντισμοί θεωρούνται πλήρεις. Σε περιπτώσεις πολύ μικρών τιμών της Κ a ή της K b (μικρότερες από ), ο ιοντισμός είναι αμελητέος και δεν λαμβάνεται υπόψη.. Από τι εξαρτώνται οι τιμές των σταθερών ιοντισμού Κ a και K b ; Για αραιά υδατικά διαλύματα η σταθερά ιοντισμού Κ a εξαρτάται: α) από τη φύση του οξέος, β) από τη φύση του διαλύτη και γ) από τη θερμοκρασία (με αύξηση της θερμοκρασίας η Κ a αυξάνεται, αφού το φαινόμενο του ιοντισμού είναι γενικά ενδόθερμο). Επειδή όμως αναφερόμαστε σε υδατικά διαλύματα ενός συγκεκριμένου οξέος (ή βάσης), λέμε ότι η σταθερά ιοντισμού Κ a (αντίστοιχα η K b ) εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Η σταθερά Κ a αποτελεί μέτρο της ισχύος των οξέων. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της Κ a σε ορισμένη θερμοκρασία, τόσο ισχυρότερο είναι το οξύ, καθώς η ισορροπία είναι περισσότερο μετατοπισμένη προς τα δεξιά. Μάλιστα, είναι ασφαλέστερο κριτήριο από τον βαθμό ιοντισμού για την σύγκριση της ισχύος των οξέων (ή των βάσεων), καθώς ο βαθμός ιοντισμού εξαρτάται και από τη συγκέντρωση του διαλύματος. Ο βαθμός ιοντισμού α εξαρτάται από όλους τους παράγοντες που εξαρτάται η σταθερά ιοντισμού Κ a ή K b (φύση ηλεκτρολύτη, φύση διαλύτη και θερμοκρασία), καθώς επίσης και από δύο άλλους παράγοντες, τη συγκέντρωση c του διαλύματος και την επίδραση κοινού ιόντος. Όπως θα δούμε και στο κεφάλαιο της οργανικής χημείας, οι αμίνες λειτουργούν ως ασθενείς βάσεις. Η μονάδα για τις σταθερές Κa και Kb είναι το 1 Μ. Στην πράξη, όμως, χρησιμοποιούνται μόνο οι αριθμητικές τους τιμές. Στη θερμοδυναμική είναι έτσι κι αλλιώς αδιάστατα μεγέθη. Η Κb αποτελεί μέτρο της ι- σχύος των βάσεων. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της Κb σε ορισμένη θερμοκρασία, τόσο ισχυρότερη είναι η βάση, εφ όσον η ισορροπία ιοντισμού της είναι περισσότερο μετατοπισμένη προς τα δεξιά. Ως βαθμός ιοντισμού α ορίζεται το κλάσμα των mol (ή της συγκέντρωσης) του ασθενούς οξέος ή της βάσης που βρίσκεται στο διάλυμα με τη μορφή ιόντων. Δηλαδή: x α c όπου x η συγκέντρωση σε mol/l (M) των ιόντων του οξέος ή της βάσης που παράχθηκαν κατά τον ιοντισμό και c η αρχική συγκέντρωση, πριν δηλαδή τον ιοντισμό. Η εξάρτηση του βαθμού ιοντισμού από τη συγκέντρωση αναφέρεται στο νόμο αραίωσης του Ostwald που ακολουθεί. 3. Νόμος αραίωσης του Ostwald Ορίσαμε δύο μεγέθη, τη σταθερά ιοντισμού K a (ή K b ) και το βαθμό ιοντισμού α. Στην παράγραφο αυτή θα ασχοληθούμε με τη σχέση που συνδέει τα δύο αυτά μεγέθη. Θεωρούμε, π.χ. υδατικό διάλυμα CH 3 COOH αρχικής συγκέντρωσης c. Για τον ιοντισμό του CH 3 COOH έχουμε: 148

161 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Αν x τα mol/l του οξέος που έχουν ιοντιστεί, έχουμε τον εξής πίνακα: mol/l CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Αρχικά c Μεταβολές x x x Ιοντική ισορροπία c x x x F. W. Ostwald ( ): Μεγάλος Γερμανός χημικός, που θεμελίωσε ένα σημαντικό κλάδο της Χημείας, τη Φυσικοχημεία. Βραβείο Νόμπελ Χημείας το Με την αραίωση διαλύματος CH3COOH, το γινόμενο [H3O + ] [CH3COO ] μειώνεται περισσότερο από τη [CH3COOH] με αποτέλεσμα ο λόγος [H3O + ] [CH3COO ] /[CH3COOH] να μειώνεται. Έτσι, αυξάνεται ο ιοντισμός του CH3COOH, τόσο ώστε η τιμή της Ka να παραμείνει η ίδια, με την αραίωση του διαλύματος. Μεταβολή του βαθμού ιοντισμού α ενός ασθενούς ηλεκτρολύτη με τη συγκέντρωση, σύμφωνα με το νόμο αραίωσης του Ostwald. α θ=σταθ. c Από τον ορισμό του α, έχουμε: x = α c, και c x = c (1 α), οπότε από την έκφραση της σταθεράς ιοντισμού του οξέος, Κ a, προκύπτει: K a Δηλαδή: [CH3COO ] [H3O [CH COOH] K a 3 ] x α c α c c x c α c 1 α α c (νόμος αραίωσης του Ostwald) 1 α Mε ανάλογη διαδικασία προκύπτει ο νόμος αραίωσης του Ostwald για διάλυμα ασθενούς βάσης, π.χ. της NH 3 : K b mol/l ΝΗ 3 + H O ΝH ΟΗ Αρχικά c Μεταβολές x x x Ιοντική ισορροπία c x x x [NH4 ] [OH [NH ] 3 ] x α c c x 1 α Στην περίπτωση ασθενών οξέων ή βάσεων με α << 1, μπορούμε να θεωρήσουμε τις προσεγγίσεις, 1 α 1 και c x c, οπότε οι παραπάνω σχέσεις απλουστεύονται ως εξής: Κ a = α c (προσεγγιστική έκφραση του νόμου αραίωσης K b = α c του Ostwald) H παραπάνω απλούστευση γίνεται όταν ισχύει: α 0,1 ή Κ a /c 0,01 (Κ b /c 0,01) Ο βαθμός ιοντισμού α ορίζεται από τη σχέση: α = x/c και επομένως: x = α c Από την απλουστευμένη έκφραση του νόμου του Ostwald προκύπτει: α K c a ή α K c b Από τη σχέση αυτή παρατηρούμε ότι ο βαθμός ιοντισμού εξαρτάται, εκτός από τη θερμοκρασία (από την οποία εξαρτάται και η Κ a ) και από τη συγκέντρωση c του διαλύματος. Συγκεκριμένα φαίνεται ότι: 149

162 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 O βαθμός ιοντισμού a αυξάνεται όσο μειώνεται η συγκέντρωση του ασθενούς ηλεκτρολύτη (π.χ. με αραίωση του διαλύματος) και αντίστροφα. Παρατήρηση (σημαντική): Αν σε μία άσκηση αναφέρεται ότι ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την προσεγγιστική έκφραση του νόμου αραίωσης του Ostwald. Aν δεν αναφέρεται, τότε ή θα αποδεικνύουμε ότι α 0,1 ή Κ a /c 0,01 ή δεν θα χρησιμοποιούμε τις προσεγγιστικές εκφράσεις. 4. Υπολογισμός του ph σε διάλυμα ασθενούς οξέος ή βάσης Έστω ότι θέλουμε να υπολογίσουμε το ph ενός διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c. Κατασκευάζουμε το γνωστό πίνακα: mol/l HA + H O H 3 O + + A Αρχικά c Μεταβολές x x x Ιοντική ισορροπία c x x x Όπου: x = α c, ο αριθμός των mol/l του οξέος που έχουν ιοντιστεί. O πίνακας αυτός γράφεται πιο σύντομα ως εξής: mol/l HA + H O H 3 O + + A Ιοντική ισορροπία c x x x Αν αναφέρεται ότι ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις, θεωρούμε: c x c και άρα από την έκφραση της σταθεράς K a, έχουμε: K a [H3O ] [A [HA] ] x c Από την παραπάνω σχέση προκύπτει: x Ka c, και επομένως: [ H3O ] Ka c Η σχέση αυτή μας δίνει τη [Η 3 Ο + ] σε διάλυμα ασθενούς οξέος στο οποίο ισχύουν οι προσεγγίσεις. Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτούσια, αλλά θα αποδεικνύεται με την προηγούμενη διαδικασία. Στα διαλύματα ασθενών βάσεων ισχύει (προσεγγιστικά): [ΟΗ ] = Κ b c Αν δεν ισχύουν οι προσεγγιστικές εκφράσεις, χρησιμοποιούμε τη σχέση: 150 K a Εφαρμογή 1 [H3O ] [A [HA] ] x c x Διάλυμα HCOOH έχει συγκέντρωση c = 1 Μ και ph =. Nα υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς ιοντισμού, K a, καθώς και η τιμή του βαθμού ιοντισμού α. Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. mol/l HCOOH + H O H 3 O + + HCOO Ιοντική ισορροπία c x x x

163 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ Επειδή ph =, x = [H 3 O + ] = 10 M. Θεωρούμε την προσέγγιση: c x c και άρα από την έκφραση της σταθεράς ιοντισμού, K a, έχουμε: [H3O ] [HCOO ] x (10 ) 4 a 10 K [HCOOH] c 1 O βαθμός ιοντισμού (α) μπορεί να υπολογιστεί ως εξής: α x c Μπορεί, επίσης, να υπολογιστεί από το νόμο αραίωσης του Ostwald με την προσεγγιστική του έκφραση, ως εξής: α Ka c Ανάλογους υπολογισμούς κάνουμε και στην περίπτωση διαλύματος ασθενούς βάσης, όπως φαίνεται στην εφαρμογή που ακολουθεί. Εφαρμογή Διάλυμα ΝΗ 3 έχει συγκέντρωση c = 0,1 Μ. Nα υπολογιστεί το ph του διαλύματος καθώς και η τιμή του βαθμού ιοντισμού α. Για την ΝΗ 3, K b = θ=5 ο C. mol/l ΝΗ 3 + H O ΝH ΟΗ Ιοντική ισορροπία 0,1 x x x 5 Kb 10 1 c ,1 Επομένως μπορούμε να θεωρήσουμε: 0,1 x 0,1 M. Από την έκφραση της σταθεράς ιοντισμού, K b, έχουμε: [NH4 ] [OH ] Kb [NH ] 3 x, 0,1 x [OH ] K 0,1 b M. Επομένως: poh = 3, ph = 14 3 = 11. α Kb c ,1 10. Είδαμε, μελετώντας τη θεωρία Brönsted - Lowry ότι σε ένα ζεύγος συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης, όσο πιο ισχυρό είναι το οξύ (δηλαδή όσο πιο μεγάλη η σταθερά Ka), τόσο πιο ασθενής είναι η βάση (τόσο μικρότερη η Kb). 5. Σχέση μεταξύ Κ a και Κ b σε ζεύγος συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης Θα βρούμε τη σχέση μεταξύ των K a και K b ενός ζεύγους συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης, π.χ. στο ζεύγος NH NH 3. + NH 3 + H O NH 4 + OH [NH4 ] [OH ], Kb [1] [NH ] + NH 4 + H O NH 3 + H 3 Ο + [NH3 ] [H3O ], Ka [] [NH ]

164 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Από τις [1] και [] με πολλαπλασιασμό κατά μέλη, έχουμε: K K a b 3 4 ] [NH3 ] [H O [NH 4 ] [NH ] [OH. [NH ] 3 ] [H O ] [OH ] K 3 w Γενικά, σε ένα ζεύγος συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης ισχύει: Κ a K b = K w Από την παραπάνω σχέση, έχουμε: log(k a K b ) = logk w, logk a + logk b = logk w = 14 (5 o C) log K a + ( log K b ) = 14. Θέτοντας, pk a = log K a και pk b = log K b, έχουμε τελικά: pκ a + pk b = pk w = 14 (5 o C) Εφαρμογή 3 Παρατηρούμε πάλι αυτό που ήδη ξέρουμε: Όσο αυξάνεται η ισχύς του οξέος (μεγαλύτερο Ka, μικρότερο pka), τόσο μειώνεται η ισχύς της συζυγούς βάσης (μικρότερο Kb, μεγαλύτερο pkb). Ποια η τιμή της σταθεράς Ka του νερού ως οξύ, στους 5 ο C; [H O 3 ] [OH ] Ka(H O) [H O] , ,5 16 Η σταθερά K a για το HΝΟ είναι ίση με Ποια η τιμή της σταθεράς K b του ιόντος ΝΟ ; K w = (θ=5 o C). Το ιόν ΝΟ είναι η συζυγής βάση του οξέος ΗΝΟ και επομένως ισχύει: K b K K w a ,510 10, Περίπτωση διπρωτικών οξέων Έχουμε ήδη αναφέρει ότι τα διπρωτικά οξέα ιοντίζονται σε δύο στάδια, αποβάλλοντας τα δύο Η +, διαδοχικά. Έστω για παράδειγμα το ασθενές διπρωτικό οξύ Η S: Η S + H O HS + H O HS + H 3 O + (εξίσωση 1ου ιοντισμού) S + H 3 O + (εξίσωση ου ιοντισμού) Κάθε ένα από τα στάδια αυτά χαρακτηρίζεται από μία σταθερά ιοντισμού Κ a1 και K a, αντίστοιχα: K a 1 [HS ] [H3O ] και [H S] K a1 a a [S ] [H3O ] [HS ] K K Η ερώτηση της ημέρας: Ποιος είναι ο ρόλος του HS κατά Brönsted - Lowry, σύμφωνα με τις διπλανές εξισώσεις; Ειδικά για το Η SO 4, που θεωρείται ισχυρό οξύ στο 1o στάδιο ιοντισμού του, χρησιμοποιείται μόνο η σταθερά ιοντισμού για το ο στάδιο: Η SΟ 4 + H O HSΟ 4 + H 3 O + HSΟ 4 + H O SΟ 4 + H 3 O + [SO4 ] [H3O ], Ka 10 [HSO ] 4 Από τη σχετικά υψηλή τιμή της σταθεράς για το δεύτερο ιοντισμό του HSO4 βλέπουμε ότι δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις! 15

165 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗ ΛΥΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Αραίωση διαλύματος ασθενούς οξέος ή ασθενούς βάσης Έστω ένα διάλυμα ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ, συγκέντρωσης c 1 και όγκου V 1. To διάλυμα αραιώνεται με νερό, οπότε η συγκέντρωσή του γίνεται c (c < c 1 ) και ο ό- γκος του V (V > V 1 ). Θεωρώντας τις κατάλληλες προσεγγίσεις, έχουμε: Για το αρχικό διάλυμα έχουμε τον εξής πίνακα: mol/l HA + H O H 3 O + + A Αρχικά c 1 Μεταβολές x x x Ιοντική ισορροπία c 1 x x x Θεωρώντας τις κατάλληλες προσεγγίσεις, ισχύουν οι σχέσεις: x = [H 3 O + ] = α 1 c 1, K a = α 1 c 1 και [ H3O ] 1 Ka c1 Αντίστοιχα για το αραιωμένο διάλυμα έχουμε: mol/l HA + H O H 3 O + + A Αρχικά c Μεταβολές y y y Ιοντική ισορροπία c y y y y = [H 3 O + ] = α c, K a = α.c και [ H3O ] Ka c Επομένως με την αραίωση διαλύματος ασθενούς οξέος: Ο βαθμός ιοντισμού α αυξάνεται. Η [H 3 O + ] μειώνεται. Το ph αυξάνεται. Με την αραίωση η ισορροπία ιοντισμού πηγαίνει προς τα δεξιά με σύγχρονη αύξηση της ποσότητας των Η3Ο +. Η συγκέντρωση των Η3Ο + όμως μειώνεται (το ph αυξάνεται), καθώς ταυτόχρονα αυξάνει και ο όγκος του διαλύματος. Ας δούμε τώρα τι θα πάθει η ποσότητα των ιόντων H 3 O + με την αραίωση. n (H 3 O + ) 1 = [H 3 O + ] 1 V 1 = (α 1 c 1 ) V 1 = α 1 (c 1 V 1 ) n (H 3 O + ) = [H 3 O + ] V = (α c ) V = α (c V ) Καθώς c 1 V 1 = c V, και επίσης α > α 1 θα ισχύει: n (H 3 O + ) 1 < n (H 3 O + ) Ανάλογα, με την αραίωση ενός διαλύματος ασθενούς βάσης μπορούμε να βγάλουμε το εξής συμπέρασμα: Με την αραίωση ενός διαλύματος ασθενούς βάσης η [ΟΗ ] μειώνεται και το διάλυμα γίνεται λιγότερο βασικό (μείωση του ph). Η ποσότητα των ΟΗ όμως, αυξάνεται με την αραίωση, καθώς η ισορροπία ιοντισμού πηγαίνει προς τα δεξιά. 153

166 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1. Γενικά συμπεράσματα για την αραίωση διαλυμάτων ισχυρών ή ασθενών οξέων ή βάσεων Γενικά μπορούμε να πούμε ότι: Η αραίωση ενός όξινου διαλύματος αυξάνει το ph, ενώ η αραίωση ενός βασικού διαλύματος μειώνει το ph. Και στις δύο περιπτώσεις το ph τείνει προς το ουδέτερο. Για το βαθμό ιοντισμού α: Στα ασθενή οξέα και τις ασθενείς βάσεις ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται όσο περισσότερο αραιώνεται το διάλυμα. Για τα Η 3 Ο + και τα ΟΗ : Με την αραίωση διαλύματος ασθενούς οξέος η ποσότητα των ιόντων Η 3 Ο + αυξάνεται, ενώ με την αραίωση διαλύματος ασθενούς βάσης η ποσότητα των ιόντων ΟΗ αυξάνεται. Για το ph: Κατά την αραίωση διαλύματος ασθενούς οξέος το ph αυξάνεται ενώ κατά την αραίωση διαλύματος ασθενούς βάσης το ph μειώνεται. Αν η αραίωση είναι κατά 10 φορές (από όγκο V σε τελικό όγκο 10V) η μεταβολή στο ph είναι μικρότερη από 1 (αν ισχύουν οι προσεγγίσεις η μεταβολή του ph θα είναι ίση με 0,5). Συνοπτικά έχουμε τα παρακάτω αποτελέσματα (παρατίθενται συγκριτικά και τα ισχυρά οξέα και ισχυρές βάσεις): ΑΡΑΙΩΣΗ Ασθενή οξέα Ισχυρά οξέα c α σταθερός ( = 1) [H 3 O + ] ph mol H 3 O + σταθερά ΑΡΑΙΩΣΗ Ασθενείς βάσεις Ισχυρές βάσεις c α σταθερός ( = 1) [ΟΗ ] poh ph mol ΟΗ σταθερά Κατά την αραίωση διαλυμάτων ισχυρών οξέων ή βάσεων, ο βαθμός ιοντισμού τους παραμένει σταθερός και ίσος με 1. Με την αραίωση διαλύματος ισχυρού οξέος (ή ισχυρής βάσης) η ποσότητα των Η3Ο + (αντίστοιχα των ΟΗ ) παραμένει σταθερή. Με την αραίωση ενός διαλύματος ισχυρού οξέος ή ισχυρής βάσης με νερό σε δεκαπλάσιο όγκο, επέρχεται μεταβολή του ph κατά 1. Αντίστροφα πράγματα συμβαίνουν με τη συμπύκνωση διαλύματος ασθενούς ή ισχυρού οξέος ή βάσης 3. Ανάμιξη δύο διαλυμάτων ασθενούς οξέος ή ασθενούς βάσης Έστω δύο διαλύματα ενός ασθενούς οξέος ΗΑ, συγκεντρώσεων c 1 και c. Με την ανάμιξη των δύο αυτών διαλυμάτων προκύπτει διάλυμα ΗΑ συγκέντρωσης c. Θεωρώντας ότι ισχύουν οι προσεγγίσεις, έχουμε: K a = α 1 c 1 (1), K a = α c (), K a = α c (3) Από τη σχέση της ανάμιξης, έχουμε: c 1 V 1 + c V = c (V 1 + V ) (4) 154

167 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ Η σχέση μεταξύ των βαθμών ιοντισμού στα τρία διαλύματα προκύπτει με λύση των (1), () και (3) ως προς c 1, c και c, αντίστοιχα και αντικατάσταση στη σχέση (4). Καθώς η τιμή της c είναι ανάμεσα στις τιμές των c 1 και c, και η τιμή του α θα είναι ανάμεσα στις τιμές των α 1 και α. 4. Προβλήματα στα οποία δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις Στα περισσότερα προβλήματα που σχετίζονται με ιοντισμούς ασθενών οξέων ή βάσεων αναφέρεται ότι «για την απλούστευση των υπολογισμών να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις», δηλαδή c x c και 1 α 1. α) Σε όσα προβλήματα δεν αναφέρεται κάτι τέτοιο θα πρέπει να ελεγχθεί η ισχύς των προσεγγίσεων με βάση τις σχέσεις: α 0,1 ή Κ a /c 0,01. Αν ισχύουν, τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι προσεγγιστικές εκφράσεις, ενώ στην αντίθετη περίπτωση δεν επιτρέπεται η χρήση των προσεγγίσεων. β) Στα προβλήματα που δεν μπορεί να γίνει ο έλεγχος ισχύος των προσεγγίσεων, είτε εκτελούμε τους υπολογισμούς, χωρίς τη χρήση των προσεγγίσεων, είτε. χρησιμοποιούμε τις προσεγγιστικές εκφράσεις και αποδεικνύουμε ότι ισχύουν εκ των υστέρων. 5. Πως μπορούμε να δείξουμε ότι ένα μονοπρωτικό οξύ ΗΑ είναι ισχυρό ή ασθενές Για να δείξουμε ότι σε ένα διάλυμα μονοπρωτικού οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c, το ΗΑ συμπεριφέρεται ως ισχυρό οξύ αρκεί να δείξουμε ένα από τα παρακάτω: α) [Η 3 Ο + ] = c β) Ο βαθμός ιοντισμού α ισούται με 1. γ) Ο βαθμός ιοντισμού α δεν μεταβάλλεται με την αραίωση του διαλύματος. Για να δείξουμε ότι σε ένα διάλυμα μονοπρωτικού οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c, το ΗΑ συμπεριφέρεται ως ασθενές οξύ αρκεί να δείξουμε ότι: α) [Η 3 Ο + ] < c. β) Ο βαθμός ιοντισμού α είναι μικρότερος από 1. γ) Ο βαθμός ιοντισμού α αυξάνεται με την αραίωση του διαλύματος. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ, ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Nα αιτιολογήσετε την ισχύ της πρότασης που ακολουθεί: «Το CH 3 COOH διαλυμένο σε υγρή αμμωνία συμπεριφέρεται ως ισχυρό οξύ». ΑΠΑΝΤΗΣΗ Η ισχύς ενός οξέος εξαρτάται και από την ισχύ της βάσης με την οποία αντιδρά. Στα υδατικά του διαλύματα το CH 3 COOH λειτουργεί ως ασθενές οξύ καθώς το Η Ο είναι πολύ ασθενής βάση. Η αμμωνία, όμως, είναι πολύ ισχυρότερη βάση από το Η Ο με α- ποτέλεσμα η ισχύς του CH 3 COOH να αυξάνεται κατά πολύ. Έτσι, το CH 3 COOH σε υ- γρή ΝH 3 συμπεριφέρεται ως ισχυρό οξύ. 155

168 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1. Ασθενές οξύ ΗΑ εμφανίζει βαθμό ιοντισμού α 1 σε διάλυμα συγκέντρωσης c 1, ενώ ένα άλλο ασθενές οξύ ΗΒ εμφανίζει βαθμό ιονισμού α < α 1 σε διάλυμα συγκέντρωσης c < c 1. Πoιο οξύ είναι ισχυρότερο; Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α 1 > α ή α 1 > α c 1 > c α 1 c 1 > α c Από τις σχέσεις, Κ a1 = α 1 c 1 και Κ a = α c, έχουμε: Κ a1 > Κ a και επομένως, το ΗΑ είναι ισχυρότερο από το ΗΒ γιατί έχει μεγαλύτερη σταθερά ιοντισμού. 3. Να ταξινομήσετε τις βάσεις: CN, CH 3 COO, F, κατ αύξουσα ισχύ. Δίνονται οι σταθερές ιοντισμού: Κ a (CH 3 COOH) = 10 5, Κ a (HCN) = και K a (HF) = ΑΠΑΝΤΗΣΗ Παρατηρώντας τις σταθερές ιοντισμού των οξέων που δίνονται, βλέπουμε ότι το HF είναι ισχυρότερο ως οξύ από το CH 3 COOH και αυτό με τη σειρά του ισχυρότερο από το HCN. Ξέρουμε, όμως, ότι όσο πιο ισχυρό είναι ένα οξύ, τόσο πιο ασθενής είναι η συζυγής του βάση. Επομένως η σειρά ισχύος των βάσεων είναι: F, CH 3 COO, CN. 4. Να αποδειχθεί ότι ο βαθμός ιοντισμού α ενός ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ και μίας ασθενούς μονοπρωτικής βάσης Β δίνονται αντίστοιχα από τις σχέσεις: Ka α K [H O ] a 3 α K b Kb [OH ] ΑΠΑΝΤΗΣΗ Με βάση το νόμο του Ostwald έχουμε: [H3O α α C α 1 α 1 α ] [H O ] α 1 α 3 Ka Ka a 3 K α [Η Ο ] α, Ka α K [H O ] a 3 Με παρόμοιο τρόπο αποδεικνύεται και η ανάλογη σχέση για την περίπτωση της ασθενούς βάσης. 5. Διάλυμα περιέχει ένα ασθενές οξύ ΗΑ με βαθμό ιοντισμού α 1. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε νερό, υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε ο όγκος του διαλύματος να διπλασιαστεί. Με τη θεώρηση των κατάλληλων προσεγγίσεων να απoδειχθεί ότι για το βαθμό ιοντισμού α του τελικού διαλύματος ισχύει: α α1 ΑΠΑΝΤΗΣΗ K a = α 1 c 1 K a = α c α 1 c 1 = α c [1] Μην τα λέμε πάλι! Η σταθερά Κa ενός ασθενούς οξέος είναι ανεξάρτητη από τη συγκέντρωση. Εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Όμως: c 1 V 1 = c V 1, οπότε: c 1 = c []. Από τις [1] και [] προκύπτει: α = α 1 α = α

169 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ 6. Σε δύο διαλύματά του Δ 1 και Δ το ασθενές οξύ ΗΑ έχει βαθμούς ιοντισμού α και 3α, αντίστοιχα. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμιχθούν τα Δ 1 και Δ, ώστε να προκύψει διάλυμα Δ 3 στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να είναι α; Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Έστω c 1 και c οι συγκεντρώσεις του ΗΑ στα Δ 1 και Δ και c η συγκέντρωσή του στο Δ 3. Ισχύουν οι προσεγγιστικές εκφράσεις του νόμου αραίωσης του Ostwald: K a = α c 1, K a = 9α c, K a = 4α c Από τη σχέση ανάμιξης διαλυμάτων της ίδιας διαλυμένης ουσίας, έχουμε: c 1 V 1 + c V = c (V 1 +V ) K a a K a V1 9a V K a 4a (V V ), (πράξεις): 1 V1 V Διάλυμα μονοπρωτικού οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c 1 έχει όγκο V και ph = 3. Το διάλυμα αραιώνεται με νερό σε τελικό όγκο 10V, οπότε ph = 3,5. α) Να δείξετε ότι το ΗΑ είναι ασθενές οξύ. β) Να υπολογίσετε το λόγο των βαθμών ιοντισμού α /α 1 πριν και μετά την αραίωση. Όλα τα διαλύματα έχουν την ίδια θερμοκρασία. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Πριν την αραίωση ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ δίνεται από τη σχέση: 3 x 10 α1 (1) c c1 Λόγω της αραίωσης: c 1 V = c 10V, όπου c η συγκέντρωση μετά την αραίωση. Επομένως: c 1 = c 10. Μετά την αραίωση, ο νέος βαθμός ιοντισμού θα δίνεται από τη σχέση: α ,5,5 α1 c1 /10 c1 () Παρατηρούμε ότι με την αραίωση ο βαθμός ιοντισμού του οξέος αυξάνεται και επομένως το ΗΑ είναι ασθενές οξύ, καθώς αν ήταν ισχυρό οξύ ο βαθμός ιοντισμού θα παρέμεινε σταθερός (και ίσος με 1). β) Από τις σχέσεις (1) και () με διαίρεση κατά μέλη, προκύπτει: α /α 1 = 10 0,5 = Διαθέτουμε 100 ml υδατικού διαλύματος CH 3 COOH. α) Πόσα ml νερού πρέπει να προστεθούν στο διάλυμα αυτό, ώστε ο βαθμός ιοντισμού να διπλασιαστεί; β) Ποια η τιμή του λόγου των συγκεντρώσεων των ιόντων Η 3 Ο + στο αραιωμένο και στο αρχικό διάλυμα; Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. 157

170 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Έστω c 1 η αρχική συγκέντρωση και c η συγκέντρωση του αραιωμένου διαλύματος. Ισχύει: c 1 V 1 = c V (1), όπου V 1 και V, αντίστοιχα ο όγκος του αρχικού και του α- ραιωμένου διαλύματος. Από το νόμο αραίωσης του Ostwald, έχουμε: K a = α 1 c 1 () K a = α c (3) Από τις (1), () και (3) έχουμε: α 1 c 1 = α c, α α 1 c c 1 V V 1 Καθώς α = α 1 θα ισχύει: V = 4V 1 = 400 ml και επομένως θα πρέπει να προστεθούν άλλα 300 ml νερού. β) Η συγκέντρωση των ιόντων H 3 O + στην περίπτωση του αρχικού διαλύματος, προκύπτει από τον πίνακα που ακολουθεί: mol/l CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Ιοντική ισορροπία c 1 x x x x = [H 3 O + ] = α 1 c 1 Με ανάλογο τρόπο προκύπτει ότι για το αραιωμένο διάλυμα ισχύει: [H 3 O + ] = α c. Διαιρώντας κατά μέλη, έχουμε: Ο βαθμός ιοντισμού α ορίζεται από τη σχέση: α = x/c και επομένως: x = α c [H3O ]' α [H O ] α 3 1 c c 1 α1 c α 4c 1 1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Υδατικό διάλυμα HCOOH (Δ 1 ) έχει περιεκτικότητα 4,6% w/v και ph =. α) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του HCOOH στο Δ 1 ; β) Ποια η τιμή της σταθεράς ιοντισμού Κ a του HCOOH, στους 5 ο C; γ) Ποια η τιμή ph σε ένα άλλο διάλυμα HCOOH (Δ ) 0,1 Μ; To διάλυμα έχει θερμοκρασία θ=5 ο C. Για το ΗCOOH, M r = 46. ΛΥΣΗ α) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση (c) του HCOOH: Στα 100 ml διαλύματος 4,6 g ΗCOOH Στα 1000 ml (=1 L) x = ; x = 46 g/l Επομένως: c = 1 mol/l ή 1 Μ. mol/l HCOOH + H O HCOO + H 3 O + Ιοντική ισορροπία 1 x x x 158

171 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ ph =, [H 3 O + ] = x = 10 Μ α x c β) Παρατηρούμε ότι α < 0,1 και επομένως μπορούμε να θεωρήσουμε: c x c. K 4 x [H3O ] 10 4 a 10 c c 1 γ) mol/l HCOOH + H O HCOO + H 3 O + Ιοντική ισορροπία 0,1 y y y 4 Ka c 0,1 Επομένως: 0,1 y 0,1 Μ. K y 4 5 a,y [H3O ] Ka 0,1 10 0,1 10 0,1 [Η 3 Ο + ] = 10,5, ph =,5. Μία ασθενής βάση Β παρουσιάζει διαλυτότητα στο νερό ίση με 50 mg/l. Ποιο το ph ενός κορεσμένου διαλύματος της B; Για τη βάση Β, pk b = 9 και Μ r = 50. K w = θ=5 ο C. ΛΥΣΗ Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του κορεσμένου διαλύματος της Β: c n V m Mr V L mol 10 3 Αποδεικνύουμε την ισχύ των προσεγγίσεων: M K b c ,1 mol/l Β + H O OΗ + ΒΗ + Ιοντική ισορροπία 10 3 x x x Θεωρούμε την προσέγγιση: 10 3 y 10 3 Μ. pk b 9, K b 10 9 [OH ] 3 10 [OH ] = = 10 1, [ΟΗ ] = 10 6 M, poh = 6, ph =

172 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 3. Διαθέτουμε διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ 0,1 Μ όγκου 100 ml. α) Ποιος όγκος νερού πρέπει να προστεθεί στο διάλυμα αυτό, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να τριπλασιαστεί; β) Πόσα ml νερού πρέπει να προστεθούν στο αρχικό διάλυμα για να μεταβληθεί το ph κατά 1 μονάδα; Για το ΗΑ: K a = θ=5 ο C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ α) Από το νόμο αραίωσης του Ostwald, με την προσεγγιστική του έκφραση, για το αρχικό και το αραιωμένο διάλυμα, έχουμε: K a = α c 1 K a = 9α c c1 9c Έστω V ό όγκος του νερού που προστέθηκε. Από τη σχέση αραίωσης διαλυμάτων, προκύπτει: 9c 0,1 = c (0,1 + V), 0,9 = 0,1 + V, V = 0,8 L = 800 ml β) Το ph αρχικού διαλύματος υπολογίζεται ως εξής: [H3O ] 1 Ka,[H3O C 1 ] 1 ph = log10 3 = ( 3) = M To τελικό διάλυμα θα έχει ph = 4, καθόσον με την αραίωση το ph αυξάνεται. Για το τελικό διάλυμα, επομένως, θα ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 10 4 M. mol/l HA + H O H 3 O + + A [H 3 O + ] = x = 10 4 M. c x x x Θεωρώντας την προσέγγιση c x c, έχουμε: [H3O ] Ka c [H3O ] c K a 4 (10 ) M Εφαρμόζουμε τώρα τη σχέση της αραίωσης: 0,1 0,1 = 10 3 V, οπότε V = 10 L. Επομένως, πρέπει να προστεθούν: 10 0,1 = 9,9 L ή 9900 ml νερού. 4. Διαθέτουμε 500 ml διαλύματος ΝΗ 3 συγκέντρωσης c = 0,01 Μ. α) Πόση επιπλέον ποσότητα αέριας NH 3 (σε ml, μετρημένα σε STP) πρέπει να διαλυθεί πλήρως στο διάλυμα αυτό, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 11; β) Ποιος όγκος νερού πρέπει να προστεθεί στο νέο διάλυμα, ώστε το ph να γίνει ίσο με 10,5; Κ b (NH 3 ) = Η διάλυση της επιπλέον ποσότητας ΝΗ 3 γίνεται χωρίς μεταβολή όγκου. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. K w =

173 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ Vm (σε STP) =,4 L ή 400 ml ΛΥΣΗ α) Έστω ότι διαλύονται επιπλέον y ml αέριας NH 3 (σε STP). Τα επιπλέον mol της ΝΗ 3 που διαλύονται είναι: y n (1) 400 Τα αρχικά mol της ΝΗ 3 (n 1 ) υπολογίζονται ως εξής: n 1 = c 1 V 1 = 0,01 0,5 = 0,005 mol Μετά την διάλυση της επιπλέον αέριας ΝΗ 3 υπάρχουν συνολικά διαλυμένα (n 1 + n) mol ΝΗ 3. Η νέα συγκέντρωση της ΝΗ 3 θα είναι, επομένως: c 0,005 n 0,5 () mol/l ΝH 3 + H O + ΝH 4 + OΗ Ισορροπία c x x x ph = 11, x = [OH ] = 10 3 M Με τη θεώρηση της προσέγγισης, c x c, έχουμε: Κ b = [OH ] c, c = [OH ] K b 3 (10 ), c = 5 10 = 0,05 Μ Από τη () προκύπτει: 0,005 + n = 0,05, n = 0,0 mol, και άρα: y = 0,0 400 = 448 ml β) Το διάλυμα που προκύπτει θα έχει συγκέντρωση c 3. Επειδή ph = 10,5, θα ισχύει: [OH ] = 10 3,5 M. [OH ] Κ b = c 3, c 3 = [OH ] K b 3,5 (10 ), c 3 = 5 10 = Μ. Από τη σχέση της αραίωσης, έχουμε: 0,05 0,5 = V 3 και επομένως: V 3 = 5 L. Ο όγκος του νερού που πρέπει να προστεθεί στο αρχικό διάλυμα θα είναι: (5 0,5) L = 4,5 L. 5. Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ. Διάλυμα Δ 1 : Διάλυμα ΜΟΗ (υδροξείδιο μετάλλου Μ) έχει συγκέντρωση c = 10 3 Μ, όγκο 100 ml και ph = 11. Διάλυμα Δ : Διάλυμα ασθενούς μονοπρωτικής βάσης Β έχει συγκέντρωση 0,1 Μ, όγκο 100 ml και ph = 11. α) Να δείξετε ότι η βάση ΜΟΗ είναι ισχυρή, ενώ η Β ασθενής. β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε καθένα από τα δύο διαλύματα ξεχωριστά, ώστε να μεταβληθεί το ph τους κατά 1; γ) Να βρεθούν οι βαθμοί ιοντισμού της Β πριν και μετά την αραίωση. Να θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 o C. K w =

174 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΛΥΣΗ α) Για το διάλυμα Δ 1 : ph = 11, poh = 3, [OH ] = 10 3 M Παρατηρούμε ότι η βάση ΜΟΗ (c = 10 3 M) μετατρέπεται πλήρως σε ιόντα και επομένως είναι ισχυρή βάση: ΜΟΗ Μ + + ΟΗ Για το διάλυμα Δ (Β): [OH ] = 10 3 < 0,1 Μ. Επομένως η βάση Β (c = 0,1 M) μετατρέπεται μερικά σε ιόντα και επομένως είναι ασθενής βάση: mol/l B + H O BH + + OΗ Ισορροπία 0,1 x x x = 10 3 β) Με την προσθήκη νερού τα δύο διαλύματα αραιώνονται και επομένως το ph γίνεται λιγότερο βασικό, δηλαδή: ph = 10, poh = 4, [OH ] = 10 4 M ΜΟΗ Μ + + ΟΗ Η συγκέντρωση της ΜΟΗ μετά την αραίωση είναι 10 4 Μ. Από τη σχέση της αραίωσης διαλυμάτων, προκύπτει: c 1 V 1 = c V, ,1 = 10 4 V, V = 1 L Άρα, ο όγκος Η Ο που προσθέσαμε είναι: (1 0,1) L = 0,9 L ή 900 ml. Για το διάλυμα Δ (πριν την αραίωση): mol/l B + H O BH + + OΗ Ισορροπία 0,1 x x x = 10 3 α 1 = x c = 10 (< 0,1) 0,1 K b = α 1 0,1 = (10 ) 0,1 = 10 5 Για το διάλυμα Δ (μετά την αραίωση): mol/l B + H O BH + + OΗ Ισορροπία c y y y = 10 4 Θεωρώντας την προσέγγιση: c y c, έχουμε: 16

175 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ 4 5 (10 ) 3 Kb 10,c 10 M c Επομένως: c 1 V 1 = c V, 0,1 0,1 = 10 3 V, V = 10 L Ο όγκος νερού που προσθέσαμε είναι: 10 L 0,1 L = 9,9 L ή 9900 ml. γ) Για την ασθενή βάση Β ήδη έχουμε υπολογίσει ότι: α 1 = x/c 1 = 10 3 /0,1 = 10. Στο αραιωμένο διάλυμα θα ισχύει: α = c 4 y 10 = = 0,1 ( 0,1) Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ. Διάλυμα Δ 1 : Ασθενής βάση Α συγκέντρωσης 0,05 Μ, με α = 0,. Διάλυμα Δ : Ασθενής βάση Β συγκέντρωσης 0,04 Μ, με α = 0,. α) Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Δ 1. β) Να υπολογιστούν οι σταθερές ιοντισμού K b των βάσεων Α και Β και να συγκριθεί η ισχύς τους. γ) Να συγκρίνετε το ph του διαλύματος Δ 1 με αυτό του Δ. Για τα δύο διαλύματα θ=5 o C. Κ w = ΛΥΣΗ α) Διάλυμα Δ 1 : mol/l Α + H O ΑH + + OΗ Ισορροπία 0,05 x x x x = α C = 0, 0,05 = 10 Μ Επομένως: [OH ] = 10, poh =, ph = 1 Παρατηρούμε ότι και στα δύο διαλύματα ο βαθμός ιοντισμού είναι μεγαλύτερος από 0,1, οπότε δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις. α C 0, 0,05 β) Κ b (A) =,510 1α 1 0, α C 0, 0,04 Κ b (Β) = α 1 0, 3 Επομένως: Κ b (A) > Κ b (Β) και άρα η βάση Α είναι πιο ισχυρή. γ) Για το διάλυμα Δ, έχουμε: [OH ] Β = 0, 0,04 = Μ < 10 Μ = [OH ] Α Το διάλυμα της Α είναι, λοιπόν, περισσότερο βασικό: ph A > ph B. 163

176 Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά). ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Για νέους λύτες 8.1. Στην εξίσωση ιοντισμού του ΗCOOH στα αραιά του διαλύματα ο λόγος της τιμής της σταθεράς ισορροπίας Κ προς την τιμή της σταθεράς ιοντισμού K a του ΗCOOH είναι περίπου ίσος με: Α) 55,5 Β) 1/55,5 Γ) 1 Δ) Κατά την προσθήκη H O σε αραιό υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος υπό σταθερή θερμοκρασία, η σταθερά ιοντισμού Κ a : Α) αυξάνεται Β) μειώνεται Γ) δε μεταβάλλεται Δ) εξαρτάται από την ποσότητα του νερού που προστίθεται [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 8.3. Δίνεται διάλυμα ασθενούς βάσης Β, συγκέντρωσης c και βαθμού ιοντισμού α (α < 0,1). Ποια από τις παρακάτω εκφράσεις είναι λανθασμένη; θ=5 ο C. Α) [OH ] = c Β) Κ b = α c Γ) [H 3 O + ] = 10 8 /(K b c) Δ) [OH ] = [BH + ] 8.9. i. Ποια από τις παρακάτω τιμές ph θα διαλέγατε για διάλυμα ΝΗ 3 0,01 Μ στους 5 ο C; Α) 13 Β) 1 Γ) 7 Δ) 10,5 ii. Ποια από τις παρακάτω τιμές ph θα διαλέγατε για διάλυμα CH 3 COOH 0,01 Μ; Α) 13 Β) 3,5 Γ) 1 Δ) iii. Το ph ενός διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ 0,01 Μ στους 5 ο C μπορεί να έχει τιμή ph ίση με: Α) 4 Β) 7 Γ) Δ) Ποια από τα ακόλουθα διαγράμματα παριστάνει καλύτερα τη σχέση μεταξύ Κ a και Κ b για ζεύγη συζυγών οξέων - συζυγών βάσεων; Κ a A) K b Κ a Β) K b 8.4. Δίνεται διάλυμα ασθενούς οξέος ΗA, συγκέντρωσης c και βαθμού ιοντισμού α < 0,1. Για το διάλυμα αυτό, ποια από τις παρακάτω εκφράσεις δεν είναι σωστή; Α) [H 3 Ο + ] < c Β) Κ a = α c Γ) [H 3 Ο + ] < [Α ] Δ) [ΗΑ] + [Α ] = c Κ a Γ) Κ a Δ) 8.5. Τι από τα παρακάτω ισχύει για τις συγκεντρώσεις των μορίων και των ιόντων σε διάλυμα HNO με α < 0,1; A) [H 3 O + ] = [NO ] > [HNO ] > [OH ] B) [H 3 O + ] = [NO ] = [HNO ] = [OH ] Γ) [HNO ] > [H 3 O + ] = [NO ] > [OH ] Δ) [HNO ] > [NO ] > [H 3 O + ] > [OH ] 8.6. Με την αραίωση διαλύματος ΝΗ 3, υπό σταθερή θερμοκρασία: i. o βαθμός ιοντισμού της: Α) μειώνεται Β) αυξάνεται Γ) δε μεταβάλλεται ii. η σταθερά ιοντισμού της: Α) αυξάνεται Β) δε μεταβάλλεται Γ) μειώνεται 8.7. Κατά τη συμπύκνωση ενός διαλύματος CH 3 COOH, με εξάτμιση μέρους του νερού που περιέχει, υπό σταθερή θερμοκρασία: Α) η [ΟΗ ] μειώνεται Β) η [Η 3 Ο + ] μειώνεται Γ) το ph μένει σταθερό Δ) ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται 8.8. Αν αναμίξουμε δύο διαλύματα ενός ασθενούς οξέος ΗΑ ίσων όγκων, ένα με βαθμό ιοντισμού α και ένα άλλο με βαθμό ιοντισμού α, ο βαθμός ιοντισμού του διαλύματος που θα προκύψει θα είναι: Α) ίσος με α Β) ίσος με 3α Γ) ίσος με 9α Δ) μεταξύ α και α Ποιο από τα παρακάτω υδατικά διαλύματα περιέχει το ισχυρότερο οξύ; θ=5 ο C. A) CH 3 COOH 1 M, K a = 1, B) CH 3 COOH 0,1 M, K a = 1, Γ) HCOOH, 1 M, ph = Δ) HNO, 1 Μ, α = 0, Η έκφραση της σταθεράς ιοντισμού Κ a του ιόντος ΗSO 3 είναι: [SO 3 ] [H3O ] [ΗSO3] [H3O ] Α) Κa Β) Κ a [HSO ] [HSO ] [SO3 ] [H3O ] Γ) Κa [H SO ] K b 3 3 [ΗSO3 ] [H3O ] Δ) Κa [H SO ] Το HCN είναι ασθενές οξύ με K a = Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή για ένα διάλυμα HCN; A) Η [H 3 Ο + ] αυξάνεται με την αραίωση B) Ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται όσο περισσότερο αραιώνεται το διάλυμα Γ) Αν το διάλυμα έχει συγκέντρωση 0,1 M o βαθμός ιοντισμού του HCN είναι μεγαλύτερος από 0,1 Δ) Η σταθερά ιοντισμού K a του HCN μειώνεται με την αραίωση υπό σταθερή θερμοκρασία K b

177 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ Όταν σε υδατικό διάλυμα οξέος ΗΑ 0,1 Μ όγκου 1 L προσθέτουμε 9 L νερό, υπό σταθερή θερμοκρασία 5 o C, παρατηρούμε ότι το ph γίνεται ίσο με 3. Με βάση το δεδομένο αυτό συμπεραίνουμε ότι: A) το ΗΑ είναι ασθενές οξύ, γιατί αν ήταν ισχυρό το ph θα παρέμενε σταθερό με την αραίωση B) το οξύ ΗΑ είναι ασθενές οξύ, γιατί αν ήταν ισχυρό το ph του αραιωμένου διαλύματος θα ήταν ίσο με Γ) το ph με την αραίωση αυξάνεται κατά 1 Δ) η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο + πριν την αραίωση ήταν 0,01 Μ Δίνονται 3 υδατικά διαλύματα ασθενούς οξέος ΗΑ: 1 συγκέντρωσης c 1 και θερμοκρασίας 5 ο C, συγκέντρωσης c (c > c 1 ) και θερμοκρασίας 5 ο C και 3 συγκέντρωσης c 3 = c 1 και θερμοκρασίας 45 ο C. Ο βαθμός ιοντισμού του οξέος ΗΑ στα παραπάνω διαλύματα είναι αντίστοιχα α 1, α και α 3 όπου σε κάθε περίπτωση ο βαθμός ιοντισμού είναι μικρότερος από 0,1. α) Σε ποιο από τα παραπάνω διαλύματα η σταθερά Κ a του οξέος ΗΑ έχει τη μεγαλύτερη τιμή; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Για τους βαθμούς ιοντισμού ισχύει: 1) α 1 < α < α 3 ) α 1 < α 3 < α 3) α < α 1 < α 3 4) α 3 < α < α 1 Να επιλέξετε τη σωστή από τις παραπάνω σχέσεις. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Ποιο από τα παρακάτω μόρια ή ιόντα διαθέτει μεγαλύτερη συγκέντρωση σε διάλυμα H SO 4 0,1 Μ; Το H SO 4 είναι ισχυρό οξύ στον 1o ιοντισμό και ασθενές στο o. Α) Το Η 3 Ο + Β) Το HSO 4 Γ) Το SO 4 Δ) Το H SO Ο Fe(III) σχηματίζει εύκολα εφυδατωμένο ιόν του τύπου [Fe(H O) 6 ] 3+, που μπορεί να λειτουργήσει ως ασθενές οξύ κατά Brönsted - Lowry. Τα δύο φαινόμενα περιγράφονται από τις εξισώσεις που ακολουθούν: Fe H O [Fe(H O) 6 ] 3+ [Fe(H O) 6 ] 3+ + H Ο [Fe(H O) 5 (OH)] + + H 3 O + H ενθαλπία της παραπάνω αντίδρασης έχει τιμή ΔH = +43 kj mol 1, ενώ η σταθερά ιοντισμού του [Fe(HO)6] 3+ έχει τιμή K a = 6, Να προβλέψετε το αποτέλεσμα της αύξησης της θερμοκρασίας στην τιμή της σταθεράς pk a (= logk a ) καθώς και στην τιμή της [H 3 O + ] του διαλύματος. A) Η pk a αυξάνεται, η [H 3 O + ] μειώνεται B) Η pk a αυξάνεται, η [H 3 O + ] αυξάνεται Γ) Η pk a μειώνεται, η [H 3 O + ] μειώνεται Δ) Η pk a μειώνεται, η [H 3 O + ] αυξάνεται Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Nα αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. Α) Αν αραιώσουμε ένα υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ με νερό μέχρι να διπλασιαστεί ο όγκος του η [Η 3 Ο + ] υποδιπλασιάζεται (οι βαθμοί ιοντισμού πριν και μετά την αραίωση είναι μικρότεροι από 0,1). Β) Επειδή η αντίδραση ιοντισμού είναι ενδόθερμη, η τιμή της σταθεράς K a ενός ασθενούς οξέος μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Γ) Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της σταθεράς ιοντισμού K a ενός ασθενούς οξέος ΗΑ, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της σταθεράς ιοντισμού K b της συζυγούς του βάσης A στην ίδια θερμοκρασία. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Δ) Ο βαθμός ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης και αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ε) Ο βαθμός ιοντισμού διαλύματος HCOOH 0,1 M που βρίσκεται σε θερμοκρασία 40 o C είναι μεγαλύτερος από το βαθμό ιοντισμού διαλύματος HCOOH 0, M που βρίσκεται σε θερμοκρασία 30 o C Να εκτιμήσετε αν οι παρακάτω προτάσεις είναι σωστές ή όχι. Α) Η [Η 3 Ο + ] ενός διαλύματος ισχυρού οξέος είναι πάντα μεγαλύτερη από τη [Η 3 Ο + ] ενός ασθενούς οξέος Β) Η [ΟΗ ] ενός διαλύματος ισχυρής βάσης είναι πάντα μεγαλύτερη από τη [ΟΗ ] ενός διαλύματος ασθενούς βάσης Γ) Η σταθερά ιοντισμού Κ a ενός ασθενούς οξέος ΗΑ, στα υδατικά του διαλύματα, αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Δ) Ο βαθμός ιοντισμού α ασθενούς οξέος ΗΑ, σε αντίθεση με τη σταθερά ιοντισμού Κ a, δεν εξαρτάται από τη συγκέντρωση c. E) Με την αραίωση διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ, υπό σταθερή θερμοκρασία, η συγκέντρωσή του μειώνεται, αλλά ο βαθμός ιοντισμού του αυξάνεται. ΣΤ) Αν αραιώσουμε ένα διάλυμα ασθενούς οξέος σε διπλάσιο όγκο, υπό σταθερή θερμοκρασία, τότε ο βαθμός ιοντισμού του θα τετραπλασιαστεί. Ζ) Αν αναμίξουμε διαλύματα ενός ασθενούς οξέος ΗΑ της ίδιας θερμοκρασίας, ένα με βαθμό ιοντισμού α και ένα άλλο με βαθμό ιοντισμού α ο βαθμός ιοντισμού του διαλύματος που θα προκύψει θα είναι 3α. Η) Αν είναι γνωστό ότι το HCOOH είναι ισχυρότερο οξύ από το CH 3 COOH, τότε στους 5 ο C θα ισχύει: pk b (CH 3 COO ) > pk b (HCOO ). Θ) Η [Η 3 Ο + ] κάθε διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c υπολογίζεται από τη σχέση: [H 3 O + ] = K a c. Ι) Ενώσεις με Κ a < π.χ. η CH 3 OH πρακτικά δεν ιοντίζονται στα υδατικά τους διαλύματα Να αιτιολογήσετε την ισχύ των δύο παρακάτω προτάσεων, που σχετίζονται με διαλύματα ασθενών μονοπρωτικών βάσεων της ίδιας συγκέντρωσης (c) και της ίδιας θερμοκρασίας. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε προσεγγιστικές εκφράσεις. α) Tο ph του διαλύματος μειώνεται με την αύξηση της τιμής της σταθεράς pk b της βάσης. β) Ο βαθμός ιοντισμού της βάσης αυξάνεται καθώς η τιμή της σταθεράς pk b μειώνεται. 165

178 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Να αντιστοιχήσετε τα διαλύματα με την τιμή ph. θ=5 ο C. Διαλύματα ph Α. KOH 0,01 M 1.,7 Β. HNO 3 0,01 M. 11,3 Γ. Ca(OH) 0,05 M 3. 1 Δ. NH 3 0, M Ε. CH 3 COOH 0, M 5. ΣΤ. HCl 0, M 6. 0,7 8.. Δίνεται ο πίνακας: Οξέα K a Συζυγείς βάσεις K b HF 10 3 CH 3 COO HCN ClO α) Να συμπληρωθούν τα κενά στον παραπάνω πίνακα. β) Να κατατάξετε τις συζυγείς βάσεις κατά σειρά αυξανόμενης ισχύος. Κ w = 10 14, θ=5 o C. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 8.3. Να αποδείξετε τη σχέση που συνδέει τη σταθερά ιοντισμού Κ a, του ασθενούς οξέος ΗΑ, με τη σταθερά ιοντισμού Κ b, της συζυγούς βάσης Α, σε υδατικό διάλυμα. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 8.4. Διάλυμα CH 3 COOH έχει συγκέντρωση c και όγκο V. Από το διάλυμα εξατμίζεται ποσότητα νερού ώστε ο όγκος του να υποδεκαπλασιαστεί. Να εξηγήσετε αν θα παρατηρηθεί μεταβολή και τι είδους (αύξηση ή μείωση) στα παρακάτω μεγέθη: α) Στο βαθμό ιοντισμού του οξέος, β) στο ph του διαλύματος και γ) στα mol των ιόντων ΟΗ. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε προσεγγιστικές εκφράσεις τόσο για το αρχικό όσο και για το συμπυκνωμένο διάλυμα. Η θερμοκρασία είναι η ίδια και στα δύο διαλύματα α) Σε διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ και με τη θεώρηση των γνωστών προσεγγίσεων να αποδειχθούν οι σχέσεις: Κa phpka α και α 10 [H3O ] β) Σε διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΒ παρατηρήθηκε ότι: [Η 3 Ο + ] = Κ a. Να δείξετε ότι το οξύ ιοντίζεται κατά 50% Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ των οξέων ΗΑ και ΗΒ στους 5 ο C. Δ 1 : ΗΑ συγκέντρωσης c 1 με ph = 3. Δ : ΗB συγκέντρωσης c με ph = 3. α) Αν είναι γνωστό ότι c > c 1, να συγκρίνετε: i. Τους βαθμούς ιοντισμού α 1 και α των ΗΑ και ΗΒ στα διαλύματα Δ 1 και Δ. ii. Την ισχύ των δύο οξέων ΗΑ και ΗΒ. iii. Την ισχύ των συζυγών τους βάσεων. iv. Τις συγκεντρώσεις των [Α ] και [Β ] στα διαλύματα Δ 1 και Δ. β) 10 ml από το Δ 1 αραιώνεται με νερό μέχρι τελικού ό- γκου 100 ml, οπότε το ph του γίνεται ίσο με 4. Να δείξετε ότι το ΗΑ είναι ισχυρό οξύ. γ) Επίσης, 10 ml από το Δ αραιώνεται με νερό, μέχρι τελικού όγκου V (L), οπότε το ph του γίνεται ίσο με 4. Θεωρώντας το ΗΒ ως ασθενές οξύ και τις κατάλληλες προσεγγίσεις να δείξετε ότι V = 1 L Διαλύουμε 0, mol του ασθενούς οξέος ΗΑ σε νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα Δ 1 όγκου V στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ είναι ίσος με α. Επίσης, διαλύουμε 0, mol του ασθενούς οξέος ΗΒ σε νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα Δ όγκου V στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗΒ είναι 0,8α. α) Να συγκρίνετε: i. το ph των διαλυμάτων Δ 1 και Δ και ii. την ισχύ των οξέων ΗΑ και ΗΒ. β) Στο διάλυμα Δ προστίθεται νερό όγκου V, οπότε σχηματίζεται διάλυμα Δ 3 ίσου όγκου με το διάλυμα Δ 1. Να συγκρίνετε: i. το νέο βαθμό ιοντισμού του ΗΒ στο διάλυμα Δ 3 με το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Δ 1 και ii. το ph του Δ 3 με αυτό του Δ 1. γ) i. Σε ποιο από τα δύο διαλύματα Δ 1 ή Δ πρέπει να προστεθεί ορισμένος όγκος νερού, ώστε τα ph των δύο διαλυμάτων να εξισωθούν. ii. Να υπολογιστεί ο όγκος του νερού που πρέπει να προστεθεί συναρτήσει του V. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ 8.8. Nα υπολογιστεί το ph των παρακάτω διαλυμάτων Δ 1, Δ, Δ 3 και Δ 4 ασθενών οξέων ή βάσεων. α) Δ 1 : CH 3 COOH 0,05 M. β) Δ : ΗΝΟ 0,5 Μ, με α = 0,04. γ) Δ 3 : ΝΗ 3 0,05 M. δ) Δ 4 : ΗCOOH (Μ r = 46) 0,3% w/v. Κ a (CH 3 COOH) = 10 5, Κ b (NH 3 ) = 10 5, Κ a (HCOOH) = Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 o C α) Πόσα g CH 3 COOH πρέπει να διαλυθούν σε νερό, ώστε να προκύψει διάλυμα όγκου 00 ml με ph = 3; β) Πόσα L αέριας ΝΗ 3 (μετρημένα σε STP) πρέπει να διαλυθούν πλήρως σε νερό, ώστε να σχηματιστεί διάλυμα όγκου 500 ml στο οποίο η ΝΗ 3 να εμφανίζει βαθμό ιοντισμού α = 0,0; Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. Κ a (CH 3 COOH) = 10 5, Κ b (NH 3 ) = θ=5 o C Διάλυμα HF έχει περιεκτικότητα 0,03% w/v. α) Να εξετάσετε αν ισχύει η προσεγγιστική έκφραση του νόμου του Ostwald για το διάλυμα αυτό. β) Να υπολογίσετε τις συγκεντρώσεις όλων των ιόντων καθώς και τη [HF] στην ισορροπία. Η τιμή της σταθεράς ιοντισμού του HF να θεωρηθεί ίση με 7, K w = Σε 500 ml διαλύματος ασθενούς μονοπρωτικής βάσης Β (Μ r = 45) περιέχονται 4,5 g της βάσης. Αν στο διάλυμα αυτό η βάση Β έχει βαθμό ιοντισμού α = , να 166

179 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ υπολογιστούν: α) Η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ. β) Το ph. γ) Η τιμή της σταθεράς K b της βάσης Β. θ=5 ο C Διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ έχει συγκέντρωση c και ph = 3. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση (c) του διαλύματος, καθώς και το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ. K a (ΗΑ) = θ=5 o C. Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις Δισκίο ασπιρίνης περιέχει 360 mg ακετυλοσαλικυλικού οξέος με τύπο C 9 H 8 O 4 και Κ a = α) Nα υπολογίσετε το ph του διαλύματος που θα προκύψει με τη διάλυση του δισκίου αυτού σε νερό ώστε να προκύψει διάλυμα όγκου 0 ml. β) Να συγκρίνετε το ph του παραπάνω διαλύματος με το ph του γαστρικού υγρού, το οποίο να θεωρήσετε ότι είναι διάλυμα HCl συγκέντρωσης 0,01 Μ. Ποιο από τα δύο υγρά είναι πιο όξινο; Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις Διάλυμα ΝΗ 3 παρουσιάζει το ίδιο ph με διάλυμα NaOH 0,001 Μ. α) Ποια η συγκέντρωση του διαλύματος της ΝΗ 3 ; β) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 στο ίδιο διάλυμα; Κ b (ΝΗ 3 ) = θ=5 o C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. γ) Πόσα ml διαλύματος NΗ 3 0,05 Μ περιέχουν τον ίδιο αριθμό mol ιόντων Η 3 Ο + με αυτά που περιέχονται σε 500 ml διαλύματος ΝaOH 10 4 Μ; Σε διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ 0,0 Μ ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ είναι ίσος με 0,1. Σε διάλυμα άλλου α- σθενούς οξέος ΗΒ 0,1 Μ, ο βαθμός ιοντισμού του ΗΒ είναι ίσος με 0,05. Αν τα δύο διαλύματα βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, να καθοριστεί ποιο από τα δύο οξέα είναι ισχυρότερο. Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διάλυμα ΗΝΟ έχει συγκέντρωση c και έχει το ίδιο ph με διάλυμα ΗΝΟ 3 0,01 Μ. α) Αν Κ a (ΗΝΟ ) = , να υπολογιστεί η ακριβής τιμή της συγκέντρωσης c, χωρίς τη θεώρηση προσεγγίσεων. β) Αν θεωρήσουμε τις γνωστές προσεγγίσεις, ποια τιμή θα προέκυπτε για την συγκέντρωσή του ΗΝΟ ; Ποιο είναι το ποσοστό λάθους (%) για τη συγκέντρωση σε σχέση με την μη προσεγγιστική τιμή; Υδατικό διάλυμα C 6 H 5 COOH (βενζοϊκό οξύ) 0,0 Μ και υδατικό διάλυμα οξέος ΗΑ 10 3 Μ έχουν την ίδια τιμή ph = 3, στους 5 ο C. α) Να δείξετε ότι το C 6 H 5 COOH είναι ασθενές οξύ, ενώ το ΗΑ είναι ισχυρό οξύ. β) Να υπολογίσετε τις τιμές των σταθερών ιοντισμού K a και Κ b του C 6 H 5 COOH και του C 6 H 5 COO, αντίστοιχα,. στους 5 ο C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Πόσα ml Η Ο πρέπει να προστεθούν σε 50 ml διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ 1 Μ, υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε το ph του διαλύματος να μεταβληθεί κατά 1; K a (ΗΑ) = θ=5 o C. Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις Διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ έχει ph = 3. Το διάλυμα αραιώνεται με νερό και σχηματίζεται νέο διάλυμα το ph του οποίου διαφέρει κατά 1 από το αρχικό. α) Ποιος ο λόγος των βαθμών ιοντισμού α /α 1 του ΗΑ στα δύο διαλύματα; β) Ποιος ο λόγος των όγκων V /V 1 των δύο διαλυμάτων; Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις. Για καλούς λύτες Το HCOOH ιοντίζεται σε ποσοστό % σε διάλυμά του συγκέντρωσης 0,5 Μ και όγκου 100 ml. Στο διάλυμα αυτό προστίθεται ποσότητα νερού και προκύπτει νέο διάλυμα με ph =,5. Nα υπολογιστεί ο όγκος του νερού που προστέθηκε. Η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή και ίση με 5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα όγκου 500 ml περιέχει 0,15 mol ενός α- σθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ. Στο διάλυμα αυτό βρέθηκε ότι ph = 3. α) Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ, καθώς και τη σταθερά ιοντισμού του. β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του παραπάνω διαλύματος, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του οξέος να διπλασιαστεί; Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Υδατικό διάλυμα Υ1 περιέχει ΝΗ 3 σε συγκέντρωση c. To διάλυμα αυτό έχει ph = 11 και ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 είναι α = 0,01. α) Να υπολογίσετε την συγκέντρωση c, την σταθερά ιοντισμού (Κ b ) της ΝΗ 3 και τις συγκεντρώσεις όλων των ιόντων στο διάλυμα Υ1. β) Σε 00 ml του διαλύματος Υ1 προσθέτουμε επιπλέον ποσότητα ΝΗ 3, χωρίς μεταβολή του όγκου, με αποτέλεσμα το ph του διαλύματος να μεταβληθεί κατά 0,5. Να υπολογίσετε τον επιπλέον αριθμό mol της ΝΗ 3 που προστέθηκαν Αναμειγνύονται διαλύματα ΝΗ 3, ένα όγκου 100 ml και συγκέντρωσης 0,9 Μ και ένα άλλο όγκου 700 ml και συγκέντρωσης 0,1 Μ. α) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του τελικού διαλύματος; β) Με ποια αναλογία όγκων θα έπρεπε να αναμειγνύαμε τα δύο διαλύματα ΝΗ 3, ώστε ο τελικός βαθμός ιοντισμού να γίνει ίσος με ; Κ b (ΝΗ 3 ) = θ=5 o C. Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις Διάλυμα (Δ 1 ) ασθενούς οξέος ΗΑ έχει όγκο 00 ml και συγκέντρωση 0,5 Μ. α) Ποιο το ph του διαλύματος; β) Πόσα L νερού πρέπει να προστεθούν σε όλη την ποσότητα του Δ 1, ώστε το ΗΑ να ιοντίζεται σε ποσοστό 4%; Κ a (ΗΑ) = θ=5 ο C. Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. 167

180 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ποιος ο μέγιστος και ποιος ο ελάχιστος όγκος αέριας ΝΗ 3 (μετρημένος σε STP) που πρέπει να διαλυθεί πλήρως σε νερό, ώστε να προκύψει διάλυμα όγκου 500 ml έτσι ώστε να ισχύει: 10 < ph < 11, στους 5 ο C; Κ b (ΝΗ 3 ) = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα (Δ 1 ) του ασθενούς οξέος ΗΑ έχει συγκέντρωση c και ph = α. Διάλυμα (Δ ) του ασθενούς οξέος ΗΒ έχει συγκέντρωση 10c και έχει ph = α + 1. Με τη θεώρηση των κατάλληλων προσεγγίσεων, να υπολογίσετε την τιμή του αθροίσματος: pk a (HA) + pk b (Β ). θ=5 ο C. Κ w = Τα διαλύματα Δ 1 και Δ είναι διαλύματα των ασθενών οξέων μονοπρωτικών οξέων ΗΑ και ΗΒ: Διάλυμα Δ 1 : ΗΑ συγκέντρωσης c (Μ). Διάλυμα Δ : ΗB συγκέντρωσης 10c (Μ). Aν τα δύο διαλύματα έχουν το ίδιο ph, στην ίδια θερμοκρασία, να δείξετε ότι pk a (HΒ) pk a (HΑ) = 1. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Διαθέτουμε υδατικό διάλυμα H S. α) Να γραφούν οι χημικές εξισώσεις των σταδίων ιοντισμού του Η S, καθώς και οι εκφράσεις για τις αντίστοιχες σταθερές ιοντισμού Κ a1 και K a. β) Να αποδείξετε τη σχέση Κ a1 K a = Κ a, όπου Κ a η ολική σταθερά ιοντισμού του H S που δίνεται από τη σχέση: [H3O ] [S ] Ka [HS] γ) Αν ο ος ιοντισμός του Η S θεωρηθεί αμελητέος και Κ a1 = 10 7, ποιο το ph ενός διαλύματος H S 0,1 Μ; Υδατικό διάλυμα CH 3 NH έχει συγκέντρωση c και ph = 1. Να υπολογίσετε: α) Την τιμή του λόγου [CH 3 NH ]/[CH 3 NH 3+ ]. β) Τη συγκέντρωση c του διαλύματος, καθώς και το βαθμό ιοντισμού της CH 3 NH. Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. K b (CH 3 NH ) = θ=5 ο C Η ασπιρίνη είναι ασθενές οργανικό μονοπρωτικό οξύ (ΗΑ) που φέρει την εμπειρική ονομασία ακετυλοσαλικυλικό οξύ. Ποσότητα του οξέος αυτου μάζας 1,8 g διαλύεται πλήρως σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα (Δ 1 ) όγκου 100 ml. Στο διάλυμα Δ 1 ισχύει [H 3 O + ] = M και σε αυτό το ακετυλοσαλικυλικό οξύ έχει βαθμό ιοντισμού α = 0,03. α) Να υπολογιστεί η σταθερά ιοντισμού K a του ακετυλοσαλικυλικού οξέος καθώς και η σχετική μοριακή του μάζα. β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε όλο το διάλυμα (Δ 1 ), ώστε να προκύψει νέο διάλυμα (Δ ) με ph = 3; Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Για δυνατούς λύτες Διάλυμα ΝΗ 3 0,1 Μ έχει όγκο 100 ml. α) Ποιο το ph του διαλύματος; Ποιος ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 ; β) Ποιος όγκος αέριας ΝΗ 3 (μετρημένος σε STP) πρέπει να προστεθεί σε όλη την ποσότητα του παραπάνω διαλύματος, χωρίς μεταβολή του όγκου, ώστε ο βαθμός ιοντισμού να υποδιπλασιαστεί; γ) Ποιος όγκος νερού πρέπει να προστεθεί σε όλη την ποσότητα του αρχικού διαλύματος, ώστε ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 να διπλασιαστεί; Για την NH 3, K b = Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα έχουν θερμοκρασία θ=5 ο C Διάλυμα HCl 0,1 M έχει όγκο 1 L. Στο διάλυμα αυτό διαλύεται ποσότητα μεταλλικού Zn, που αντιδρά σύμφωνα με την εξίσωση: Zn(s) + HCl(aq) ZnCl (aq) + H (g) Προκύπτει έτσι διάλυμα όγκου 1 L με ph = x. Επίσης, διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης 0,1 Μ παρουσιάζει ph = x + 1. α) Ποιο το ph του διαλύματος του ΗΑ; β) Ποιο το ph του διαλύματος HCl μετά την διάλυση της ποσότητας Zn; γ) Ποια η μάζα (σε g) του μεταλλικού Zn που προσθέσαμε; Για το διάλυμα του ΗΑ να θεωρηθεί η κατάλληλη προσέγγιση. K a (ΗΑ) = Διάλυμα ΝΗ 3 ( 1 ) έχει όγκο 00 ml και pη = 11. α) Σε 100 ml του διαλύματος 1 προστίθεται νερό μέχρι να προκύψει διάλυμα ( ) δεκαπλάσιου όγκου. Να υπολογίσετε το λόγο α /α 1, όπου α και α 1 ο βαθμός ιοντισμού της αμμωνίας στα διαλύματα και 1, αντίστοιχα. β) Ποιος όγκος νερού πρέπει να προστεθεί στα άλλα 100 ml του διαλύματος Δ 1, ώστε το ph του να μεταβληθεί κατά 0,5; Τα αριθμητικά δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. K b (NH 3 ) = Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θ=5 o C, όπου K w = Διαθέτουμε διαλύματα HCOOH, ένα με ph = και ένα άλλο με ph = 3. α) Nα υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις του HCOOH στα δύο διαλύματα. β) Να υπολογιστούν οι βαθμοί ιοντισμού του HCOOH στα δύο διαλύματα. γ) Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε τα δύο διαλύματα, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph =,5; Για το HCOOH: Κ a = Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. 168

181 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ Διαθέτουμε δύο διαλύματα Δ 1 και Δ των ασθενών οξέων HA και ΗΒ, στους 5 o C. Δ 1 : ΗΑ 0,04 Μ, α = 0,5. Δ : ΗΒ 0,05 Μ, α = 0,. α) Να υπολογιστούν τα ph των διαλυμάτων Δ 1 και Δ. β) Να υπολογιστούν οι σταθερές Κ a των δύο οξέων ΗΑ και ΗΒ και να συγκριθεί η ισχύς τους. γ) Πόσα ml Η Ο πρέπει να προστεθούν σε 60 ml του διαλύματος Δ, ώστε να εξισωθούν οι βαθμοί ιοντισμού των διαλυμάτων Δ 1 και Δ ; Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα, ένα διάλυμα ΗCl 0,1 Μ και ένα άλλο H SO 4. Αν είναι γνωστό ότι τα δύο διαλύματα εμφανίζουν το ίδιο ph, ποια η συγκέντρωση του διαλύματος του H SO 4 ; Δίνεται ότι το H SO 4 είναι ισχυρό στον πρώτο ιοντισμό του, ενώ στο δεύτερο ασθενές με Κ a = 1, Διάλυμα 1 όγκου 50 ml προέκυψε από τη διάλυση 0,005 mol ΝaOH σε νερό. Διάλυμα όγκου 100 ml προέκυψε από τη διάλυση 0,01 mol ΝΗ 3 σε νερό. Να υπολογίσετε: α) Το ph των διαλυμάτων 1 και. β) Το βαθμό ιοντισμού της ΝΗ 3 στο διάλυμα. γ) Τον όγκο του νερού που πρέπει να προστεθεί σε ένα από τα παραπάνω διαλύματα, ώστε το ph του να γίνει ίσο με το ph του άλλου διαλύματος. Κ b (NH 3 ) = K w = θ=5 o C. Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις Ποσότητα μεταλλικού Na προστίθεται προσεκτικά σε νερό, οπότε το μέταλλο αντιδρά πλήρως, σύμφωνα με την εξίσωση: Νa + H O NaOH + H. Παρατηρείται η απελευθέρωση 11 ml Η (μετρημένα σε STP), ενώ το τελικό διάλυμα Δ 1 έχει όγκο 10 L. α) Ποια ποσότητα Na (σε g) χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή του Δ 1 ; β) Ποιο το ph του διαλύματος Δ 1 ; γ) Πόσα ml διαλύματος ασθενούς βάσης Β συγκέντρωσης 1 Μ πρέπει να αραιωθούν με νερό, ώστε να προκύψουν 10 L διαλύματος Δ με ph ίσο με αυτό του διαλύματος Δ 1 ; Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις. Κ b (Β) = K w = θ=5 ο C Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα 1 και, τα οποία έχουν την ίδια συγκέντρωση. Το 1 περιέχει HCl και έχει ph = 1. Το περιέχει το α- σθενές οξύ ΗΑ και έχει ph = 3. Να υπολογίσετε: α) Tη συγκέντρωση των δύο διαλυμάτων. β) Tη σταθερά ιοντισμού Κ a του οξέος ΗΑ. γ) Tον όγκο του νερού που πρέπει να προστεθεί σε 50 ml του Δ, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να διπλασιαστεί. Να γίνουν οι προσεγγίσεις που επιτρέπονται από τα αριθμητικά δεδομένα του προβλήματος. θ=5 ο C. Κ w = Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα 1 και για τα οποία είναι γνωστά τα εξής: 1 : CH 3 COOH 1 M, ph =,5, V 1 = 50 ml. : HCOOH 1 M, α = 0,01, V = 50 ml. α) i. Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού α 1 του CH 3 COOH στο διάλυμα Δ 1, καθώς και το ph του Δ. ii. Ποιο από τα δύο οξέα είναι ισχυρότερο; β) Σε ποιο από τα δύο διαλύματα Δ 1 ή Δ πρέπει να προσθέσουμε κατάλληλη ποσότητα νερού, ώστε το ph του να γίνει ίσο με το ph του άλλου διαλύματος; Να υπολογίσετε τον όγκο του νερού που πρέπει να προσθέσουμε. γ) Σε ποιο από τα δύο διαλύματα Δ 1 ή Δ πρέπει να προσθέσουμε κατάλληλη ποσότητα νερού, ώστε οι βαθμοί ιοντισμού των δύο οξέων να εξισωθούν; Να υπολογίσετε τον όγκο του νερού που πρέπει να προσθέσουμε. Να ληφθούν υπόψη οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 o C Διάλυμα (Δ 1 ) περιέχει ΝΗ 3 σε συγκέντρωση c. Σε 10 ml του διαλύματος αυτού προσθέτουμε νερό και προκύπτει διάλυμα Δ όγκου 00 ml με ph = 11 στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 είναι ίσος με 0,0. α) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς ιοντισμού K b καθώς και τη συγκέντρωση c της ΝΗ 3 στο διάλυμα Δ 1. β) Πόσα ml Η Ο πρέπει να προσθέσουμε σε άλλα 10 ml του διαλύματος Δ 1 ώστε ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 να γίνει ίσος με 0,01; γ) Πόσα L Η Ο να προσθέσουμε σε άλλα 100 ml του διαλύματος Δ 1 ώστε στο διάλυμα που θα προκύψει να ισχύει: [ΝΗ 4+ ] = Μ; Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Υδατικό διάλυμα 1 όγκου 4 L περιέχει 0, mol ΝΗ 3 και έχει ph = 11. Άλλο υδατικό διάλυμα Δ όγκου επίσης 4 L περιέχει την ασθενή βάση Β και παρουσιάζει τον ίδιο βαθμό ιοντισμού με αυτόν της ΝΗ 3 στο Δ 1. α) Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού της ΝΗ 3 στο διάλυμα 1 και τη σταθερά ιοντισμού K b της ΝΗ 3. β) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση της Β στο Δ. γ) Ποιος όγκος νερού πρέπει να προστεθεί σε ένα από τα δύο διαλύματα, ώστε τα ph των δύο διαλυμάτων να εξισωθούν; Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 o C, όπου Κ w = Κ b (Β) = Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις Διάλυμα ΝΗ 3 έχει συγκέντρωση c και ph = 11. α) Να υπολογιστούν: i. η τιμή της c και ii. οι συγκεντρώσεις όλων των ιόντων στο διάλυμα. β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 50 ml του παραπάνω διαλύματος, ώστε ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 να διπλασιαστεί; γ) Πόσα L αέριας ΝΗ 3 (μετρημένα σε STP) πρέπει να διαλυθούν επιπλέον σε L του αρχικού διαλύματος, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος, ώστε να μεταβληθεί το ph του διαλύματος κατά 0,5; Για την απλούστευση των υπολογισμών να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα είναι στους 5 ο C, όπου Κ b (NH 3 ) = 10 5 και K w =

182 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Διαθέτουμε τα διαλύματα Δ 1 και Δ των ασθενών οξέων ΗΑ και ΗΒ, όγκου 100 ml το καθένα. Διάλυμα Δ 1 : ΗΑ 0,1 Μ στο οποίο το οξύ ΗΑ ιοντίζεται σε ποσοστό 4%. Διάλυμα Δ : ΗΒ 0, M στο οποίο το οξύ ΗΒ ιοντίζεται σε ποσοστό 1%. α) Να συγκρίνετε την ισχύ των οξέων ΗΑ και ΗΒ. β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα Δ, ώστε να αποκτήσει ph = 3; γ) Σε ποιο από τα δύο διαλύματα Δ 1 ή Δ πρέπει να προσθέσουμε νερό, ώστε να γίνει εξίσωση των ποσοστών ιοντισμού των δύο οξέων; Να υπολογιστεί ο όγκος αυτός του νερού. Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C Διάλυμα ( 1 ) όγκου 600 ml περιέχει 13,8 g κορεσμένου μονοκαρβοξυλικού οξέος (RCOOH, όπου R = C ν Η ν+1, ν 0). Ο βαθμός ιοντισμού του οξέος στο διάλυμα είναι α = 0,0 και το διάλυμα έχει ph =. α) Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντισμού Κ a του οξέος RCOOH. β) Να προσδιορίσετε το συντακτικό τύπο του οξέος RCOOH. γ) Σε άλλο διάλυμα Δ περιέχεται ένα ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση 0,1 Μ και παρουσιάζει τον ίδιο βαθμό ιοντισμού με το RCOOH στο διάλυμα Δ 1. Να συγκρίνετε την ισχύ των δύο οξέων RCOOH και ΗΑ. Nα αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 o C Για τα διαλύματα Δ 1, Δ, Δ 3 και Δ 4 γνωρίζουμε δεδομένα που σχετίζονται με τη διαλυμένη ουσία (ΗΑ, ΗΒ, ΗΓ, ΗΔ: α- σθενή οξέα, στήλη Ι), τη θερμοκρασία τους (στήλη ΙΙ), το βαθμό ιοντισμού α των διαλυμένων οξέων (στήλη ΙΙΙ) και τη συγκέντρωσή τους (στήλη ΙV). I ΙΙ ΙΙΙ ΙV Δ 1 ΗΑ 5 ο C 0,01 c Δ HB 5 ο C 0,0 c Δ 3 HΓ 35 ο C 0,01 c Δ 4 ΗΔ 15 ο C 0,01 8c α) Με βάση τα δεδομένα αυτά: i. Να ταξινομήσετε τα οξέα ΗΑ, ΗΒ, ΗΓ και ΗΔ κατά σειρά αυξανόμενης ισχύος. Να θεωρήστε ότι οι ιοντισμοί όλων των οξέων είναι ενδόθερμα φαινόμενα. ii. Να ταξινομήσετε τα διαλύματα Δ 1, Δ, Δ 3 και Δ 4 κατά σειρά αυξανόμενης τιμής ph. β) Μετρήσαμε τo ph του Δ και το βρήκαμε ίσο με,4 ([Η 3 Ο + ] = Μ). Με βάση και το δεδομένο αυτό να υπολογίσετε τις τιμές των σταθερών ιοντισμού των οξέων ΗΑ και ΗΒ, καθώς και τις συγκεντρώσεις όλων των διαλυμάτων Δ 1, Δ, Δ 3 και Δ 4. γ) i. Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 50 ml του διαλύματος Δ 1, υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να γίνει ίσος με 0,0; ii. Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 50 ml του διαλύματος Δ, υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε το ph του να γίνει ίσο με αυτό του διαλύματος Δ 1 ; Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. 170

183 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ Χημεία και τέρατα: «Οργανικές βάσεις σε πτώματα και φάρμακα!» Πολλές ασθενείς βάσεις είναι οργανικές ενώσεις και ανήκουν στην κατηγορία των πρωτοταγών αμινών, που διαθέτουν την ΝΗ (αμινοομάδα) σαν χαρακτηριστική ομάδα. Οι περισσότερες αμίνες έχουν μικρό σχετικά μοριακό βάρος και έχουν δυσάρεστη ο- σμή «ψαρίλας». Παράγονται μαζί με την ΝΗ 3 κατά την αναερόβια (απουσία δηλαδή Ο ) αποσύνθεση νεκρών οργανισμών, φυτικών ή ζωικών, όπως για παράδειγμα η Η Ν(CH ) 4 NH, που είναι γνωστή σαν πουτρεσκίνη και η Η Ν(CH ) 5 NH, που είναι γνωστή ως καδαβερίνη. Επίσης, πολλά φάρμακα, όπως η κινίνη, η καφεΐνη και η αμφεταμίνη ανήκουν στην κατηγορία των αμινών. Όπως και οι άλλες αμίνες είναι ασθενείς βάσεις, που πρωτονιώνονται εύκολα μετά από κατεργασία με κάποιο οξύ. Με HCl για παράδειγμα παρέχουν το άλας ΑΗ + Cl (υδροχλωρικό άλας της αμίνης): Τα άλατα που σχηματίζονται είναι, γενικά, πιο σταθερά, λιγότερο πτητικά και πιο διαλυτά στο νερό και για το λόγο αυτό οι περισσότερες αμίνες που έχουν φαρμακευτική δράση φέρονται στο εμπόριο με τη μορφή των αλάτων τους. 171

184 ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 8 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-13 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (4x13 = 5 μονάδες). 1. Ουσία Β δρα στο νερό ως ασθενής βάση κατά Brönsted - Lowry. Η έκφραση της σταθεράς ιοντισμού K b για τη βάση Β είναι: [HB] [OH ] [B ] [OH ] Α) K b Β) K b [B ] [BOH] [HB ] [OH ] [B] [HO] Γ) K b Δ) Kb [B] [HB ] [OH ] [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ]. Η σταθερά ιοντισμού Κ a του ασθενούς οξέος ΗF σε α- ραιό υδατικό διάλυμα αυξάνει με Α) την αύξηση της θερμοκρασίας Β) τη μείωση της θερμοκρασίας Γ) την προσθήκη ΝaF Δ) την προσθήκη HCl [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 3. Σε υδατικό διάλυμα ΝΗ 3 όγκου V 1 με βαθμό ιοντισμού α 1 προσθέτουμε νερό σε σταθερή θερμοκρασία, μέχρι ο τελικός όγκος του διαλύματος να γίνει 4V 1. Θεωρώντας τις κατάλληλες προσεγγίσεις, ο βαθμός ιοντισμού α της ΝΗ 3 στο αραιωμένο διάλυμα είναι: Α) α = α 1 Β) α = 4α 1 Γ) α = α 1 Δ) α = 0,5α 1 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 4. Όταν υδατικό διάλυμα ΝΗ 3 αραιωθεί με την προσθήκη νερού υπό σταθερή θερμοκρασία: Α) η [ΟΗ ] μειώνεται με το ph αυξάνεται Β) η [ΟΗ ] αυξάνεται με το ph μειώνεται Γ) η [ΟΗ ] μειώνεται και ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται Δ) η [ΝΗ 3 ] μειώνεται και η σταθερά ιοντισμού αυξάνεται 5. Ποιο από τα παρακάτω διαλύματα οξέων που έχουν την ίδια συγκέντρωση και βρίσκονται σε θερμοκρασία 5 ο C έχει τη μικρότερη τιμή ph; Δίνονται οι αντίστοιχες σταθερές ιοντισμού των οξέων. Α) HCOOH με K a = 10 4 Β) CH 3 COOH με K a = 10 5 Γ) ClCH COOH με K a = 1,510 3 Δ) Cl CHCOOH με K a = 510 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 6. Σε ποιο από τα επόμενα διαλύματα το HCOOH παρουσιάζει το μεγαλύτερο βαθμό ιοντισμού; Να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. Α) HCOOH 0,1 M στους 40 ο C B) HCOOH 0,3 M στους 0 ο C Γ) HCOOH 0, M στους 0 ο C Δ) HCOOH 0,1 M στους 30 ο C 7. Όταν σε υδατικό διάλυμα βάσης Β 0,1 Μ όγκου 1 L προσθέτουμε 9 L νερό, υπό σταθερή θερμοκρασία 5 o C, παρατηρούμε ότι το ph γίνεται ίσο με 11. Με βάση το δεδομένο αυτό συμπεραίνουμε ότι: A) η βάση Β είναι ασθενής, γιατί αν ήταν ισχυρή το ph θα παρέμενε σταθερό με την αραίωση 17 B) η βάση Β είναι ασθενής, γιατί αν ήταν ισχυρή το ph του αραιωμένου διαλύματος θα ήταν ίσο με 1 Γ) με την αραίωση το ph μειώνεται κατά 1 Δ) η [ΟΗ ] πριν την αραίωση ήταν 0,1 Μ 8. Διάλυμα ΗCΟΟΗ έχει ph ίσο με,5 και όγκο 1 L. Το διάλυμα αραιώνεται με την προσθήκη 9 L νερού. Το ph του αραιωμένου διαλύματος μπορεί να είναι ίσο με: Α) Β) 3,5 Γ) 3 Δ) ,5 mol ασθενούς οξέος ΗΑ διαλύονται σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα όγκου 50 ml στο οποίο ισχύει: [H 3 O + ] = 0, M στους 5 ο C. Με βάση τα δεδομένα αυτά προκύπτει ότι η σταθερά ιοντισμού Κ a του ΗΑ έχει τιμή ίση με: A) 0,05 B) 0,04 Γ) 6,5 10 Δ) 0, 10. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις ισχύει όταν υδατικό διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη (οξέος ή βάσης) αραιωθεί με νερό, σε σταθερή θερμοκρασία; Α) H σταθερά K w του νερού μειώνεται αν έχουμε ισχυρή ή ασθενή βάση και αυξάνεται αν έχουμε ισχυρό ή ασθενές οξύ Β) Η [ Η 3 Ο + ] στο διάλυμα αυξάνεται Γ) Η σταθερά ιοντισμού του ηλεκτρολύτη μειώνεται Δ) Ο βαθμός ιοντισμού του ηλεκτρολύτη αυξάνεται 11. Το νιτρώδες οξύ (HNO ) είναι ένα ασθενές οξύ με K a = Τι από τα παρακάτω ισχύει για ένα διάλυμα HNO 0,5 Μ στους 5 ο C; Α) ph = Β) [ΝΟ ] = 0,5 Μ Γ) Το ΗΝΟ ιοντίζεται σε ποσοστό 1% Δ) Δεν ισχύουν οι προσεγγιστικές εκφράσεις 1. To σεληνικό οξύ, Η SeO 4, είναι ένα διπρωτικό οξύ που στα υδατικά του διαλύματα συμπεριφέρεται ως ισχυρό στον πρώτο ιοντισμό του και ως ασθενές στον δεύτερο. Σε ένα διάλυμα Η SeO 4 0,01 Μ η [Η 3 Ο + ] είναι ίση με 0,016 Μ. Με βάση τa δεδομένα αυτά προκύπτει ότι: Α) ph = Β) [HSeO 4 ] = 0,01 M Γ) [SeO 4 ] = M Δ) [SeO 4 ] = 0,016 Μ 13. Ποιο από τα παρακάτω υδατικά διαλύματα πρέπει να προσθέσουμε σε όγκο V υδατικού διαλύματος της ασθενούς βάσης Β 0,1 Μ ώστε να αυξηθεί η τιμή του ph: Α) Διάλυμα Β 0,1 Μ όγκου V Β) Διάλυμα Β 0,3 Μ όγκου V Γ) Διάλυμα ΗCl 0,1 Μ όγκου V Δ) Διάλυμα CΗ 3 CΟOH 0,1 Μ όγκου V [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ]

185 14. Να αιτιολογήσετε την ισχύ της πρότασης που ακολουθεί: Με την προσθήκη νερού σε υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ και σε σταθερή θερμοκρασία, τόσο ο βαθμός ιοντισμού του ασθενούς οξέος ΗΑ, όσο και η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ του διαλύματος αυξάνονται. 4 μονάδες 15. Δίνεται η ισορροπία: CH 3 COOH + CN CH 3 COO + HCN. α) Ποια από τα μόρια και ιόντα που συμμετέχουν στην ισορροπία αυτή συμπεριφέρονται ως οξέα και ποια ως βάσεις κατά Brönsted - Lowry; β) Να προβλέψετε προς ποια κατεύθυνση ευνοείται η παραπάνω ισορροπία, αν η K a του CH 3 COOH έχει τιμή 10 5 και η K a του HCN έχει τιμή Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. Οι σταθερές ιοντισμού αναφέρονται στην ίδια θερμοκρασία και σε υδατικά διαλύματα. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 4 μονάδες 16. Διάλυμα μονοπρωτικού οξέος ΗΑ έχει όγκο 100 ml και ph =. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε νερό και ο όγκος του γίνεται 10 L ενώ το ph = 3. Διάλυμα ενός άλλου μονοπρωτικού οξέος ΗΒ έχει όγκο 100 ml και ph =. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε νερό και ο όγκος του γίνεται 10 L ενώ το ph = 4. Να δείξετε ότι το ΗΑ είναι ασθενές οξύ, ενώ το ΗΒ ισχυρό. 4 μονάδες 173

186 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 17. Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ των ασθενών οξέων ΗΑ και ΗΒ στους 5 ο C. Δ 1 : ΗΑ συγκέντρωσης c, ph = 3. Δ : ΗB συγκέντρωσης c, ph =. Θεωρώντας τις κατάλληλες προσεγγίσεις, να συγκρίνετε: α) Tους βαθμούς ιοντισμού α 1 και α των ΗΑ και ΗΒ στα Δ 1 και Δ. β) Tην ισχύ των δύο οξέων ΗΑ και ΗΒ. γ) Tην ισχύ των συζυγών τους βάσεων. δ) Τις συγκεντρώσεις των [Α ] και [Β ] στα διαλύματα Δ 1 και Δ. Σε όλες τις περιπτώσεις να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. 8 μονάδες 174

187 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΣΘΕΝΩΝ ΟΞΕΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΕΩΝ 18. Διαθέτουμε δύο διαλύματα Δ 1 και Δ των ασθενών βάσεων CH 3 NH και NH 3, όγκου 100 ml το καθένα. Διάλυμα Δ 1 : CH 3 NH 1 Μ στο οποίο η CH 3 NH ιοντίζεται σε ποσοστό 1%. Διάλυμα Δ : NH 3 0,05 M στο οποίο η NH 3 ιοντίζεται σε ποσοστό %. α) Να συγκρίνετε την ισχύ των βάσεων CH 3 NH και NH 3. β) Σε ποιο από τα δύο διαλύματα, Δ 1 ή Δ πρέπει να προσθέσουμε νερό, ώστε να γίνει ph = 11,5; Ποιος ο όγκος του νερού που πρέπει να προστεθεί; γ) Σε ποιο από τα δύο διαλύματα Δ 1 ή Δ πρέπει να προσθέσουμε νερό, ώστε να γίνει εξίσωση των ποσοστών ιοντισμού των δύο βάσεων; Να υπολογιστεί ο όγκος αυτός του νερού. Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C. 14 μονάδες 175

188 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 19. Υδατικό διάλυμα ( 1 ) όγκου 600 ml περιέχει 13,5 g κορεσμένης αμίνης του τύπου RΝH, όπου R = C ν Η ν+1, ν 1). Ο βαθμός ιοντισμού της αμίνης είναι α = 0,0 και το διάλυμα έχει ph = 1. α) Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντισμού Κ b της RΝH. β) Να προσδιορίσετε το συντακτικό τύπο της αμίνης RΝH. γ) Σε άλλο διάλυμα Δ περιέχεται μονοπρωτική βάση Β σε συγκέντρωση 0,1 Μ και παρουσιάζει τον ίδιο βαθμό ιοντισμού με την αμίνη στο διάλυμα Δ 1. Να συγκρίνετε την ισχύ των δύο βάσεων RΝH και Β. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 o C. Σχετικές ατομικές μάζες, C:1, H:1, N: μονάδες 176

189 9 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Διαλύματα αλάτων που παρουσιάζουν ουδέτερο ph Τα υδατικά διαλύματα ενός άλατος που προέρχεται από την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση, όπως π.χ. το NaCl, το CaCl κτλ., παρουσιάζουν ουδέτερο ph. Στην περίπτωση αυτή λαμβάνει χώρα μόνο η διάσταση του άλατος στα ιόντα του, δηλαδή, δε συμβαίνει αντίδραση των ιόντων του άλατος με το Η Ο. Τα ιόντα Η 3 Ο + και ΟΗ που υπάρχουν στο διάλυμα, προέρχονται αποκλειστικά από τον ιοντισμό του νερού και επομένως ισχύει: [Η 3 Ο + ] = [ΟΗ ] = 10 7, ph = 7 (5 o C) Εφόσον το ph υδατικού διαλύματος του παραπάνω τύπου άλατος είναι ουδέτερο, δε μεταβάλλεται με την προσθήκη νερού υπό σταθερή θερμοκρασία (αραίωση).. Διαλύματα αλάτων που παρουσιάζουν βασικό ph Ο υπολογισμός του ph γίνεται μέσω της εξίσωσης υδρόλυσης και για το σκοπό αυτό θα πρέπει να δίνεται ή η σταθερά Kb για το ανιόν ή (συνηθέστερα) η σταθερά Ka για το αντίστοιχο συζυγές οξύ, οπότε η σταθερά ιοντισμού Kb του ανιόντος θα υπολογίζεται από τη γνωστή σχέση: Κa Kb = Τα υδατικά διαλύματα ενός άλατος τα ιόντα του οποίου προέρχονται από ασθενές οξύ και ισχυρή βάση, όπως π.χ. το CH 3 COONa, το NaCN κτλ. παρουσιάζουν βασικό ph. Στην περίπτωση αυτή έχουμε αρχικά την διάσταση του άλατος στα ιόντα του και στη συνέχεια την υδρόλυση του ανιόντος, που λειτουργεί ως ασθενής βάση: CH 3 COONa CH 3 COO + Na + CH 3 COO + H O CH 3 COOH + OH Με γνωστή τη σταθερά K b του ανιόντος καταστρώνουμε τον πίνακα της ιοντικής ι- σορροπίας κατά τα γνωστά, θεωρώντας συνήθως αμελητέα τα ιόντα Η 3 Ο + και ΟΗ, που προέρχονται από τον ιοντισμό του νερού). Παρατηρούμε ότι το ph του διαλύματος ενός τέτοιου άλατος θα είναι βασικό (ph > 7). Εφαρμογή 1 Διαθέτουμε διάλυμα HCOONa συγκέντρωσης 1 Μ. Να υπολογιστεί το ph του καθώς και ο βαθμός ιοντισμού (υδρόλυσης) του ιόντος HCOO. Για το HCOOH, Κ a = Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C, όπου Κ w = HCOONa HCOO + Na + 1 Μ 1 Μ 1 Μ 177

190 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Από τα δύο ιόντα του άλατος, το HCOO προέρχεται από το ασθενές οξύ HCOOH και υδρολύεται, σύμφωνα με την εξίσωση: 178 mol/l HCOO + H O HCOOH + OΗ Ιοντική ισορροπία 1 x x x Υπολογίζουμε τη σταθερά ιοντισμού, Κ b, του ιόντος HCOO : K K 14 w b (HCOO ) 10 4 K a(hcooh) 10 Θεωρώντας την προσέγγιση: 1 x 1 Μ, έχουμε: 10 x 5 10, x [OH ] 10 M, poh 5, ph O βαθμός υδρόλυσης του ιόντος HCOO υπολογίζεται από τη σχέση: α x c Διαλύματα αλάτων που παρουσιάζουν όξινο ph Τα υδατικά διαλύματα ενός άλατος που προέρχεται από την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος με ασθενή βάση, όπως π.χ. το ΝH 4 Cl, το CH 3 NH 3 Cl κτλ. παρουσιάζουν όξινο ph. Αρχικά, έχουμε τη διάσταση του άλατος στα ιόντα του και στη συνέχεια την αντίδραση του κατιόντος με το νερό, που λειτουργεί ως ασθενές οξύ: CH 3 NH 3 Cl CH 3 NH Cl CH 3 NH H O CH 3 NH + H 3 O + Με γνωστή τη σταθερά ιοντισμού K a του κατιόντος CH 3 NH 3 + καταστρώνουμε τον πίνακα της ιοντικής ισορροπίας και υπολογίζουμε το ph κατά τα γνωστά. Παρατηρούμε ότι το ph του διαλύματος ενός τέτοιου άλατος είναι όξινο (ph < 7). Εφαρμογή Διαθέτουμε υδατικό διάλυμα ΝH 4 Cl 1 Μ. Να υπολογιστεί το ph του καθώς και ο βαθμός ιοντισμού (υδρόλυσης) του ιόντος NH 4 +. Για την ΝΗ 3, Κ b = θ=5 ο C, όπου Κ w = Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. To άλας διίστανται με βάση την εξίσωση: NH 4 Cl NH Cl 1 Μ 1 Μ 1 Μ Από τα δύο ιόντα του άλατος το NH 4 + προέρχεται από ασθενή βάση και υδρολύεται, σύμφωνα με την εξίσωση: mol/l NH H O ΝH 3 + Η 3 Ο + Ιοντική ισορροπία 1 x x x

191 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ K K 14 w 10 9 a(nh4 ) 10 5 Kb (NH3) 10 Θεωρώντας την προσέγγιση: 1 x 1 Μ, έχουμε: 9 x 4,5 10, x [H3O ] 10 M, ph 4,5 1 + O βαθμός υδρόλυσης του ιόντος NH 4 υπολογίζεται από τη σχέση: α x c ,5 10 4,5 4. Διαλύματα αλάτων από ασθενή οξέα και ασθενείς βάσεις Πρόκειται για διαλύματα αλάτων, που προέρχονται από ασθενές οξύ και από ασθενή βάση, όπως π.χ. το CH 3 COOΝH 4, το NH 4 CN, το ΝΗ 4 F κτλ. Αρχικά έχουμε τη διάσταση του άλατος στα ιόντα του και στη συνέχεια την αντίδραση και των δύο ιόντων του με το νερό (υδρόλυση): CH 3 COONH 4 CH 3 COO + NH 4 + CH 3 COO + H O NH H O NH 3 + H 3 O + CH 3 COOH + OH Ο ακριβής υπολογισμός του ph στην περίπτωση αυτή είναι μαθηματικά δυσχερής. Kαι αυτό γιατί τα περισσότερα από τα ιόντα Η3Ο + και ΟΗ που σχηματίζονται από τις δύο αντιδράσεις υδρόλυσης αντιδρούν μεταξύ τους παράγοντας νερό. Πάντως, στην περίπτωση αυτή απαιτούνται τόσο η Kb του ανιόντος, όσο και Ka του κατιόντος. H περιοχή ph εξαρτάται από τη σχετική ισχύ των δύο ιόντων ως ηλεκτρολύτες. Αν το ανιόν CH 3 COO + είναι πιο ισχυρή σαν βάση από ότι το κατιόν ΝΗ 4 σαν οξύ, δηλαδή αν Κ b (CH 3 COO ) > K a (ΝΗ + 4 ), η πρώτη από τις παραπάνω ισορροπίες θα πηγαίνει περισσότερο προς τα δεξιά από ότι η δεύτερη με αποτέλεσμα, [ΟΗ ] > [Η 3 Ο + ] και άρα ph > 7. Σε αντίθετη περίπτωση (Κ b < K a ) θα ισχύει: [Η 3 Ο + ] > [ΟΗ ] και συνεπώς ph < 7. Στην περίπτωση που η σχετική ισχύς είναι ίδια (Κ b = K a ), θα ισχύει ph = 7. Στην παραπάνω περίπτωση ισχύει: Κ b (CH 3 COO ) = K a (NH 4 + ) = και επομένως το διάλυμα του CH 3 COOΝH 4 εμφανίζεται ουδέτερο. Επίσης, για τα ιόντα του άλατος NH 4 F ισχύει: Κ a (NH + 4 ) > K b (F ) και επομένως τα υδατικά του διαλύματα θα εμφανίζονται όξινα. Αντίθετα, στην περίπτωση, όμως, του ΝH 4 CN ισχύει: Κ a (NH + 4 ) < K b (CN ) και επομένως τα υδατικά του διαλύματα θα εμφανίζονται βασικά. Π.χ. διάλυμα ΝH 4 CN συγκέντρωσης 10 4 Μ έχει ph = 9,3. 5. Περίπτωση όξινων αλάτων Ας θεωρήσουμε διάλυμα του άλατος NaHCO 3. Με τη διάσταση του άλατος προκύπτουν τα ιόντα Νa + και HCO 3. Το ιόν Νa + δεν υδρολύεται. Το ιόν, όμως, HCO 3 δρα αμφολυτικά, καθώς με την επίδραση Η Ο μπορεί να λειτουργήσει και ως οξύ και ως βάση: ΝaHCO 3 Na + + HCO 3 HCO 3 + H O H CO 3 + OH, K b (HCO 3 ) HCO 3 + H O CO 3 + H 3 O +, K a (H CO 3 ) 179

192 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Στην πρώτη από τις δύο παραπάνω ισορροπίες το ιόν ΗCO 3 λειτουργεί ως βάση και η σταθερά ισορροπίας Κ b, δίνεται από τη σχέση: K b [HCO3 ] [OH ] [HCO ] K 3 a1 K w (H CO 3 ) Στη δεύτερη ισορροπία το ιόν ΗCO 3 λειτουργεί ως οξύ και η σταθερά ισορροπίας αντιστοιχεί στο ο ιοντισμό του ανθρακικού οξέος, H CO 3 : [CO3 ] [H3O ] K a Ka (H CO 3 [HCO3 ] ) Γενικά, ένα τέτοιο διάλυμα παρουσιάζει βασικό ph, αν Κ b (HCO 3 ) > K a (HCO 3 ), όξινο αν Κ b (HCO 3 ) < K a (HCO 3 ) και ουδέτερο αν Κ b (HCO 3 ) = K a (HCO 3 ). Εφαρμογή 3 Αν είναι γνωστό ότι για το υδρόθειο (Η S), Κ a1 = 10 7 και Κ a = 10 13, να εκτιμήσετε αν ένα διάλυμα NaHS 0,1 Μ είναι όξινο, ουδέτερο ή βασικό. K 10 Kb (HS ) w 7, 7 K (H a1 S) 10 Επειδή, Κ b > K a, το διάλυμα θα είναι βασικό. K 13 a(hs ) K a (H S) 10 NaHS Na + + HS HS + HO HS + OH HS + HO S + H3O + 6. Υδρόλυση εφυδατωμένων ιόντων Εφυδατωμένα (σύμπλοκα) ιόντα του τύπου [Μ(Η Ο) x ] ψ+ μπορούν να υδρολυθούν, σύμφωνα με την εξίσωση, [Μ(Η Ο) x ] ψ+ + Η Ο [Μ(Η Ο) x 1 (ΟΗ)] (ψ 1)+ + H 3 O + κατά την οποία δρουν ως ασθενή οξέα κατά Brönsted - Lowry. Π.χ.: [Fe(Η Ο) 6 ] 3+ + Η Ο [Fe(Η Ο) 5 (ΟΗ)] + + H 3 O +, Κ a = Αντίδραση εξουδετέρωσης Η αντίδραση ενός οξέος με μία βάση είναι η πιο σημαντική αντίδραση μεταξύ ηλεκτρολυτών. Λέγεται εξουδετέρωση είναι μονόδρομη και μπορεί να περιγραφεί με το εξής σχήμα: οξύ + βάση άλας + Η Ο Έστω π.χ. ότι αναμιγνύουμε διάλυμα υδροχλωρικού οξέος (HCl) με διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου (NaOH). Στο πρώτο διάλυμα, λόγω πλήρους ιοντισμού, υπάρχουν ιόντα Η 3 Ο + και Cl, ενώ στο δεύτερο τα ιόντα Na + και ΟΗ. Η ποσοτική (πλήρης) αντίδραση, που γίνεται μπορεί να περιγραφεί από τη χημική αντίδραση: HCl + NaOH NaCl + H O 180

193 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Επειδή η αντίδραση της εξουδετέρωσης είναι μεταξύ ιόντων, παριστάνεται καλύτερα με την εξής εξίσωση: H 3 O + + Cl + Na + + OH Na + + Cl + H O HCl NaOH NaCl Στην παραπάνω εξίσωση, τα ιόντα Νa + και Cl δεν παίρνουν στην πραγματικότητα μέρος, οπότε η εξίσωση εξουδετέρωσης μπορεί να απλουστευθεί ως εξής: H 3 O + + OH H O Όταν ένα από τα αντιδρώντα (οξύ ή βάση) είναι ασθενές, το παριστάνουμε με τη μοριακή του μορφή, π.χ. η εξίσωση της αντίδρασης εξουδετέρωσης του οξικού οξέος (ασθενές οξύ) από το NaOH έχει τη μορφή: CH 3 COOH + OH CH 3 COO + H O Στα προβλήματα, για να φανεί ο σχηματισμός του άλατος, θα γράφουμε την εξίσωση εξουδετέρωσης με την (πλήρη) μορφή και όχι με τη μορφή ιόντων: CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H O Κατά την εξουδετέρωση μιας ασθενούς βάσης π.χ. της αμμωνίας από το HCl, το H SO 4 κτλ. δεν προκύπτει νερό: ΝΗ 3 + ΗCl NH 4 Cl ΝΗ 3 + H SΟ 4 (ΝΗ 4 ) SO 4 Στην εξουδετέρωση της αμμωνίας δεν εμφανίζεται στο δεύτερο μέλος ΗΟ! Επίσης, για την περίπτωση της εξουδετέρωσης ενός ασθενούς οξέος από μία ασθενή βάση έχουμε, π.χ.: ΝΗ 3 + CH 3 COOΗ CH 3 COONH 4 Τέλος, για τις περιπτώσεις εξουδετέρωσης πολυπρωτικών οξέων ή πολυπρωτικών βάσεων έχουμε π.χ. τις εξισώσεις: ΝaOH + H S Na S + H O Ca(OH) + HCl CaCl + H O ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ ΛΥΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Ανάμειξη διαλύματος ισχυρού οξέος με διάλυμα ισχυρής βάσης Έστω π.χ. η περίπτωση της αντίδρασης του HCl με το NaOH, που μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση: HCl + NaOH NaCl + H O Για τον υπολογισμό του ph του διαλύματος που προκύπτει με την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος από την ισχυρή βάση, ακολουθούμε συνήθως τα εξής βήματα: 181

194 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 1) Υπολογίζουμε την αρχική ποσότητα (σε mol) του οξέος (n o ) πριν την αντίδραση. ) Υπολογίζουμε την αρχική ποσότητα (σε mol) της βάσης (n β ) πριν την αντίδραση. 3) Με βάση την εξίσωση της εξουδετέρωσης, κάνουμε τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς στην εξίσωση της αντίδραση της εξουδετέρωσης. 4) Διαπιστώνουμε αν υπάρχει περίσσεια οξέος ή βάσης ή αν έχουν καταναλωθεί και τα δύο αντιδρώντα. Έτσι, για την εξουδετέρωση ισχυρού μονοπρωτικού οξέος με ισχυρή μονοπρωτική βάση, διακρίνουμε τις εξής 3 περιπτώσεις: Αν n o = n β, έχουν καταναλωθεί πλήρως και τα δύο αντιδρώντα (δεν υπάρχει περίσσεια οξέος ή βάσης). Καθώς κανένα από τα ιόντα Νa + και Cl δεν αντιδρά με το νερό (δηλαδή, δεν υδρολύεται), τα ιόντα Η 3 Ο + και ΟΗ προέρχονται μόνο από τον ιοντισμό του νερού, οπότε το διάλυμα που προκύπτει είναι ουδέτερο και επομένως θα ι- σχύει: [Η 3 Ο + ] = [ΟΗ ] = 10 7, ph = 7 στους 5 o C. Αν n o > n β, τότε υπάρχει περίσσεια οξέος και το ph που θα προκύψει θα ανήκει στην όξινη περιοχή (ph < 7). To ph στην περίπτωση αυτή καθορίζεται από την περίσσεια οξέος. Υπολογίζουμε την συγκέντρωση των Η 3 Ο + από τον ιοντισμό της περίσσειας του οξέος και στη συνέχεια, με βάση το συνολικό όγκο του διαλύματος, υπολογίζουμε το ph. Αν n o < n β, υπάρχει περίσσεια βάσης και το ph θα είναι βασικό. Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση των ΟΗ από τη διάσταση της περίσσειας της βάσης και στη συνέχεια και με βάση το συνολικό όγκο του διαλύματος υπολογίζουμε το poh και τελικά το ph. Εφαρμογή 4 Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος που προκύπτει με την ανάμιξη 00 ml διαλύματος Ca(OH) 0, M με 00 ml διαλύματος HCl 0, Μ. θ=5 ο C. Υπολογίζουμε τις αρχικές ποσότητες της βάσης και του οξέος. Ca(OH) : n 1 = 0, 0, = 0,04 mol HCl: n 1 = 0, 0, = 0,04 mol mol Ca(OH) + HCl CaCl + H O Αρχικά 0,04 0,04 Μεταβολές 0,0 0,04 0,0 Τελικά 0,0 0,0 Προσοχή στους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς! Τελικά, απομένει η περίσσεια του Ca(OH) σε συγκέντρωση 0,0/0,4 = 0,05 M και το CaCl σε συγκέντρωση 0,0/0,4 = 0,05 M. Καθώς κανένα από τα ιόντα της διάστασης του CaCl δεν υδρολύεται, το ph του τελικού διαλύματος θα καθοριστεί από τη διάσταση του Ca(OH) : 18 Ca(OH) Ca + + OH 0,05 Μ 0,1 Μ [ΟΗ ] = 0,1 Μ, poh = 1, ph = 14 1 = 13

195 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ. Περίπτωση δύο οξέων που εξουδετερώνονται από την ίδια βάση Αν έχουμε μίγμα δύο ή περισσότερων ισχυρών οξέων που εξουδετερώνεται με μία ι- σχυρή βάση, γράφουμε τις δύο αντιδράσεις εξουδετέρωσης ξεχωριστά και εκτελούμε τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς. Η ποσότητα της βάσης χρησιμοποιείται για την εξουδετέρωση ενός από τα δύο οξέα και όποια ποσότητα της βάσης περισσεύει χρησιμοποιείται για το άλλο οξύ. Ας δούμε την εφαρμογή που ακολουθεί. Εφαρμογή 5 Αναμιγνύουμε τρία διαλύματα, ένα διάλυμα Ca(OH) 0,01 M όγκου 00 ml, ένα άλλο διάλυμα ΝaOH 0,01 Μ όγκου 400 ml και ένα τρίτο διάλυμα ΗCl 0,05 Μ όγκου 400 ml και προκύπτει διάλυμα όγκου 1 L. Ποιο το ph του τελικού διαλύματος; 00 ml 400 ml 400 ml Ca(OH) 0,01 M + NaOH 0,01 M + HCl 0,05 M 1L Υπολογίζουμε αρχικά τις ποσότητες των δύο βάσεων και του οξέος στα διαλύματά τους: Ca(OH) : n 1 = 0,01 0, = 10 3 mol NaOH: n = 0,01 0,4 = mol HCl: n 3 = 0,05 0,4 = mol Προσοχή στους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς! mol Ca(OH) + HCl CaCl + H O Αρχικά Μεταβολές mol ΝaOH + HCl ΝaCl + H O Αρχικά Μεταβολές Τελικά Τα δύο άλατα δεν υδρολύονται και άρα δεν συμμετέχουν στη διαμόρφωση της τιμής του ph, το οποίο καθορίζεται μόνο από την συγκέντρωση της περίσσειας του HCl. HCl + H O Cl + H 3 O Μ 10 3 Μ 10 3 Μ ph = log[h 3 O + ] = log10 3 = 3 Aν ένα από τα δύο οξέα είναι ασθενές, πρώτα εκτελούμε τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς με το ισχυρό οξύ και στη συνέχεια με το ασθενές. 183

196 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 3. Πλήρης εξουδετέρωση ασθενούς οξέος ΗΑ από ισχυρή βάση (ή ισχυρού οξέος από ασθενή βάση) Στην παράγραφο αυτή θα δούμε τον τρόπο υπολογισμού του ph ενός διαλύματος που προκύπτει με την (πλήρη) εξουδετέρωση διαλύματος ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση. Έστω π.χ. η αντίδραση: mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά n oξ n βασ Μεταβολές n oξ n oξ n oξ Τελικά n oξ = n βασ Για να γίνει πλήρης εξουδετέρωση ενός ασθενούς μονοπρωτικού οξέος (π.χ. του CH3COOH) από μία ισχυρή μονοπρωτική βάση (π.χ. NaOH) θα πρέπει να ισχύει η σχέση: noξ = nβασ Το ph στην περίπτωση αυτή θα καθοριστεί από τη συγκέντρωση τους άλατος που σχηματίστηκε. Γράφουμε την εξίσωση διάστασης του άλατος (CH 3 COONa) και υπολογίζουμε τη συγκέντρωσή του c. Τέλος, για τους υπολογισμούς και κάνουμε το γνωστό πινακάκι με βάση την εξίσωση ιοντισμού της συζυγούς βάσης: CH 3 COO + H O CH 3 COOH + OH Ισορροπία c x x x K b K = K w a Με ανάλογο τρόπο προκύπτει το ph μετά την πλήρη εξουδετέρωση ενός ισχυρού οξέος (π.χ. HCl) από μία ασθενή βάση (π.χ. ΝΗ 3 ). Σημείωση: Η περίπτωση που έχουμε περίσσεια του ασθενούς οξέος ή της ασθενούς βάσης θα αντιμετωπιστεί στις επόμενες ενότητες. Εφαρμογή ml διαλύματος ΝΗ 3 0, M αναμιγνύονται με 100 ml διαλύματος ΗCl 0, Μ και προκύπτει διάλυμα όγκου 00 ml. Ποιο το ph στους 5 o C; Δίνεται η σταθερά ιοντισμού K b (NH 3 ) = Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. ΝΗ 3 : n = 0, 0,1 = 0,0 mol HCl: n = 0, 0,1 = 0,0 mol mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0,0 0,0 Μεταβολές 0,0 0,0 0,0 Τελικά 0,0 Τελικά απομένει μόνο NH 4 Cl σε συγκέντρωση: 0,0/0, = 0,1 Μ. Με τη διάσταση του άλατος προκύπτουν: [ΝΗ 4 + ] = 0,1 Μ και [Cl ] = 0,1 M. To ιόν ΝΗ 4 + υδρολύεται σύμφωνα με την εξίσωση: ΝH H O ΝH 3 + Η 3 Ο + Ισορροπία 0,1 x x x 184

197 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ K 14 Kw 10 9 a(nh4 ) 10 5 Kb(NH3) 10 Θεωρώντας την προσέγγιση: 0,1 x 0,1 M, έχουμε: 10 9 x, 0,1 x [H O ] M, ph 5. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ, ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Δύο υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ περιέχουν, αντίστοιχα, το ασθενές οξύ ΗΑ και το ασθενές οξύ ΗΒ, σε ίσες συγκεντρώσεις. α) Αν το διάλυμα Δ 1 έχει το μεγαλύτερο ph, ποιο από τα δύο οξέα είναι ισχυρότερο; β) Αν διαθέτουμε ίσους όγκους από τα παραπάνω διαλύματα, ποιο διάλυμα χρειάζεται μεγαλύτερη ποσότητα NaOH για να εξουδετερωθεί; γ) Από τα δύο διαλύματα εξουδετέρωσης, ποιο εμφανίζει το μεγαλύτερο ph; Να υποθέσουμε ότι η προσθήκη NaOH δε μετέβαλε τον όγκο των διαλυμάτων. Σε όλες τις περιπτώσεις η θερμοκρασία είναι η ίδια. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Το διάλυμα με το μεγαλύτερο ph (διάλυμα ΗΑ) έχει τη μικρότερη [Η 3 Ο + ], οπότε θα είναι το λιγότερο όξινο. Επειδή τα διαλύματα έχουν την ίδια συγκέντρωση το ΗΑ θα ιοντίζεται σε μικρότερο βαθμό και επομένως θα είναι το πιο ασθενές. Μπορούμε να το δείξουμε και αλγεβρικά ως εξής: mol/l HA + H O H 3 O + + A Ιοντική ισορροπία c x x x 3 ] 1 3 ] 1 [H O Ka(HA) c [H O [H3O ] Με ανάλογο τρόπο: Ka(HB) c [H O ] 3 Επειδή ph 1 > ph, θα ισχύουν οι σχέσεις: [Η 3 Ο + ] 1 < [Η 3 Ο + ], c [Η 3 Ο + ] 1 > c [Η 3 Ο + ] Τελικά, προκύπτει: Ka(HB) Ka(HA) Επομένως, το ΗΑ είναι ασθενέστερο του ΗΒ. β) Η αντίδραση της εξουδετέρωσης είναι μονόδρομη αντίδραση, είτε το οξύ είναι ισχυρό, είτε ασθενές. Τα διαλύματα των δύο οξέων έχουν την ίδια συγκέντρωση και τον ίδιο όγκο και άρα περιέχουν την ίδια ποσότητα (σε mol) οξέος. Από τη στοιχειομετρία βλέπουμε ότι απαιτούν και την ίδια ποσότητα σε mol ΝaOH για πλήρη αντίδραση: 185

198 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΗΑ + ΝaOH NaA + H O x mol x mol x mol ΗB + ΝaOH NaB + H O x mol x mol x mol γ) Τα διαλύματα που προκύπτουν μετά τις εξουδετερώσεις περιέχουν τα άλατα NaA και ΝaB σε ίσες συγκεντρώσεις. Από τα ιόντα των δύο αλάτων υδρολύονται τα ιόντα Α και Β : Α + Η Ο ΗΑ + ΟΗ Β + Η Ο ΗΒ + ΟΗ Kw Kb(A ) K (HA) a Από τις δύο σταθερές ιοντισμού Κ b (Α ) και Κ b (Β ) μεγαλύτερη τιμή έχει η Κ b (Α ), καθώς το αντίστοιχο οξύ ΗΑ είναι πιο ασθενές. Επομένως, το διάλυμα εξουδετέρωσης του ΗΑ θα έχει μεγαλύτερο ph (πιο βασικό).. Όλα τα διαλύματα των ουσιών της πρώτης στήλης του πίνακα που ακολουθεί έ- χουν τις ίδιες συγκεντρώσεις. Να αντιστοιχήσετε το κάθε διάλυμα της στήλης αυτής με την τιμή του ph της δεύτερης στήλης. Για το CH 3 COOH, K a = 10 5 και για την ΝΗ 3, Κ b = Nα αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 o C. Α. CH 3 COONH Β. HCl. 11 Γ. NH 4 Cl 3. 7 Δ. NaOH 4. 4,5 Ε. CH 3 COONa Ζ. NH Η. CH 3 COOH 7. 9,5 ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Α-3, Β-1, Γ-4, Δ-5, Ε- 7, Ζ-, Η-6 ΑΠΑΝΤΗΣΗ Το διάλυμα HCl (ισχυρό οξύ) είναι το πιο όξινο απ όλα και, επομένως, θα εμφανίζει το μικρότερο ph (= 1). Επίσης, το διάλυμα NaOH (ισχυρή βάση) είναι το πιο βασικό απ όλα και επομένως θα εμφανίζει το μεγαλύτερο ph (= 13). Από τα δεδομένα αυτά προκύπτει ότι η συγκέντρωση των δύο αυτών ισχυρών ηλεκτρολυτών θα είναι 0,1 Μ. Για το διάλυμα του CH 3 COONH 4 έχουμε τα εξής: Στο διάλυμα του άλατος CH3COONH4 υπάρχουν τα ιόντα CH3COO και NH4 +, τα οποία υδρολύονται (και τα δύο), εφ όσον προέρχονται από ασθενείς ηλεκτρολύτες (από το CH3COOH και από την ΝΗ3, αντίστοιχα. CH 3 COONH 4 CH 3 COO + + NH 4 + NH 4 + H O NH 3 + H 3 O + CH 3 COO + H O CH 3 COOH + OH Επειδή: Κ a (CH 3 COOH) = K b (NH 3 ) = 10 5, θα ισχύει: Κ b (CH 3 COO ) = K a (NH + 4 ) = 10 9 Επομένως το διάλυμα CH 3 COONH 4 θα είναι ουδέτερο (ph = 7, 5 o C). 186

199 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Τα διαλύματα του ασθενούς οξέος CH 3 COOH και του άλατος ΝΗ 4 Cl εμφανίζονται ό- ξινα: CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + NH 4 Cl NH Cl NH H O NH 3 + H 3 O + Καθώς ισχύει Κ a (CH 3 COOH) > K a (NH 4 + ), το διάλυμα του CH 3 COOH θα είναι περισσότερο όξινο από το διάλυμα του NH 4 Cl και, άρα, θα έχει το μικρότερο ph. Με ανάλογο τρόπο συμπεραίνουμε και ότι το διάλυμα του CH 3 COONa έχει μικρότερο ph (λιγότερο βασικό) από το διάλυμα της ΝΗ Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε ένα διάλυμα HCl (Δ 1 ) με ph = και ένα διάλυμα NaOH (Δ ) με ph = 13, ώστε το ph του τελικού διαλύματος (Δ 3 ) να είναι ίσο με 1; Κ w = Για όλα τα διαλύματα θ=5 ο C. ΛΥΣΗ Διάλυμα Δ 1 : ph = log[η 3 Ο + ] =, [Η 3 Ο + ] = 10 M. HCl + H O Cl + H 3 O + 10 M 10 M Διάλυμα Δ : ph = log[η 3 Ο + ] = 13, [Η 3 Ο + ] = M, [ΟΗ ] = 10 1 Μ. NaOH Na + + OH 10 1 M 10 1 M Όταν σε ένα πρόβλημα μας ζητάνε την αναλογία όγκων με την οποία πρέπει να αναμίξουμε δύο διαλύματα, συμβολίζουμε με V1 και V τους όγκους των διαλυμάτων και ζητάμε το V1/V. O αριθμός των mol είναι, αντίστοιχα: n o = 10 V 1 και n β = 10 1 V (όπου V 1 και V οι όγκοι των δύο διαλυμάτων). Για να είναι το τελικό διάλυμα Δ 3 βασικό (ph = 1) θα πρέπει να έχουμε περίσσεια βάσης, οπότε αντιδρά όλη η ποσότητα του HCl. Με βάση τα δεδομένα αυτά «οργανώνουμε» το εξής πινακάκι: mol HCl + NaOH NaCl + H O Aρχικά 10 V V Μεταβολές 10 V 1 10 V 1 Τελικά 10 1 V 10 V 1 Η συγκέντρωση της περίσσειας του NaOH είναι: C π 10 1 V1 10 V V και επομένως η συγκέντρωση της περίσσειας των [ΟΗ ] θα είναι επίσης C π. Η συγκέντρωση, όμως, αυτή προκύπτει και από το ph του τελικού διαλύματος: ph = 1, poh =, C π = 0,01 M: 1 V C π 10 1 V1 10 V V 1 V Με επεξεργασία της παραπάνω σχέσης προκύπτει: V V

200 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4. 0,3 g άλατος ΚΑ (Μ r = 150) διαλύονται πλήρως σε νερό και προκύπτει διάλυμα όγκου 100 ml. Ποιο το ph του διαλύματος αυτού; Για το ασθενές οξύ ΗΑ, K a = K w = θ=5 ο C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του διαλύματος του ΚΑ: 0, 3 n(kα) = 150 ΚΑ Κ + + Α 0,0 M 0,0 M n 0,00mol = 0,00 mol, c 0,0M. V 0,1L mol/l Α + H O ΗΑ + OH Ισορροπία 0,0 x 0,0 Μ x x K 14 Kw b Ka(HA) 10 Θεωρούμε την προσέγγιση: 0,0 x 0,0 Μ: [HA] [OH ] x 10 Kb 510 [A ] 0,0 Τελικά: [ΟΗ ] = x = 10 5,5, poh = 5,5, ph = 8, , mol οξέος ΗΑ διαλύονται σε νερό και προκύπτουν 00 ml διαλύματος (Δ 1 ) με ph =. α) Να εξετάστε αν το ΗΑ είναι ισχυρό ή ασθενές. β) Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Δ 1, καθώς και την τιμή της σταθεράς ιοντισμού Κ a του ΗΑ. γ) Σε όλη την ποσότητα του Δ 1 προσθέτουμε 0, mol στερεού NaOH, χωρίς μεταβολή όγκου και προκύπτει διάλυμα (Δ ) όγκου 00 ml. Ποιο το ph του; θ=5 ο C. K w = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ α) Διάλυμα Δ 1 : c = 0,/0, = 1 Μ. Αν το ΗΑ ήταν ισχυρό η [Η 3 Ο + ] θα ήταν 1 Μ (πλήρης ιοντισμός) και όχι 10 (ph =, [Η 3 Ο + ] = 10 Μ). Άρα το ΗΑ είναι ασθενές οξύ. β) mol/l ΗΑ + H O Α + H 3 O Ισορροπία 1 x 1 x x [Η 3 Ο + ] = α c = 10, α = 0,01 Με βάση την προσεγγιστική έκφραση του νόμου του Ostwald προκύπτει: Κ a = α c = 10 4 γ) Με την προσθήκη 0, mol NaOH έχουμε την αντίδραση:

201 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ mol ΗΑ + NaOΗ NaΑ + Η Ο Αρχικά 0, 0, Μεταβολές 0, 0, 0, Τελικά 0, Το ΝaΑ διίσταται σε Νa + και Α, σε συγκεντρώσεις 0,/0, = 1 Μ (0,1 L ο όγκος του διαλύματος). Η υδρόλυση του Α δίνει: mol/l Α + H O HΑ + OH Ισορροπία 1 x x x x K b (Α ) = /10 4 = Επομένως: x,x [OH ] ,pH 9 6. Διαθέτουμε δύο διαλύματα, ένα διάλυμα HCl 0,1 Μ και ένα άλλο διάλυμα α- σθενούς βάσης Β 0,1 Μ. Με την ανάμιξη ορισμένων ποσοτήτων από τα διαλύματα αυτά παρατηρούμε πλήρη εξουδετέρωση. Ποιο το ph του διαλύματος εξουδετέρωσης; Για τη βάση Β: Κ b (Β) = θ=5 o C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ Για να έχουμε πλήρη εξουδετέρωση θα πρέπει να ισχύει: c o V o = c β V β 0,1 V o = 0,1 V β V o = V β = V mol B + HCl BHCl Αρχικά 0,1 V 0,1 V Μεταβολές 0,1 V 0,1 V 0,1 V Τελικά 0,1 V Τελικά προκύπτει διάλυμα ΒΗCl συγκέντρωσης: Το Cl δεν υδρολύεται. Γιατί; 0,1 V c 0,05M. V Το BH + αντιδρά με το νερό, καθώς προέρχεται από την ασθενή βάση Β: mol/l ΒH + + H O Β + Η 3 Ο + Ισορροπία 0,05 y 0,05 y y Θεωρώντας την προσέγγιση: 0,05 y 0,05 M: 14 Κ a (ΒΗ + 10 ) = = [H3O ] 0,05, [Η 3 Ο + ] = 10 5,5, ph = 5,5 189

202 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 7. Σε 1 L διαλύματος ασθενούς μονοπρωτικού οξέος περιέχεται 1 mol οξέος ΗΑ. α) Αν Κ a (ΗΑ) = 10 6, να υπολογιστεί η βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο παραπάνω διάλυμα. β) Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε 1 mol KOH, χωρίς να μεταβληθούν ο όγκος και οι συνθήκες του διαλύματος. Να βρεθεί το ph του νέου διαλύματος. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. K w = θ=5 ο C. [EΞΕΤΑΣΕΙΣ] ΛΥΣΗ α) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ και ελέγχουμε την ορθότητα της προσεγγιστικής έκφρασης του νόμου του Ostwald: 6 n 1mol Ka 10 6 c 1M, 10 0, 01 V 1L c c Επομένως: K a = α c, 10 6 = α 1, α = 10 3 β) Η βάση που προστίθεται εξουδετερώνει πλήρως το οξύ ΗΑ: mol ΗΑ + KOΗ KΑ + Η Ο Αρχικά 1 1 Μεταβολές Τελικά 1 Από τα ιόντα του τo A προέρχεται από ασθενές οξύ και υδρολύεται, σύμφωνα με την εξίσωση: mol/l Α + H O HΑ + OH Ισορροπία 1 x x x K b (Α ) = /10 6 = 10 8 Kb 10 8 Ελέγχουμε την ισχύ της προσέγγισης: 10 0, 01 c 1 ] K b (Α [OH ) = 10 8, 1 [ΟΗ ] = 10 4 Μ, pοh = 4, ph = Διαθέτουμε διάλυμα CH 3 NH 1 Μ (διάλυμα Δ 1 ), όγκου 100 ml. Το διάλυμα α- ραιώνεται με νερό και προκύπτει νέο διάλυμα (Δ ) όγκου 0,5 L. α) Ποιο το ph του διαλύματος Δ 1 ; β) Πόσα ml διαλύματος HCl 0, Μ απαιτούνται για την εξουδετέρωση 50 ml από το διάλυμα Δ ; γ) Ποιο το ph του διαλύματος που προκύπτει μετά την εξουδετέρωση; Κ b (CH 3 NH ) = θ=5 ο C. 8 ΛΥΣΗ 190

203 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ α) mol/l CH 3 NH + H O CH 3 NH OH Ισορροπία 1 x x x Kb 10 Ελέγχουμε την ισχύ της προσέγγισης: 10 0,1 C 1 Επομένως: [ΟΗ ] = Κ b c = 10 4, [ΟΗ ] = 10 M, poh =, ph = 1. β) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του διαλύματος μετά την αραίωση: c 1 V 1 = c V 1 0,1 = c 0,5, c = 0, M Τα 50 ml του αραιωμένου διαλύματος περιέχουν: n = 0,05 0, = 0,01 mol CH 3 NH CH 3 NH + HCl CH 3 NH 3 Cl 0,01 mol 0,01 mol 0,01 mol Τα 0,01 mol HCl περιέχονται σε: 0,01 γ) c(ch 3 NH 3 Cl) = 0,1 M. 0,1 CH 3 NH 3 Cl CH 3 NH Cl 4 0,01 0,05 L 50mL διαλύματος. 0, Το CH 3 NH 3 + υδρολύεται σύμφωνα με την εξίσωση: mol/l CH 3 NH H O CH 3 NH + Η 3 Ο + Ισορροπία 0,1 y y y H σταθερά ιοντισμού Κ a του ιόντος CH 3 NH 3 είναι: Ka Θεωρώντας τη γνωστή προσέγγιση (γιατί;), έχουμε: [Η 3 Ο + ] = ,1 = 10 11, [Η 3 Ο + ] = 10 5,5, ph = 5,5 9. Διάλυμα Ba(OH) συγκέντρωσης Μ και όγκου 00 ml αναμιγνύεται με διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης 0,01 Μ και όγκου 00 ml οπότε προκύπτει νέο διάλυμα με ph = 8,5. Να υπολογιστεί η σταθερά ιοντισμού του οξέος ΗΑ. Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C, όπου Κ w = Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ Υπολογίζουμε τις ποσότητες σε mol του Ba(OH) και του ΗΑ: Ba(OH) : n 1 = , = 10 3 mol HCl: n = 0,01 0, = 10 3 mol

204 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Εκτελούμε τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς στην αντίδραση της εξουδετέρωσης: mol Ba(OH) + HΑ BaΑ + H O Αρχικά Μεταβολές Τελικά 10 3 Προσοχή στους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς! Τελικά, απομένει μόνο το άλας BaΑ με c = 10 3 /0,4 =, M. Γράφουμε τη διάσταση του άλατος και την υδρόλυση των ιόντων A : BaΑ Ba + + A, M M mol/l Α + H O HΑ + OH Ισορροπία x x x Από το ph του τελικού διαλύματος, έχουμε: ph = 8,5, poh = 5,5, [ΟΗ ] = x = 10 5,5 M Θεωρούμε την προσέγγιση: x Μ, οπότε από την έκφραση της σταθεράς ιοντισμού του ιόντος A, προκύπτει: 5,5 [OH ] (10 ) Kb (A ) Τέλος, από τη σχέση Κ a K b = K w, υπολογίζουμε τη σταθερά ιοντισμού του οξέος ΗΑ: K 14 Kw 10 6 a(ha) Kb(A ) Διάλυμα ΝΗ 4 CN με c = 10 4 Μ έχει ph = 9. Να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις [ΝΗ 3 ] και [HCN] στο διάλυμα αυτό. Δίνονται οι σταθερές ιοντισμού: K b (NH 3 ) = 10 5 και Κ a (HCN) = θ=5 ο C, όπου Κ w = Nα μην θεωρηθούν προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ NH 4 CN NH CN 10 4 M 10 4 M 10 4 M + NH 4 + H O NH 3 + H 3 O + CN + H O HCN + OH Υπολογίζουμε τη σταθερά K a του ιόντος ΝΗ 4 + και τη σταθερά ιοντισμού K b του ιόντος CN : K K 14 w 10 9 a(nh4 ) 10 5 Kb (NH3) 10, K K 14 w 10 4 b (CN ) Ka(HCN) 10 19

205 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Έστω ότι υδρολύονται x (M) του ΝΗ 4 +, οπότε τελικά θα έχουμε: [ΝΗ 4 + ] = 10 4 x και [ΝΗ 3 ] = x. Επίσης, ph = 9, [Η 3 Ο + ] = 10 9 Μ. Από την έκφραση της Κ a του ιόντος ΝΗ 4 +, έχουμε: [NH3 ] [H3O [NH ] 4 9 ] x 10, x [NH3 ] x Έστω ότι υδρολύονται y (M) του CN, οπότε θα έχουμε: [CN ] = 10 4 y και [HCN] = y. Επίσης, ph = 9, [OH ] = 10 5 Μ. Από την έκφραση της σταθεράς Κ b του ιόντος CN, προκύπτει: 5 4 [HCN] [OH ] y 10 Kb (CN ) 10 4 [CN ] 10 y y [HCN] M Σημείωση: Προφανώς, στην προηγούμενη εξίσωση δεν ισχύουν oι προσεγγίσεις (γιατί;). M 193

206 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά). ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Για νέους λύτες 9.1. Να συμπληρωθούν οι εξισώσεις των αντιδράσεων ε- ξουδετέρωσης: α) KOH + HNO 3 β) Ca(ΟΗ) + HClO 4 γ) CH 3 COOH + NaOH δ) NH 3 + HCl ε) CH 3 NH + HNO 3 ζ) HCN + NaOH η) Ca(ΟΗ) + CH 3 COOH θ) NH 3 + H SΟ Ποια από τις ακόλουθες ενώσεις είναι ιοντική και το υδατικό της διάλυμα συγκέντρωσης 0,1 Μ έχει ph > 7, στους 5 o C; Α) CH 3 COONa Β) NH 3 Γ) NaNO 3 Δ) CH 3 OH [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] 9.3. To ph ενός διαλύματος KNO 3 σε σχέση με το ph ενός άλλου διαλύματος NH 4 Cl στην ίδια θερμοκρασία είναι: Α) μικρότερο Β) μεγαλύτερο Γ) ίσο Δ) μικρότερο ή μεγαλύτερο, ανάλογα με τις συγκεντρώσεις των διαλυμάτων 9.4. Διάλυμα άλατος NH 4 ΝΟ 3 0,1 Μ είναι: Α) όξινο Β) βασικό Γ) ουδέτερο Δ) όξινο, βασικό ή ουδέτερο, ανάλογα με τη συγκέντρωσή του 9.5. Το ph διαλύματος CH 3 COONa 0,01 Μ στους 5 ο C είναι δυνατόν να είναι ίσο με: Α) 7 Β) 5 Γ) 1 Δ) Θεωρείστε τα μονοπρωτικά οξέα: C 6 H 5 OH, K a = HCOΟH, K a = 1, HOBr, K a =, HNO, K a = 5, CH 3 COOH, K a = 1, Ποια από τα παρακάτω διαλύματα εμφανίζει τη μεγαλύτερη τιμή ph στους 5 ο C; Α) C 6 H 5 ONa 0,1 M Β) HCOONa 0,1 M Γ) NaOBr 0,1 M Δ) NaNO 0,1 M Ε) CH 3 COONa 0,1 M 9.7. Διαθέτουμε 4 διαλύματα όλα σε συγκέντρωση 0,1 M, που περιέχουν τις εξής διαλυμένες ουσίες: HClO 4, NH 4 Br, KOH, KCN. Ποια είναι η σωστή διάταξη κατά σειρά μειούμενου ph (από αυτό που έχει το μεγαλύτερο προς αυτό που έχει το μικρότερο) στους 5 ο C; A) KOH, KCN, NH 4 Br, HClO 4 B) KCN, KOH, HClO 4, NH 4 Br Γ) HClO 4, NH 4 Br, KCN, KOH Δ) NH 4 Br, HClO 4, KOH, KCN 9.8. Διάλυμα ΝΗ 4 ΝΟ εμφανίζει στους 5 ο C ph < 7. Επομένως: Α) Κ a (NH 4+ ) > Κ b (NO ) Β) Κ b (NH 3 ) > Κ a (HNO ) Γ) Κ a (NH 4+ ) < Κ b (NO ) Δ) Κ a (NH 4+ ) > Κ a (HNO ) 9.9. Αν εξουδετερώσουμε διάλυμα NaOH 0,1 Μ με διάλυμα HNO 3 προκύπτει διάλυμα για το ph του οποίου στους 5 ο C ισχύει: Α) ph > 7 Β) ph = 7 Γ) ph < 7 Δ) ph Αν εξουδετερώσουμε διάλυμα NH 3 0,1 Μ με διάλυμα HCl προκύπτει διάλυμα για το ph του οποίου ισχύει: Α) ph > 7 Β) ph = 7 Γ) ph < 7 Δ) ph i. Διάλυμα που περιέχει 0,1 mol HCl αναμιγνύεται με άλλο διάλυμα που περιέχει 0,11 mol NaOH και προκύπτει διάλυμα όγκου 1 L με θ=5 o C και ph ίσο με: Α) 1 Β) Γ) 7 Δ) 13 ii. Σε διάλυμα ΝaOH 0,1 Μ όγκου 1 L προσθέτουμε 0,11 mol HCl, χωρίς μεταβολή όγκου. Το ph του τελικού διαλύματος στους 5 ο C θα είναι ίσο με: Α) 5 Β) 1 Γ) 7 Δ) 9.1. Διάλυμα μονοπρωτικής βάσης Β έχει συγκέντρωση c = 0,01 Μ και ph = 10. Το διάλυμα αυτό εξουδετερώνεται πλήρως με ποσότητα HCl, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. To διάλυμα που προκύπτει έχει ph (στους 5 ο C): Α) ίσο με 7 Β) μεγαλύτερο από 7 Γ) μικρότερο από 7 Δ) άγνωστο, γιατί δε γνωρίζουμε τον όγκο του αρχικού διαλύματος της βάσης Ποιο από τα ακόλουθα υδατικά διαλύματα απαιτεί μεγαλύτερο όγκο διαλύματος NaOH για την πλήρη εξουδετέρωσή του; Α) 1 L διαλύματος CH 3 CΟΟΗ 0,1 Μ Β) 1 L διαλύματος ΗCl 0,1 Μ Γ) 1 L διαλύματος ΗCΟΟΗ 0,15 Μ Δ) 1 L διαλύματος Η S 0,1 Μ [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 194

207 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Το άλας NaA ενός ασθενούς οξέος ΗΑ διαλύεται στο νερό. Ποια από τις παρακάτω σχέσεις είναι σωστή για το διάλυμα που προκύπτει στους 5 ο C; A) [H 3 Ο + ] = [A ] B) [H 3 Ο + ] = [OH ] Γ) [A ] = [OH ] Δ) [HA] = [OH ] Δίνονται δύο υδατικά διαλύματα, ένα HCOOH 0,1 Μ (Δ 1 ) και ένα άλλο CH 3 COOH 0,1 Μ (Δ ). Οι σταθερές ιοντισμού K a των δύο οξέων είναι, αντίστοιχα, 1, και 1, στους 5 o C. Οι προτάσεις 1, και 3 που ακολουθούν αναφέρονται στα διαλύματα αυτά στους 5 ο C: 1. Η [Η 3 Ο + ] του διαλύματος Δ 1 είναι 10 φορές μεγαλύτερη από την [Η 3 Ο + ] του Δ.. Το ph του διαλύματος Δ είναι μεγαλύτερο από το ph του διαλύματος Δ Για την εξουδετέρωση ίσων όγκων από τα δύο διαλύματα απαιτείται ο ίδιος όγκος διαλύματος NaOH 0,1 M. Ποια από τις προτάσεις είναι σωστές; Α) Όλες Β) Μόνο οι 1 και Γ) Μόνο η Δ) Μόνο οι και Να εξηγήσετε γιατί διάλυμα NaHSO 4 είναι όξινο, ενώ διάλυμα NaHCO 3 είναι βασικό. Δίνονται οι τιμές των δύο διαδοχικών σταθερών ιοντισμού του H CO 3, Κ a1 = και Κ a = θ=5 ο C Δίνονται οι σταθερές ιοντισμού, Κ a (HF) = , K b (NH 3 ) = 10 5, καθώς και η σταθερά Κ w = α) Σε υδατικό διάλυμα έχει αποκατασταθεί η ισορροπία: ΗF + NH 3 F + ΝΗ 4 + Να προβλέψετε προς ποια κατεύθυνση είναι μετατοπισμένη η ισορροπία και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Να υπολογίσετε τη σταθερά Κ c της ισορροπίας. γ) Να προβλέψετε αν ένα υδατικό διάλυμα NH 4 F είναι όξινο, βασικό ή ουδέτερο, γράφοντας όλες τις απαιτούμενες αντιδράσεις διάστασης και υδρόλυσης Να αντιστοιχήσετε τα διαλύματα της 1ης στήλης του πίνακα που ακολουθεί με τα αντίστοιχα ph της ης στήλης. Όλα τα διαλύματα έχουν την ίδια συγκέντρωση και την ίδια θερμοκρασία. Να γίνει πλήρης εξήγηση. Α. NaOH 1. 1 Β. HCl. 5 Γ. CH 3 NH 3 Cl 3. 6 Δ. NH 4 Cl 4. 9 Ε. CH 3 COOΝa 5. 7 ΣΤ. KBr 6. 8 Ζ. ClCH COOK Να θεωρήσετε ότι η CH 3 NH είναι ισχυρότερη βάση από την ΝΗ 3 καθώς επίσης και ότι το ClCH COOΗ είναι ισχυρότερο οξύ από το CH 3 COOΗ Δύο διαλύματα περιέχουν CH 3 ΝΗ και NH 3, αντίστοιχα, σε ίσες συγκεντρώσεις. α) Αν το διάλυμα της CH 3 ΝΗ έχει το μεγαλύτερο ph, ποια βάση είναι η ισχυρότερη; β) Αν διαθέτουμε ίσους όγκους από τα παραπάνω διαλύματα, ποιο διάλυμα απαιτεί τη μεγαλύτερη ποσότητα ΗCl για να εξουδετερωθεί; γ) Από τα δύο διαλύματα εξουδετέρωσης, ποιο παρουσιάζει το μεγαλύτερο ph; Να υποθέσουμε ότι η προσθήκη ΗCl δε μετέβαλλε τον όγκο των διαλυμάτων. θ=5 ο C Διαθέτουμε τα εξής 4 υδατικά διαλύματα Α, Β, Γ και Δ, θερμοκρασίας 5 ο C. Διάλυμα Α: NaClO 0,1 M Διάλυμα Β: ΚΝΟ 3 0,1 Μ Διάλυμα Γ: NaCN 0,1 Μ Διάλυμα Δ: ΝΗ 4 Cl 0,1 M Το μεγαλύτερο ph από όλα έχει το διάλυμα Γ. α) Να χαρακτηρίσετε τα παραπάνω διαλύματα ως όξινα, βασικά ή ουδέτερα. Αιτιολογήστε την απάντησή σας με την αναγραφή των κατάλληλων χημικών εξισώσεων. β) Να ταξινομήσετε τα οξέα ΗClO, HCN και ΗΝΟ 3 κατά σειρά αυξανόμενης ισχύος. γ) Ποιο από τα διαλύματα Α και Γ πρέπει να αραιωθεί με νερό υπό σταθερή θερμοκρασία, ώστε να αποκτήσει το ίδιο ph με το άλλο; 9.1. Το NaF χρησιμοποιείται για την προστασία των δοντιών (το «φλουοράιντ» στις οδοντόκρεμες). Σε μία οδοντόκρεμα όγκου 84 ml, το NaF που περιέχεται έχει περιεκτικότητα 1 g/l. Αν με όλη αυτή την ποσότητα του NaF παρασκευάζαμε υδατικό διάλυμα όγκου 0 ml, ποιο θα ήταν το ph του διαλύματος; Για το HF να θεωρηθεί: pk a = 3. Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. 9.. Να υπολογίσετε το ph στα εξής διαλύματα: α) CH 3 COONa 0, M. β) NH 4 NO 3 0, M. γ) ΝaNO 3 0,1 M. δ) CH 3 COONH 4 0,1 Μ. Κ a (CH 3 COOH) = K b (NH 3 ) = Σε όλες τις περιπτώσεις ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Πόσα mol NaClO πρέπει να διαλυθούν σε νερό, ώστε να προκύψει διάλυμα όγκου 00 ml με ph = 10; Για το ΗClO: Κ a = θ=5 ο C. Κ w = Να θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. Για καλούς λύτες 9.4. To ph ενός διαλύματος NH 4 NO 3 είναι ίσο με 6. Πόσα g στερεού NH 4 NO 3 πρέπει να προσθέσουμε επιπλέον σε 50 ml του διαλύματος αυτού, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να προκύψει διάλυμα με pη = 5,5; Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. K b (NH 3 ) = K w = θ=5 ο C Ποσότητα CH 3 COONa μάζας 0,41 g διαλύεται πλήρως σε νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα όγκου 50 ml. Σε ποιον τελικό όγκο πρέπει να αραιωθεί το διάλυμα, έτσι ώστε το ph να μεταβληθεί κατά 1; K a (CH 3 COOH) = Κ w = θ=5 ο C. Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. 195

208 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Στερεό μείγμα αποτελούμενο από,45 g CH 3 COOK και,05 g CH 3 COONa διαλύεται σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα όγκου 500 ml. Να υπολογιστεί το ph του. K a (CH 3 COOH) = K w = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε ένα διάλυμα HCl με ph = και ένα διάλυμα Ba(OH) με ph = 13, ώστε το τελικό διάλυμα να έχει ph = 1; Για όλα τα διαλύματα, θ=5 ο C. Κ w = Διάλυμα 1 έχει όγκο 00 ml και περιεκτικότητα 0,0365% w/v σε HCl. Διάλυμα έχει όγκο 100 ml και περιεκτικότητα 0,046% w/v σε HCOOH. α) Να υπολογίσετε το ph των παραπάνω διαλυμάτων Δ 1 και Δ. β) Σε όλη την ποσότητα του διαλύματος 1 προστίθεται η απαιτούμενη προς εξουδετέρωση ποσότητα στερεού ΚOH χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Ποιο το ph του νέου διαλύματος; γ) Σε όλη την ποσότητα του προστίθεται η απαιτούμενη προς εξουδετέρωση ποσότητα ΚΟΗ(s), χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Να υπολογίσετε το pη του διαλύματος που προκύπτει. Κ a (HCOOH)=10 4, K w =10 14, θ=5 C. Να θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Δείγμα μάζας 1,03 g άγνωστου μονοπρωτικού οξέος (ΗΑ) διαλύεται σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα (Υ1) όγκου 100 ml. 50 ml από το διάλυμα (Υ1) απαίτησε για την εξουδετέρωση 50 ml διαλύματος NaOH 0,1 Μ και προέκυψε νέο διάλυμα (Υ) όγκου 100 ml. α) Να υπολογιστεί η σχετική μοριακή μάζα του οξέος ΗΑ. β) Αν το διάλυμα της εξουδετέρωσης (Y) έχει ph = 9, να υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς Κ a του ΗΑ. Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. K w = θ=5 ο C Διάλυμα (Δ) της ασθενούς μονοπρωτικής βάσης Β έχει συγκέντρωση 1 Μ και όγκο 1 L. α) Αν η σταθερά ιοντισμού της βάσης Β είναι Κ b = 10 6, να υπολογιστεί η βαθμός ιοντισμού της στο διάλυμα Δ. β) Στο διάλυμα Δ προσθέτουμε 1 mol ΗΝΟ 3, χωρίς να μεταβληθούν ο όγκος και οι συνθήκες του διαλύματος. Να υπολογιστεί το ph του νέου διαλύματος. K w = θ=5 ο C. Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διαθέτουμε 0 ml διαλύματος Δ 1 νιτρώδους οξέος, ΗΝΟ, 0,5 Μ. α) Πόσα ml διαλύματος NaOH 0,15 Μ απαιτούνται για την εξουδετέρωση της παραπάνω ποσότητας του Δ 1 ; β) Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος (Δ ) που θα προκύψει μετά την εξουδετέρωση. Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ a (ΗΝΟ ) = θ=5 ο C Διαθέτουμε δύο διαλύματα, ένα διάλυμα ασθενούς οξέος HA 0,1 Μ και ένα άλλο διάλυμα ΚΟΗ 0,1 Μ. Με την ανάμιξη ορισμένων ποσοτήτων από τα διαλύματα αυτά παρατηρούμε πλήρη εξουδετέρωση. Ποιο είναι το ph του διαλύματος της εξουδετέρωσης; Κ a (ΗΑ) = θ=5 o C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διαλύσαμε σε νερό 1,1 L αέριας ΝΗ 3 (μετρημένα σε STP) και παρασκευάσαμε διάλυμα Δ 1 όγκου 500 ml με ph = 11. α) Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού της ΝΗ 3 στο διάλυμα Δ 1, καθώς και τη σταθερά ιοντισμού της. β) Να υπολογίσετε τον όγκο ενός διαλύματος HCl 0,1 Μ, που απαιτείται για την πλήρη εξουδετέρωση 10 ml του Δ 1. γ) Ποιος όγκος νερού πρέπει να προστεθεί επίσης στο διάλυμα της εξουδετέρωσης, ώστε το τελικό ph να είναι ίσο με 5,5; Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C Υδατικό διάλυμα 1 περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση 0, Μ. Σε 500 ml του διαλύματος 1 προσθέτουμε 0,1 mol στερεού ΚΟΗ και αραιώνουμε με νερό, οπότε προκύπτει διάλυμα όγκου L. Να υπολογίσετε: α) Το ph του διαλύματος 1. β) Το ph του διαλύματος. γ) Πόσα λίτρα νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του διαλύματος, για να μεταβληθεί το ph κατά 1; K a (ΗΑ) = Κ w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Υδατικό διάλυμα 1 που περιέχει NH 3 0, M έχει [ΟΗ ] = 10 3 Μ. Ποσότητα του διαλύματος 1 όγκου 1 L εξουδετερώνεται πλήρως με αέριο HCl, χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος, και προκύπτει διάλυμα. Να υπολογίσετε: α) Το βαθμό ιοντισμού της ΝΗ 3 στο διάλυμα 1, καθώς και τη σταθερά ιοντισμού Κ b αυτής. β) Τον αριθμό mol του HCl που απαιτούνται για την πλήρη εξουδετέρωση της ΝΗ 3. γ) Το ph του διαλύματος. θ=5 ο C. Κ w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Διάλυμα όγκου 600 ml περιέχει 0,3 mol HCOOH (διάλυμα 1 ). Ο βαθμός ιοντισμού του HCOOH στο διάλυμα αυτό είναι ίσος με 0,0. α) Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντισμού Κ a του οξέος HCOOH, καθώς και το ph του διαλύματος Δ 1. β) Στο διάλυμα 1 προστίθενται 750 ml υδατικού διαλύματος ΝaΟΗ 0,4 Μ. Το διάλυμα που προκύπτει, αραιώνεται σε τελικό όγκο 1,5 L (διάλυμα ). Να υπολογίσετε: i. Το ph του διαλύματος και ii. Τον όγκο νερού σε L που πρέπει να προστεθεί στο διάλυμα Δ, ώστε το ph του να μεταβληθεί κατά 0,5. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w =

209 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ Υδατικό διάλυμα Δ 1 περιέχει κάποιο άλας ως διαλυμένη ουσία. Στο διάλυμα αυτό προσδιορίστηκαν πειραματικά οι εξής συγκεντρώσεις: [CH 3 COOH] = 10 5 M και [Na + ] = 0,1 M. α) Ποιος ο τύπος του άλατος; Να γραφούν οι κατάλληλες χημικές εξισώσεις με τις οποίες δικαιολογείται η παρουσία των παραπάνω σωματιδίων στο διάλυμα. β) Ποιο το ph του διαλύματος Δ 1 ; Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του ιόντος CH 3 COO σε αυτό; γ) Ένα άλλο διάλυμα (Δ ) περιέχει άλας ΚΑ του ασθενούς οξέος ΗΑ σε συγκέντρωση 0,1 Μ και εμφανίζει ph = 8,5. Ποιο από τα οξέα CH 3 COOH και ΗΑ είναι το ισχυρότερο; θ=5 ο C. Κ w = Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Ποσότητα CΗ 3 COOH μάζας 3 g διαλύεται σε νερό και προκύπτει διάλυμα (Δ 1 ) όγκου 500 ml με ph = 3. α) Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού του οξέος στο διάλυμα Δ 1, καθώς και τη σταθερά ιοντισμού του. β) Να υπολογίσετε τον όγκο ενός διαλύματος NaOH 0,1 Μ, που απαιτείται για την (πλήρη) εξουδετέρωση 10 ml του διαλύματος Δ 1. γ) Ποιος όγκος Η Ο πρέπει να προστεθεί επιπλέον στο διάλυμα της εξουδετέρωσης, ώστε το τελικό ph να γίνει ίσο με 8,5; Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις.θ=5 ο C. Κ w = Υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ 1 Μ έχει όγκο 100 ml και βαθμό ιοντισμού α = Το διάλυμα αυτό εξουδετερώνεται πλήρως από υδατικό διάλυμα NaOH όγκου 100 ml. α) Ποιο το ph του διαλύματος NaOH; β) Ποιο το ph του διαλύματος που προκύπτει μετά την εξουδετέρωση; Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Για δυνατούς λύτες Διάλυμα (Δ 1 ) του ασθενούς οξέος ΗΑ έχει συγκέντρωση c και ph = x. Διάλυμα (Δ ) περιέχει NH 4 Cl σε συγκέντρωση 10c και έχει ph = x + 0,5. Με τη θεώρηση των κατάλληλων προσεγγίσεων, να αποδείξετε τη σχέση: pk a (HA) + pk b (NH 3 ) = 1. θ = 5 ο C Διάλυμα (Υ1) έχει όγκο 100 ml και περιέχει ΗΑ 0,01 Μ με βαθμό ιοντισμού α = Το διάλυμα ε- ξουδετερώνεται με διάλυμα Ca(OH) όγκου 100 ml και προκύπτει νέο διάλυμα (Υ). α) Ποιο το ph του διαλύματος Ca(OH) ; β) Ποιο το ph του διαλύματος Υ; Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Υδατικό διάλυμα 1 όγκου 4 L περιέχει 0, mol NH 3 και έχει ph = 11. α) Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού της NH 3 στο διάλυμα 1 και τη σταθερά ιοντισμού K b της NH 3. β) Στο διάλυμα 1 προσθέτουμε διάλυμα HCl 0,1 Μ μέχρι να εξουδετερωθεί η NH 3, οπότε προκύπτει διάλυμα. Να υπολογίσετε τον όγκο του διαλύματος του HCl που απαιτήθηκε. γ) Το διάλυμα αραιώνεται με νερό και προκύπτει διάλυμα 3 όγκου 100 L. Να υπολογίσετε το ph του 3. Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Αναμιγνύουμε δύο διαλύματα, ένα όγκου 50 ml που περιέχει CH 3 COOΝa σε συγκέντρωση 10 3 Μ και ένα άλλο όγκου επίσης 50 ml που περιέχει (CH 3 COO) Ca σε συγκέντρωση 10 3 Μ. To διάλυμα που προκύπτει έχει όγκο 500 ml. Να υπολογιστεί το ph του. Για το CH 3 COOH, Κ a = Κ w = Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα (Υ1) CH 3 NH έχει συγκέντρωση 1 Μ και όγκο 100 ml. Το διάλυμα αυτό αραιώνεται με νερό, οπότε προκύπτει νέο διάλυμα (Y) όγκου 0,5 L. α) Ποιο το ph του διαλύματος Υ1; β) Πόσα ml διαλύματος HCl 0, Μ απαιτούνται για την εξουδετέρωση 50 ml από το διάλυμα Υ; γ) Ποιο το ph του διαλύματος της εξουδετέρωσης (Υ3); Κ b (CH 3 NH ) = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Διαλύονται 0,05 mol του οξέος ΗΑ σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα Υ1, όγκου 500 ml με ph = 3. Διαλύονται επίσης 0,05 mol του άλατος ΝaΑ σε νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα Υ, όγκου 500 ml. α) Να δείξετε ότι το οξύ ΗΑ είναι ασθενές και να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού του στο διάλυμα Υ1. β) Ποιο το ph του διαλύματος Υ και ποιος ο βαθμός ιοντισμού του ιόντος Α στο ίδιο διάλυμα; γ) Πόσα ml νερού πρέπει να προστεθούν σε καθένα από τα διαλύματα Υ1 και Υ, ώστε το ph και στις δύο περιπτώσεις να μεταβληθεί κατά 0,5; Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Πόσα ml ΝΗ 3 (g) μετρημένα σε STP πρέπει να διαλυθούν σε ένα διάλυμα CH 3 COOH όγκου 50 ml και συγκέντρωσης 0, Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα όγκου 50 ml με ph = 7; H θερμοκρασία του διαλύματος είναι θ = 5 ο C, όπου Κ w = K a (CH 3 COOH) = K b (NH 3 ) = Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα CH 3 NH, τα 1 και. Το διάλυμα 1 έχει συγκέντρωση 1 Μ και ph = 1. Για το διάλυμα ισχύει η σχέση [ΟΗ ] = 10 8 [Η 3 Ο + ]. 1. α) Να υπολογίσετε την Κ b της CH 3 NH. β) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση της CH 3 NH στο διάλυμα.. Όγκος V 1 του διαλύματος 1 αναμιγνύεται με όγκο V του διαλύματος και προκύπτει διάλυμα 3 με ph = 11,5. α) Να υπολογίσετε την αναλογία όγκων V 1 :V. β) Να υπολογίσετε τις συγκεντρώσεις όλων των ιόντων που υπάρχουν στο διάλυμα

210 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 3. Να υπολογίσετε τα mol αερίου HCl που πρέπει να προστεθούν σε 100 ml του διαλύματος 1 (χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος) ώστε να γίνει πλήρης εξουδετέρωση. Ποια η τιμή του ph για το διάλυμα που θα προκύψει; Δίνεται ότι όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία 5 ο C, όπου Κ w = Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Διαθέτουμε τα εξής υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ : Διάλυμα Δ 1 : ΗΝΟ 3 0,1 Μ, 300 ml. Διάλυμα Δ : ΗΑ Μ, ph = 3, 00 ml. α) Να υπολογίσετε: i. τo ph του διαλύματος Δ 1 και ii. τη σταθερά ιοντισμού K a του ΗΑ και iii. τον όγκο του νερού που πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του Δ, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να τριπλασιαστεί. β) Στα υπόλοιπα 100 ml του Δ προσθέτουμε 0, mol NaOH, χωρίς μεταβολή όγκου (διάλυμα Δ 3 ). Να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις όλων των σωματιδίων που υπάρχουν στο διάλυμα Δ 3 (εκτός του Η Ο). γ) Σε όλη τη διαθέσιμη ποσότητα του Δ 1 προσθέτουμε 0,03 mol ΝaOH και στη συνέχεια το διάλυμα που προκύπτει το αναμιγνύουμε με όλη την ποσότητα του Δ 3. Προκύπτει έτσι διάλυμα Δ 4 όγκου 400 ml. Ποιο το ph του; Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Δίνονται τα διαλύματα Δ 1, Δ και Δ 3. Διάλυμα Δ 1 : NaOH συγκέντρωσης c. Διάλυμα Δ : CH 3 COOH συγκέντρωσης c. Διάλυμα Δ 3 : CH 3 COONa συγκέντρωσης c/. 100 ml του διαλύματος Δ 1 αραιώνονται με νερό και προκύπτει διάλυμα Δ 4 όγκου 00 ml με ph = 13. Επίσης, 100 ml του διαλύματος Δ αραιώνονται με νερό και προκύπτει διάλυμα Δ 5 όγκου 00 ml με ph = 3. Τέλος, 100 ml του Δ 1 αναμιγνύονται με 100 ml του Δ και 00 ml του Δ 3 και προκύπτει διάλυμα Δ 6. α) i. Ποια η τιμή της συγκέντρωσης c; ii. Ποια η τιμή της σταθεράς Κ a του CH 3 COOH; β) Ποιο το ph του διαλύματος Δ 3 ; γ) Ποιο το ph του διαλύματος Δ 6 ; Ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C, K w = Διάλυμα ΝaHSO 4 έχει συγκέντρωση c και ph =. Να υπολογίσετε την τιμή της c. Η σταθερά του δεύτερου ιοντισμού του Η SO 4 έχει τιμή ίση με 10. θ=5 ο C Διάλυμα (Δ) όγκου 100 ml περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση 0,01 Μ και ΗCl σε συγκέντρωση 0,01 Μ. α) Ποια η συγκέντρωση διαλύματος Ba(OH) όγκου 100 ml, το οποίο όταν προστεθεί στο διάλυμα Δ, εξουδετερώνει ακριβώς και τα δύο οξέα; β) Αν το ph του διαλύματος της εξουδετέρωσης είναι ίσο με 8,5, ποια η τιμή της σταθεράς ιοντισμού (K a ) του ασθενούς οξέος ΗΑ; Να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις όλων των ιόντων στο διάλυμα της εξουδετέρωσης. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Έστω ότι έχουμε δύο διαλύματα οξέων. Το πρώτο διάλυμα (Δ 1 ) έχει όγκο 0 ml και συγκέντρωση 3 Μ και το δεύτερο διάλυμα (Δ ) έχει όγκο 40 ml και συγκέντρωση 1,5 Μ. Για την πλήρη εξουδετέρωση των παραπάνω διαλυμάτων απαιτήθηκαν: 15 ml από ένα διάλυμα βάσης ΚΟΗ συγκέντρωσης 4 Μ για το Δ 1 και 30 ml από ένα διάλυμα βάσης Ca(OH) συγκέντρωσης 1 Μ για το Δ. Με βάση τις παραπάνω πληροφορίες, ποιος είναι ο τύπος των οξέων (μονοπρωτικό ή διπρωτικό) στα παραπάνω διαλύματα; [Π.Μ.Δ.Χ.] Χημεία και τέρατα: «Αντιόξινα φάρμακα» Το στομάχι παράγει οξέα που βοηθούν την πέψη των τροφών, π.χ. υδροχλωρικό οξύ σε συγκέντρωση περίπου 0,1 Μ. Κανονικά, το στομάχι προστατεύεται από τη διαβρωτική επίδραση των οξέων αυτών από μία λεία επένδυση. Λόγω, όμως, διαφόρων παραγόντων, π.χ. κακή διατροφή κτλ. μπορεί να αναπτυχθούν διάφορες «τρύπες» γνωστές σαν έλκη στομάχου στην επένδυση αυτή, που επιτρέπουν στα οξέα να προκαλούν επώδυνες καταστροφές στα τοιχώματα του στομάχου. Το έλκος στομάχου αποτελεί μία συνηθισμένη αρρώστια της σύγχρονης εποχής και πολλοί άνθρωποι υποφέρουν από αυτό σε κάποια φάση της ζωής τους. Οφείλεται στην υψηλή έκκριση των οξέων στο στομάχι και προκαλεί «καούρες» και πόνους. Πώς μπορεί να καταπολεμηθεί το πρόβλημα από χημική άποψη; Μπορούμε να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα με δύο απλούς τρόπους: (1) απομακρύνοντας την περίσσεια των οξέων ή () ε- λαττώνοντας την παραγωγή των οξέων. Τα αντιόξινα φάρμακα αποτελούν εφαρμογή της πρώτης στρατηγικής. Είναι απλές βάσεις, που έχουν την ικανότητα να εξουδετερώνουν τα οξέα του στομάχου και περιέχουν συνήθως ανιόντα OH, CO 3 ή HCO 3. Δεν υπάρχει όμως το ιδανικό αντιόξινο φάρμακο. Άλλα προξενούν δυσκοιλιότητα (π.χ. το Al(OH) 3, ενώ άλλα διάρροια (π.χ. το Mg(ΟΗ). Άλλα, τέλος, προξενούν όλο και περισσότερο έκλυση οξέων, όπως π.χ. αυτά που περιέχουν ασβέστιο. Η νεότερη γενιά φαρμάκων για το έλκος (όπως π.χ. το κοινό Zantac) χρησιμοποιεί τη δεύτερη στρατηγική. Εμποδίζουν, δηλαδή, την παραγωγή των γαστρικών οξέων μπλοκάροντας τη δράση των κυττάρων που παράγουν τα οξέα. 198

211 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 9 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-10 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (4x10 = 40 μονάδες). 1. Με προσθήκη νερού δε μεταβάλλεται το ph του υδατικού διαλύματος: Α) CH 3 COOH Β) NaCl Γ) NH 4 Cl Δ) CH 3 COONa [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ]. Υδατικό διάλυμα KCl είναι ουδέτερο γιατί: Α) έχει την ίδια συγκέντρωση ιόντων Η 3 Ο + και ιόντων ΟΗ Β) δεν υπάρχουν ιόντα Η 3 Ο + και ιόντα ΟΗ στο διάλυμα Γ) το χλωριούχο κάλιο είναι άλας και τα υδατικά διαλύματα όλων των αλάτων είναι ουδέτερα ) έχει την ίδια συγκέντρωση ιόντων K + και ιόντων Cl 3. Όξινο είναι το υδατικό διάλυμα της ένωσης: Α) KClΟ Β) NaBr Γ) NaI Δ) RNH 3 Cl [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 4. Σε ποιο από τα παρακάτω υδατικά διαλύματα συγκέντρωσης 0,1 Μ, η τιμή του ph παραμένει σταθερή με την προσθήκη Η Ο ίδιας θερμοκρασίας; Α) CH 3 COOH Β) NaNO 3 Γ) HCOONa Δ) CH 3 NH [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] 5. Υδατικό διάλυμα οξέος ΗΑ 0,01 Μ εμφανίζει ph =. Το διάλυμα αυτό εξουδετερώνεται πλήρως με ποσότητα ΝaOH. To διάλυμα της εξουδετέρωσης έχει (στους 5 ο C): Α) ph = 7 Β) ph > 7 Γ) ph < 7 Δ) άγνωστο, γιατί δε γνωρίζουμε τον όγκο του αρχικού διαλύματος του ΗΑ. 6. Διάλυμα άλατος ΝΗ 4 A παρουσιάζει ph ίσο με 7 στους 5 ο C. Για το οξύ ΗΑ μπορούμε να πούμε ότι: Α) το ΗΑ είναι ισχυρό οξύ Β) το ΗΑ είναι ασθενές οξύ και μάλιστα η σταθερά ιοντισμού του K a είναι ίση με τη σταθερά K a του ιόντος ΝΗ 4 + Γ) το ΗΑ είναι ασθενές οξύ και μάλιστα η σταθερά ιοντισμού του K a είναι ίση με τη σταθερά ιοντισμού Κ b της ΝΗ 3 Δ) Η ΝΗ 3 είναι ισχυρή βάση 7. Ένα υδατικό διάλυμα C ν Η ν+1 CΟΟNH 4 0,1 Μ: A) είναι όξινο B) είναι βασικό Γ) είναι ουδέτερο Δ) δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την οξύτητά του [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 8. Διάλυμα μονοπρωτικής βάσης Β 0,1 Μ έχει ph = 11 σε θ=5 ο C. Από το δεδομένο αυτό καταλαβαίνουμε ότι: Α) η Β είναι ισχυρή βάση Β) διάλυμα του άλατος BHCl έχει ph = 7 Γ) διάλυμα του άλατος BHCl έχει ph < 7 Δ) ο βαθμός ιοντισμού της Β έχει τιμή α = ml νερού προστίθενται υπό σταθερή θερμοκρασία σε 100 ml διαλύματος NaClO 0,1 M. Με την προσθήκη αυτή: A) η [H 3 Ο + ] μειώθηκε B) το ph του διαλύματος μειώθηκε Γ) η συγκέντρωση των ιόντων Νa + έμεινε σταθερή Δ) η τιμή της σταθεράς K b των ιόντων ClO υποδιπλασιάστηκε. 10. Διάλυμα CH 3 COOH όγκου 50 ml χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη των 5 ml. Το πρώτο μέρος απαιτεί για πλήρη εξουδετέρωση λ 1 mol στερεού NaOH (χωρίς μεταβολή όγκου) και το ph του διαλύματος που προκύπτει είναι ίσο με x. Στο δεύτερο μέρος προστίθενται 5 ml νερού και το διάλυμα που προκύπτει απαιτεί για πλήρη εξουδετέρωση λ mol στερεού NaOH (χωρίς μεταβολή όγκου) ενώ το ph του διαλύματος που προκύπτει είναι ίσο με y. Τι από τα παρακάτω ισχύει; Α) λ 1 = λ, x > y Β) λ 1 = λ, x < y Γ) λ 1 < λ, x = y Δ) λ 1 > λ, x = y 11. Κατά τη διάλυση ενός ηλεκτρολύτη στο νερό σχηματίστηκε διάλυμα που περιέχει τα ιόντα: Νa +, OH, H 3 O +, CH 3 COO, καθώς και μόρια CH 3 COOH που δεν έχουν ιοντιστεί. Ποιος ο ηλεκτρολύτης που διαλύθηκε στο νερό; Να γραφούν οι κατάλληλες χημικές εξισώσεις που να δικαιολογούν την ύπαρξη όλων των παραπάνω μορίων και ιόντων. 199

212 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 1. Να γράψετε τους αριθμούς της στήλης Α και δίπλα σε κάθε αριθμό το γράμμα της στήλης Β, ώστε να προκύπτει σωστή αντιστοίχηση. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] (5 μονάδες) ΣΤΗΛΗ Α (ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΣΕ 5 Ο C) ΣΤΗΛΗ B (PH) 1. CH 3 COOH 0,5 M Α. 7,0. CH 3 COOH 0,05 M Β. 3,0 3. CH 3 COONa 0, M Γ.,5 4. CH 3 COONa 1 M Δ. 1,0 5. HCl 0,1 M Ε. 9,4 Στ. 9, Δίνονται οι σταθερές: Κ a (CH 3 COOH) = 10 5, K b (NH 3 ) = 10 5 και Κ w = α) Να προβλέψετε προς ποια κατεύθυνση είναι μετατοπισμένη η ισορροπία: CH 3 COOH(aq) + NH 3 (aq) CH 3 COO (aq) + ΝΗ + 4 (aq) Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Να προβλέψετε αν υδατικό διάλυμα του άλατος CH 3 COONH 4 είναι όξινο, βασικό ή ουδέτερο, γράφοντας τις αντιδράσεις των ιόντων του άλατος με το νερό. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] (7 μονάδες) 14. Σε πέντε φιάλες περιέχονται στους 5 o C τα επόμενα πέντε διαλύματα, όλα συγκέντρωσης 1 Μ. Δ 1 : Διάλυμα CH 3 COOH Δ : Διάλυμα ΗCl Δ 3 : Διάλυμα NH 4 Cl Δ 4 : Διάλυμα CH 3 COONa Δ 5 : Διάλυμα CH 3 COONH 4 Με βάση τα δεδομένα του παρακάτω πίνακα, να προσδιορίσετε ποιο διάλυμα περιέχεται σε κάθε φιάλη και να προσδιορίσετε τις τιμές των σταθερών ιοντισμού Κ a (CH 3 COOH) και K b (ΝΗ 3 ). Κ w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. φιάλες ph 4,5, ,5 (9 μονάδες) 00

213 ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ 15. Τα διαλύματα Δ 1 - Δ 4 που ακολουθούν βρίσκονται όλα στους 5 ο C, έχουν όγκο 1 L και ph = 11. Διάλυμα 1 : ΝΗ 3 (K b = 10 5 ) Διάλυμα : ΝaOH Διάλυμα 3 : CH 3 ΝΗ (K b = 10 4 ) Διάλυμα 4 : Ca(OH) Ποιο από τα διαλύματα αυτά απαιτεί μεγαλύτερο όγκο διαλύματος HCl 1 Μ για την πλήρη εξουδετέρωσή του; Να αιτιολογήσετε πλήρως την απάντησή σας, θεωρώντας όπου απαιτείται και τις κατάλληλες προσεγγίσεις. [Π.Μ.Δ.Χ.] (6 μονάδες) 01

214 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 16. Διαθέτουμε τα υδατικά διαλύματα Δ 1, Δ και Δ 3 : Δ 1 : Διάλυμα Ba(OH) 0,01 Μ. Δ : Διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ 0,0 Μ. Δ 3 : Διάλυμα ΗCl 0,0 M. α) i. Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του διαλύματος Δ 1 ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 1; ii. Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του διαλύματος Δ 3 ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 3; β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του διαλύματος Δ ώστε ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να τριπλασιαστεί; γ) Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε τα διαλύματα Δ 1 και Δ 3, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = ; δ) Αναμιγνύουμε 00 ml από τo διάλυμα Δ 1 με 100 ml από τo διάλυμα Δ και 100 ml από το διάλυμα Δ 3. Το διάλυμα που προκύπτει έχει ph = 9. Nα υπολογιστεί η σταθερά K a του οξέος ΗΑ. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C, όπου K w = (5 μονάδες) 0

215 10 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Τι είναι η επίδραση κοινού ιόντος (E.K.I.); Στην ενότητα αυτή θα μελετήσουμε περιπτώσεις κατά τις οποίες σε διάλυμα ασθενούς οξέος ή ασθενούς βάσης προσθέτουμε ουσίες που με τον ιοντισμό ή τη διάστασή τους παρέχουν στο διάλυμα ιόντα κοινά με αυτά του ασθενούς ηλεκτρολύτη. Περίπτωση 1: Τι συμβαίνει όταν π.χ. ποσότητα CH 3 COONa(s) προστεθεί σε ένα διάλυμα CH 3 COOH, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος; Η προσθήκη νέων CH3COO μετατοπίζει την ισορροπία ιοντισμού του CH3COOH προς τα αριστερά. CH 3 COONa CH 3 COO + Na + CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Le Châtelier Με τη θεώρηση ότι τα ιόντα CH 3 COO υδρολύονται σε αμελητέο βαθμό, η ισορροπία ιοντισμού του CH 3 COOH και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, μετατοπίζεται προς τα αριστερά. Αποτελέσματα; Περιορισμός του ιοντισμού του οξέος. Μείωση της [Η 3 Ο + ] επομένως αύξηση του ph (αύξηση της [OΗ ]). Αύξηση της [CH 3 COO ]. Διατήρηση της τιμής της σταθεράς K a, αν η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Ο ιοντισμός ενός ασθενούς ηλεκτρολύτη (ασθενούς ο- ξέος ή ασθενούς βάσης) περιορίζεται προσθέτοντας στο διάλυμα έναν άλλο η- λεκτρολύτη, που διαθέτει κοινό ιόν με τον ασθενή. Το παραπάνω φαινόμενο λέγεται επίδραση κοινού ιόντος. Γενικά: Επίδραση κοινού ιόντος έχουμε όταν σε διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη προσθέσουμε άλλο ηλεκτρολύτη (συνήθως ισχυρό) που να έχει κοινό ιόν με τον ασθενή ηλεκτρολύτη. Στην περίπτωση αυτή, η ισορροπία ιοντισμού μετατοπίζεται προς τα αριστερά, σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier και ο ιοντισμός του ασθενούς ηλεκτρολύτη περιορίζεται. Παρατηρήσεις 1) Η συγκέντρωση ισορροπίας του ιόντος [CH 3 COO ] είναι μία και μόνη στο παραπάνω διάλυμα και (με τη θεώρηση της αμελητέας υδρόλυσης των ιόντων CH 3 COO ) προκύπτει ως άθροισμα των συγκεντρώσεων των ιόντων CH 3 COO από τη διάσταση του CH 3 COONa και τον ιοντισμό του CH 3 COOH. Μάλιστα, στην έκφραση της σταθεράς K a του CH 3 COOH αντικαθίσταται η συνολική συγκέντρωση των ιόντων CH 3 COO. Έτσι, π.χ. σε ένα διάλυμα που περιέχει CH 3 COOH σε συγκέντρωση c 1 και CH 3 COONa σε συγκέντρωση c, θα ισχύουν: 03

216 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 mol/l CH 3 COONa CH 3 COO + Na + c c c Le Châtelier mol/l CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Ισορροπία c 1 x c + x x Τελικά, στο παραπάνω διάλυμα θα έχουμε: [CH 3 COΟΗ] = c 1 x, [CH 3 COΟ ] = c + x Στην έκφραση της σταθεράς ιοντισμού του CH 3 COΟΗ αντικαθιστούμε ως εξής: K a [CHCOO 3 ][HO 3 ] (c x)[ho 3 ] [CH COOH] c x 3 1 Θεωρούμε τις προσεγγίσεις: [CH 3 COΟΗ] = c 1 x c 1 και [CH 3 COΟ ] = c + x c, οπότε η έκφραση της K a γίνεται ως εξής: K c [H O ] 3 a c1 ) Στην περίπτωση που έχουμε επίδραση κοινού ιόντος με τη διάλυση άλατος σε διάλυμα του ασθενούς ηλεκτρολύτη, θα θεωρούμε αμελητέα την υδρόλυση του κοινού ιόντος η οποία δεν θα αναγράφεται, ούτε θα συμμετέχει σε υπολογισμούς. Βασική παρατήρηση!. Άλλες περιπτώσεις επίδρασης κοινού ιόντος (E.K.I.) Είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο τον περιορισμό του ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος με τη διάλυση ποσότητα ενός άλατός του. Π.χ. κατά την προσθήκη CH 3 COONa σε διάλυμα CH 3 COOH το κοινό ιόν είναι το CH 3 COΟ. Περίπτωση : Περιορισμός του ιοντισμού του ασθενούς οξέος επέρχεται και με την διάλυση ενός ισχυρού οξέος, π.χ. του HCl(g): mol/l HCl + H O Cl + H 3 O + c c c Le Châtelier mol/l CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Ισορροπία c 1 x x c + x Αποτελέσματα: Μείωση του βαθμού του ιοντισμού του οξέος. Αύξηση της [Η 3 Ο + ] και επομένως μείωση του ph. Μείωση της [CH 3 COO ]. Διατήρηση της τιμής της σταθεράς K a, αν η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Η ερώτηση της ημέρας: Γιατί δεν έχουμε Ε.Κ.Ι. όταν σε διάλυμα HCl προσθέσουμε διάλυμα NaCl; Θεωρούμε τις προσεγγίσεις: [CH 3 COΟΗ] = c 1 x c 1, [Η 3 Ο + ] = c + x c. 04 K a [CH3COO ] [H3O ] xc [CH COOH] c 3 1

217 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) Ανάλογες περιπτώσεις επίδρασης κοινού ιόντος έχουμε και στην περίπτωση διαλυμάτων ασθενούς βάσης, π.χ. ΝΗ 3. Στην περίπτωση αυτή το φαινόμενο της επίδρασης κοινού ιόντος επιτυγχάνεται είτε με την προσθήκη ισχυρής βάσης, π.χ. NaOH είτε με την επίδραση ενός αμμωνιακού άλατος, π.χ. NH 4 Cl. Περίπτωση 3: Προσθήκη NaOH(s) σε υδατικό διάλυμα NH 3 : mol/l NaOH Na + + OH c c c Le Châtelier mol/l NH 3 + H O NH OH Ισορροπία c 1 x x c + x [ΝH 3 ] = c 1 x, [ΝΗ 4 + ] = x, [ΟΗ ] = c + x Με την προσθήκη του NaOH, η [ΟΗ ] αυξάνεται, η ισορροπία ιοντισμού της αμμωνίας μετατοπίζεται προς τα αριστερά και άρα ο βαθμός ιοντισμού της μειώνεται. Όπως και προηγούμενα, ο περιορισμός της έκτασης του ιοντισμού της ΝΗ3 ερμηνεύεται με την επίδραση κοινού ιόντος με βάση την αρχή Le Châtelier. Και στην περίπτωση αυτή θα θεωρούμε αμελητέα την υδρόλυση των ιόντων ΝΗ4 +. Περίπτωση 4: Με την προσθήκη ΝΗ 4 Cl(s) σε διάλυμα ΝH 3, έχουμε τα εξής: mol/l NH 4 Cl + NH 4 + Cl c c c Le Châtelier mol/l NH 3 + H O NH OH Ισορροπία c 1 x c + x x Και στην περίπτωση αυτή η προσθήκη ουσίας με κοινό ιόν έχει ως αποτέλεσμα τον περιορισμό του ιοντισμού της ΝH 3, τη μείωση της συγκέντρωσης των ΟΗ και επομένως τη μείωση του ph. Πάντως, η σταθερά ιοντισμού, K b, της NH 3 παραμένει αμετάβλητη, αν δεν αλλάξει η θερμοκρασία. Ας δούμε τώρα δύο άλλες συμπληρωματικές περιπτώσεις επίδρασης κοινού ιόντος. Σε ένα διάλυμα άλατος ασθενούς οξέος, π.χ. CH 3 COONa προσθέτουμε μία ισχυρή βάση, π.χ. ΝaΟΗ. Αρχικά έχουμε τις δύο διαστάσεις, του άλατος και της βάσης. Μέχρι εδώ δεν έχουμε επίδραση κοινού ιόντος, καθώς οι διαστάσεις είναι πλήρεις (δεν έχουμε δηλαδή ισορροπία). Παράλληλα, όμως, το ανιόν του οξέος υδρολύεται λειτουργώντας ως ασθενής βάση, οπότε σχηματίζεται το ΟΗ ως κοινό ιόν: Ανάλογη είναι και η περίπτωση προσθήκης ισχυρού ο- ξέος σε διάλυμα άλατος ασθενούς βάσης, π.χ. ΝΗ4Cl. mol/l CH 3 COONa CH 3 COO + Na + c 1 c 1 c 1 mol/l NaOH Na + + OH c c c mol/l CH 3 COO + H O CH 3 COOH + OH Ισορροπία c 1 x x c + x [CH 3 COΟ ] = c 1 x c 1, [CH 3 COΟΗ] = x, [ΟΗ ] = c + x c 05

218 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Περίπτωση δύο ασθενών οξέων. Έστω ότι έχουμε διάλυμα δύο ασθενών οξέων ΗΑ και ΗΒ. Έχουμε τις ισορροπίες: ΗΑ + H O Α + H 3 O + c 1 x x x HΒ + H O Β + H 3 O + c y y y Ανάλογη είναι και η περίπτωση διαλύματος με δύο α- σθενείς βάσεις. Στην ισορροπία θα ισχύουν: [HA] = c 1 x, [HB] = c y, [A ] = x, [B ] = y, [Η 3 Ο + ] = y + x Προσοχή: Όταν αντικαθιστούμε στις εκφράσεις των δύο σταθερών ιοντισμού, η συγκέντρωση των Η 3 Ο + θα είναι κοινή και στις δύο σταθερές και ίση με (y + x). ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΗ ΛΥΣΗ ΑΣΚΗΣΕΩΝ Το βασικό στις ασκήσεις με επίδραση κοινού ιόντος είναι να καταλάβουμε ότι έχουμε επίδραση κοινού ιόντος (Ε.Κ.Ι.), καθώς αυτό συνεπάγεται μία συγκεκριμένη μεθοδολογία επίλυσης των ασκήσεων. Είδαμε παραπάνω τις εξής βασικές περιπτώσεις Ε.Κ.Ι.: Ασθενές οξύ και το άλας του, π.χ. CH 3 COOH - CH 3 COONa. Ασθενές οξύ και ισχυρό οξύ, π.χ. CH 3 COOH - ΗCl. Ασθενής βάση και το άλας της, π.χ. ΝH 3 - ΝH 4 Cl. Ασθενής βάση και ισχυρή βάση, π.χ. ΝH 3 - ΝaOH. Επιπρόσθετα, έχουμε και τις εξής περιπτώσεις Ε.Κ.Ι.: Άλας ασθενούς βάσης και ισχυρό οξύ, π.χ. ΝΗ 4 Cl - ΗCl (κοινό ιόν Η 3 Ο + ). Άλας ασθενούς οξέος και ισχυρή βάση, π.χ. CH 3 COONa - NaOH (κοινό ιόν OH ). Δύο ασθενή οξέα (κοινό ιόν Η 3 Ο + ). Δύο ασθενείς βάσεις (κοινό ιόν OH ). Περίπτωση 1: Να έχουμε ήδη έτοιμο το διάλυμα με την Ε.Κ.Ι. Στις περιπτώσεις γράφουμε τις εξισώσεις διάστασης και ιοντισμού, συμπληρώνουμε τους πίνακες συγκεντρώσεων και αντικαθιστούμε στις σχετικές σταθερές ιοντισμού. Περίπτωση : Η Ε.Κ.Ι. προκύπτει με ανάμιξη κατάλληλων διαλυμάτων. Στις περιπτώσεις αυτές, πρώτα υπολογίζουμε τις τελικές συγκεντρώσεις, ώστε να φτάσουμε στο διάλυμα που περιέχει τις ουσίες που δίνουν Ε.Κ.Ι. Ας δούμε την εφαρμογή που ακολουθεί. Εφαρμογή 1 Αναμιγνύουμε διάλυμα (Δ 1 ) ΗCOOH 0, M όγκου 00 ml με διάλυμα (Δ 1 ) HCl 0, Μ όγκου επίσης 00 ml. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος (Δ) που προκύπτει., καθώς και η [ΗCOO ] στο διάλυμα αυτό. Για το HCOOH, Κ a = Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. 06

219 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) Μετά την ανάμιξη τα δύο συστατικά δίνουν Ε.Κ.Ι. αλλά αλλάζουν οι συγκεντρώσεις τους. Υπολογίζουμε, λοιπόν, τις νέες συγκεντρώσεις των συστατικών: Για το HCOOH: 0, 0, = c 1 0,4, c 1 = 0,1 M Για το HCl: 0, 0, = c 0,4, c = 0,1 M mol/l HCl + H O Cl + H 3 O + 0,1 0,1 0,1 mol/l HCOOH + H O HCOO + H 3 O + Ισορροπία 0,1 x x 0,1 + x Τελικά, στην ισορροπία έχουμε τις εξής συγκεντρώσεις: [HCOΟΗ] = 0,1 x 0,1, [HCOΟ ] = x, [Η 3 Ο + ] = 0,1 + x 0,1 Μ Για το ph του διαλύματος: ph = log[h 3 O + ] = log0,1 = 1 Αντικαθιστούμε στην έκφραση της σταθεράς Κ a του ΗCOOH: [HCOO ] [H O ] x0,1 [HCOOH] 0, K a, 10, x [HCOO ] 10 M Περίπτωση 3: Η επίδραση κοινού ιόντος να δημιουργείται μετά από μία μερική αντίδραση εξουδετέρωσης, ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση ή το αντίστροφο. Στην περίπτωση αυτή πρώτα εκτελούμε τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς στην αντίδραση της εξουδετέρωσης και στη συνέχεια εφαρμόζουμε την Ε.Κ.Ι. στο διάλυμα που προκύπτει. Εφαρμογή Αναμιγνύουμε διάλυμα (Δ 1 ) ΝΗ 3 0,4 M όγκου 100 ml με διάλυμα (Δ 1 ) HCl 0, Μ όγκου επίσης 100 ml. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος (Δ) που προκύπτει. Για την ΝH 3, Κ b = Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C, όπου Κ w = n(νη 3 ) = 0,4 0,1 = 0,04 mol, n(hcl) = 0, 0,1 = 0,0 mol mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0,04 0,0 Μεταβολές 0,0 0,0 0,0 Τελικά 0,0 0,0 07

220 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Τελικά απομένει NH 4 Cl σε συγκέντρωση: 0,0/0, = 0,1 Μ καθώς και ΝΗ 3 σε συγκέντρωση: 0,0/0, = 0,1 Μ, δηλαδή μία ασθενής βάση και το άλας της. Εφαρμόζουμε την επίδραση κοινού ιόντος: mol/l NH 4 Cl + NH 4 + Cl 0,1 0,1 0,1 mol/l NH 3 + H O NH OH Ισορροπία 0,1 x 0,1 + x x Τελικά, στην ισορροπία έχουμε τις εξής συγκεντρώσεις: [ΝΗ 3 ] = 0,1 x 0,1, [ΝΗ 4 + ] = 0,1 + x 0,1 Μ Αντικαθιστούμε στην έκφραση της σταθεράς Κ b της ΝΗ 3 : K b [OH ] [NH [NH ] 3 4 ], 10 5 x 0,1, x [OH ] 10 0,1 5 M, poh 5, ph 9 Στην περίπτωση που έχουμε ένα ισχυρό και ένα ασθενές οξύ και δεν αρκεί η ποσότητα της ισχυρής βάσης για την εξουδετέρωση και των δύο οξέων, πρώτα εκτελούμε τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς με το ισχυρό οξύ και στη συνέχεια τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς με το ασθενές οξύ και την υπόλοιπη ποσότητα της ισχυρής βάσης (βλ. λυμένο παράδειγμα 8). Επίσης, αν έχουμε δύο ασθενή οξέα και δεν αρκεί η ποσότητα της ισχυρής βάσης για την εξουδετέρωση και των δύο, τότε ένα μέρος της βάσης εξουδετερώνει ένα μέρος του ενός οξέος και η υπόλοιπη ποσότητα της βάσης εξουδετερώνει μέρος του άλλου οξέος (βλ. άσκηση 10.50). ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ, ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Διαθέτουμε αραιό διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε ένα από τα ακόλουθα σώματα ή διαλύματα Ι - V: I. Ποσότητα HCl(g), χωρίς μεταβολή όγκου. II. Ποσότητα άλατος NaA(s), χωρίς μεταβολή όγκου. III. Ποσότητα NaCl(s), χωρίς μεταβολή όγκου. IV. Ποσότητα διαλύματος ΚΝΟ 3. V. Επιπλέον ποσότητα του ΗA, χωρίς μεταβολή όγκου. 08

221 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) Να εξηγήσετε πως θα μεταβληθούν με κάθε μία από τις προσθήκες αυτές, η σταθερά ιοντισμού K a, ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ, το ph του διαλύματος και η συγκέντρωση των ιόντων Α. θ=σταθ. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Καταρχήν σε όλες τις περιπτώσεις η σταθερά ιοντισμού του ΗΑ δεν μεταβάλλεται, καθόσον θεωρούμε ότι εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Ι. Με την προσθήκη του αέριου HCl έχουμε Ε.Κ.Ι.: Η ισορροπία ιοντισμού του ΗΑ οδεύει προς τα αριστερά με αποτέλεσμα ο ιοντισμός του ΗΑ να περιορίζεται. HCl + H O Cl + H 3 O + HΑ + H O Α + H 3 O + Le Châtelier Λόγω Ε.Κ.Ι. έχουμε μείωση του βαθμού ιοντισμού α του ΗΑ και μείωση της [Α ]. Η [Η 3 Ο + ] λόγω ιοντισμού του HCl αυξάνεται και άρα το ph μειώνεται. Με την προσθήκη του στερεού NaA έχουμε πάλι επίδραση κοινού ιόντος (Α ), λόγω της οποίας η ισορροπία ιοντισμού του ΗΑ οδεύει προς τα αριστερά. Η υδρόλυση των ιόντων Α θεωρείται αμελη- ΙΙ. Προσθήκη ΝaA(s): ΝaA A + Na + HΑ + H O Α + H 3 O + Le Châtelier Με τη μετατόπιση της ισορροπίας προς τα αριστερά, ο βαθμός ιοντισμού μειώνεται, όπως και η [Η 3 Ο + ], με αποτέλεσμα το διάλυμα να γίνεται λιγότερο όξινο και το ph να αυξάνεται. Η [Α ] αυξάνεται λόγω της προσθήκης νέων Α από τη διάσταση του άλατος. ΙΙΙ. Δεν υπάρχει Ε.Κ.Ι. και εφόσον ο όγκος του διαλύματος είναι σταθερός, καμία από τις εξεταζόμενες παραμέτρους δε μεταβάλλεται. Νόμος αραίωσης του Ostwald ΙV. Δεν υπάρχει Ε.Κ.Ι., αλλάζει όμως ο όγκος του διαλύματος (αραίωση). Έτσι, ο βαθμός ιοντισμού και το ph αυξάνεται (τείνει προς το ουδέτερο), ενώ η [Α ] μειώνεται (γιατί;). V. Πάλι δεν έχουμε Ε.Κ.Ι. αλλά με την αύξηση της συγκέντρωσης του ΗΑ ο βαθμός ιοντισμού μειώνεται, το ph μειώνεται και η [Α ] αυξάνεται (γιατί;). Συνοπτικά οι μεταβολές παρουσιάζονται στον πίνακα που ακολουθεί: α Κ a (HA) ph [Α ] Ι. ΙΙ. ΙΙΙ. ΙV. V. 09

222 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1. Διαθέτουμε 400 ml διαλύματος (Δ 1 ) CH 3 COOH 0,05 Μ. α) Ποιο το ph του διαλύματος (Δ 1 ) και ποιος ο βαθμός ιοντισμού του CH 3 COOH; β) Προσθέτουμε 0,04 mol CH 3 COONa(s), χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Ποιο το ph του διαλύματος (Δ ) που προκύπτει και ποιος ο βαθμός ιοντισμού του CH 3 COOH στο διάλυμα αυτό; K a (CH 3 COOH) = Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. Η θερμοκρασία των διαλυμάτων είναι θ=5 ο C. ΛΥΣΗ α) Διάλυμα Δ 1 : mol/l CH 3 COOH + H O H 3 O + + CH 3 COO 0,05 x x x [H O ] [CH COO ] x K a, x = 10 3 M, ph = 3. [CH3COOH] 0,05 3 x 10 α 0,0 c 0,05 β) Στο τελικό διάλυμα περιέχονται και CH 3 COOH σε συγκέντρωση 0,05 Μ και CH 3 COONa σε συγκέντρωση: n 0,04 c = = = 0,1M V 0,4 mol/l CH 3 COONa CH 3 COO + Na + 0,1 0,1 0,1 mol/l CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Ισορροπία 0,05 y 0,1 + y y Κατά την Ε.Κ.Ι. δεν λαμβάνουμε υπ όψη μας την αντίδραση των ιόντων CH3COO με το νερό (υδρόλυση)! Θα θεωρήσουμε τις εξής προσεγγίσεις: [CH 3 COOH] = 0,05 y 0,05 M, [CH 3 COO ] = 0,1 + y 0,1 M [HO ][CHCOO ] [HO ] 0,1 K a, [H 3 O + ] = y = 10 5 M [CH3COOH] 0,05 ph = 5 5 y 10 α 10 c 0, Αναμιγνύουμε δύο υδατικά διαλύματα, ένα διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ 0, Μ ό- γκου 50 ml και ένα διάλυμα ΗCl 0, M όγκου 50 ml. Να υπολογιστεί ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ, καθώς και το ph στο τελικό διάλυμα. Να θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. K a (ΗΑ) = θ=5 ο C. ΛΥΣΗ 10

223 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) Εφαρμόζουμε τις σχέσεις της αραίωσης για να υπολογίσουμε τις συγκεντρώσεις στο τελικό διάλυμα: Για το HA: c 1 V 1 = c 1 (V 1 + V ), 0, 0,05 = c 1 0,1, c 1 = 0,1 M Για το HCl: c V = c (V 1 + V ), 0, 0,05 = c 0,1, c = 0,1 M Όταν οι διαλυμένες ουσίες στα δύο διαλύματα είναι διαφορετικές, εφαρμόζουμε δύο φορές τη σχέση αραίωσης των διαλυμάτων. Όχι τη σχέση α- νάμιξης! Με την ανάμιξη των διαλυμάτων έχουμε την Ε.Κ.Ι., που περιγράφεται με τις παρακάτω εξισώσεις: mol/l HCl + H O Cl + H 3 O + 0,1 0,1 0,1 mol/l HA + H O A + H 3 O + Ισορροπία 0,1 y y 0,1 + y Στην ισορροπία οι συγκεντρώσεις των σωματιδίων που υπάρχουν στο διάλυμα είναι: [HA] = 0,1 y 0,1 Μ (επειδή o ιοντισμός του ΗΑ είναι μικρός και, παράλληλα, έχει περιοριστεί σημαντικά, λόγω της Ε.Κ.Ι.), [H 3 O + ] = 0,1 + y 0,1 M, [A ] = y. K [H3O ] [A ] 5 0,1 y 5 a 10, y 10 [HA] 0,1 Άρα, ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ είναι: α y c , Η συγκέντρωση των [Η 3 Ο + ] στο τελικό διάλυμα είναι: [H 3 O + ] = 0,1 Μ. Επομένως: ph = log 0,1 = 1. Οι αμίνες, RNH, λειτουργούν στα υδατικά τους διαλύματα ως ασθενείς βάσεις. 4. Διάλυμα όγκου 500 ml περιέχει μεθυλαμίνη (CH 3 NH ) 0,1 Μ. α) Ποιο το ph του διαλύματος αυτού; β) Ποιο θα είναι το ph του διαλύματος που θα προκύψει μετά την προσθήκη 0,05 mol HCl(g); γ) Ποιο θα ήταν το ph του διαλύματος που θα προέκυπτε αν αντί για 0,05 mol HCl(g) προσθέταμε 0,1 mol HCl; Με την προσθήκη του HCl(g) η μεταβολή όγκου του διαλύματος είναι αμελητέα. Για τη CH 3 NH να θεωρηθεί ότι K b = θ=5 ο C. Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. 11

224 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΛΥΣΗ α) Για το αρχικό διάλυμα έχουμε: mol/l CH 3 ΝΗ + H O CH 3 ΝΗ OΗ Ισορροπία 0,1 x x x Από την έκφραση της σταθεράς ιοντισμού για την CH 3 NH και θεωρώντας την προσέγγιση: 0,1 x 0,1 M, έχουμε: [OH ] Kb c, 10 4 [OH ] 0,1 Επομένως: poh =,5, ph = 11,5.,[OH ] 10,5 M β) Τα 500 ml του διαλύματος CH 3 NH περιέχουν: n = 0,5 0,1 = 0,05 mol, οπότε από την αντίδραση εξουδετέρωσης, έχουμε: mol CH 3 NH + HCl CH 3 NH 3 Cl Αρχικά 0,05 0,05 Μεταβολές 0,05 0,05 0,05 Τελικά 0,05 Επομένως, στο διάλυμα εμφανίζεται τελικά μόνο το άλας CH 3 NH 3 Cl, σε συγκέντρωση: 0,05 c 0,1M 0,5 mol/l CH 3 NH 3 Cl CH 3 NH Cl 0,1 M 0,1 M 0,1 M mol/l CH 3 ΝΗ H O CH 3 ΝΗ + Η 3 Ο + Ισορροπία 0,1 y y y H σταθερά ιοντισμού Κ a του ιόντος CH 3 NH 3 + είναι: Ka Επομένως θεωρώντας τη γνωστή προσέγγιση, έχουμε: y, y [H3O ] 10 0,1 5,5 M, ph 5,5 γ) Με την προσθήκη 0,1 mol HCl έχουμε περίσσεια οξέος: mol CH 3 NH + HCl CH 3 NH 3 Cl Αρχικά 0,05 0,1 Μεταβολές 0,05 0,05 0,05 Τελικά 0,05 0,05 1

225 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) Προσοχή! Στην περίπτωση που έχουμε ισχυρό και ασθενές οξύ και ισχύει η προσέγγιση, δε χρειάζεται να αντικαταστήσουμε για τον υπολογισμό του ph στη σταθερά ιοντισμού του ασθενούς οξέος. Επομένως, στο διάλυμα εμφανίζονται τελικά 0,05 mol CH 3 NH 3 Cl (c = 0,1 M), καθώς επίσης και 0,05 mol HCl (c = 0,1 M). mol/l HCl + H O Cl + H 3 O + 0,1 0,1 0,1 mol/l CH 3 ΝΗ H O CH 3 ΝΗ + Η 3 Ο + Ισορροπία 0,1 ω ω 0,1 + ω Στην ισορροπία ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 0,1 + ω. Επειδή το CH 3 NH 3 + είναι πολύ ασθενές οξύ, τα ιόντα CH 3 NH 3 + που ιοντίζονται είναι αμελητέα (η επίδραση κοινού ιόντος τα κάνει ακόμα λιγότερα) θα ισχύει: [Η 3 Ο + ] = 0,1 + ω 0,1 Μ. Επομένως: ph = log[η 3 Ο + ] = log 0,1 = 1 5. Διαθέτουμε τα υδατικά διαλύματα Α, Β και Γ. Το διάλυμα Α περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ 0,1 Μ, το διάλυμα Β το ασθενές οξύ ΗΒ 0,1 Μ, ενώ το διάλυμα Γ περιέχει και τα δύο ασθενή οξέα ΗΑ και ΗΒ σε συγκεντρώσεις 0,1 Μ το καθένα. α) Ποιοι οι βαθμοί ιοντισμού των ΗΑ και ΗΒ στα διαλύματα Α και Β; β) Στο διάλυμα Γ να υπολογιστούν: i. το pη και ii. οι βαθμοί ιοντισμού των δύο οξέων. Δίνονται: Κ a (ΗΑ) = και Κ a (ΗΒ) = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ α) Με εφαρμογή του νόμου του Οstwald στην απλή του μορφή, έχουμε: K a (ΗΑ) = α 1 0,1, α 1 = K a (ΗΒ) = α 0,1, α = 910 0, ,1 6, α 1 = 3 10,5, α = 10,5 = 3, β) Στο διάλυμα Γ έχουμε επίδραση κοινού ιόντος (Ε.Κ.Ι): mol/l HΑ + H O H 3 O + + Α 0,1 x +x +x mol/l HΒ + H O H 3 O + + Β 0,1 y +y +y Ιοντική ισορροπία: [HA] = 0,1 x, [A ] = x, [H 3 O + ] = x + y, [HB] = 0,1 y, [B ] = y Θεωρώντας τις προσεγγίσεις: 0,1 x 0,1 M και 0,1 y 0,1 M, έχουμε: [H O ] [A ] x(x y) K(HA) a, 910 [HA] 0,1 3 6 (1) 13

226 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 [H3O ] [B ] Ka(HB), 10 [HB] 6 y(x y) 0,1 () Από τις εξισώσεις (1) και () με πρόσθεση κατά μέλη προκύπτει: (x + y) = 10 6, x + y = 10 3, ph = 3 x = Μ, y = 10 4 Μ Για τους βαθμούς ιοντισμού των δύο οξέων, έχουμε: x α ΗΑ = = y α ΗΒ = = ,1 0, 1 6. Διαθέτουμε διάλυμα ΝΗ 3 0,05 Μ όγκου 100 ml με ph = 11 (διάλυμα Δ 1 ). α) Να υπολογιστεί η σταθερά ιοντισμού K b της ΝΗ 3, καθώς και ο βαθμός ιοντισμού της (α) στο διάλυμα Δ 1. β) Ποιον όγκο διαλύματος ΝΗ 4 Cl 0,05 Μ (διάλυμα Δ ) θα πρέπει να προσθέσουμε σε όλη την ποσότητα του Δ 1, ώστε να προκύψει διάλυμα (Δ 3 ) με ph = 9; γ) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού (α ) της ΝΗ 3 στο διάλυμα Δ 3 ; Κ w = θ=5 ο C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. Παρατηρούμε ότι με την επίδραση κοινού ιόντος επέρχεται μείωση του βαθμού ιοντισμού και των ασθενών ο- ξέων και ιδιαίτερα του ασθενέστερου οξέος ΗΒ. ΛΥΣΗ α) Για το διάλυμα Δ 1 έχουμε: mol/l ΝΗ 3 + H O ΝH ΟΗ Ιοντική ισορροπία 0,05 x x x ph = 11, poh = = 3, [OH ] = x =10 3 M Θεωρώντας την προσέγγιση: 0,05 x 0,05 Μ, έχουμε: 6 x 10 Kb 10 0,05 0, α 0,0 0,05 5 β) Έστω V(L) ο όγκος του διαλύματος NH 4 Cl 0,05 M. Καθώς η ΝΗ 3 και το NH 4 Cl δεν αντιδρούν μεταξύ τους εκφράζουμε τις συγκεντρώσεις τους στο τελικό διάλυμα με βάση τον τύπο της αραίωσης διαλυμάτων: 14

227 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) ΝΗ 3 : 0,05 0,1 = c 1 (0,1 + V) (1) NH 4 Cl: 0,05 V = c (0,1 + V) () Θα έχουμε λοιπόν Ε.Κ.Ι. που εκφράζεται από τις εξισώσεις: mol/l NH 4 Cl + NH 4 + Cl c c c mol/l NH 3 + H O NH OH Ισορροπία c 1 y c + y y Όταν τα διαλύματα που αναμιγνύουμε περιέχουν διαφορετικές διαλυμένες ουσίες, οι τελικές συγκεντρώσεις στο τελικό διάλυμα υπολογίζονται με βάση τον τύπο της αραίωσης: c1 V1 = c V, ξεχωριστά για τις δύο διαλυμένες ουσίες. Τελικά, στην ισορροπία έχουμε τις εξής συγκεντρώσεις: [ΝΗ 3 ] = c 1 y c 1, [ΝΗ + 4 ] = c + y c, [ΟΗ ] = y Καθώς για το διάλυμα Δ 3 ισχύει ph = 9, θα έχουμε: poh = 14 9 = 5, [ΟΗ ] = 10 5 Μ K b 10 5 c [OH ] c c 1 10 c 1 5, c c Διαιρώντας τις (1) και () κατά μέλη και με τη χρήση της (3) προκύπτει: 1 (3) V = 0, L = 00 ml γ) Από τη σχέση (1) έχουμε: Προσοχή: Όταν έχουμε Ε.Κ.Ι. δεν μπορούμε να εφαρμόσουμε τον νόμο αραίωσης του Ostwald. c 1 α' 0,050,1 0,05 Μ. 0,3 3 y c , ,04 mol NH 4 Cl και 0,1 mol CH 3 NH 3 Cl διαλύονται μαζί σε νερό σχηματίζοντας διάλυμα όγκου 500 ml. Ποιο το ph του διαλύματος; Δίνονται οι σταθερές ιοντισμού της ΝΗ 3 και της CH 3 NH, αντίστοιχα ίσες με 10 5 και Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = ΛΥΣΗ Υπολογίζουμε, αρχικά, τις συγκεντρώσεις των δύο αλάτων: c 1 n V 0,04 0,08 M 0,5 c 0,1 0, M 0,5 + mol/l NH 4 Cl NH 4 + Cl 0,08 Μ 0,08 Μ 0,08 Μ + mol/l CH 3 NH 3 Cl CH 3 NH 3 + Cl 0, Μ 0, Μ 0, Μ 15

228 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 mol/l + NH 4 + H O ΝH 3 + Η 3 Ο + 0,08 x x x mol/l + CH 3 NH 3 + H O CH 3 NH + Η 3 Ο + 0, y y y Στην ισορροπία, επομένως, θα έχουμε τις εξής συγκεντρώσεις: [NH + 4 ] = 0,08 x 0,08 M, [ΝH 3 ] = x, [CH 3 NH + 3 ] = 0, y 0, M, [CH 3 NH ] = y, [Η 3 Ο + ] = x + y K a (ΝΗ 4 + ) = = 10 9, K 5 a (CH 3 NH + 3 ) = 4 10 = Έχουμε, λοιπόν, «αμοιβαία» επίδραση κοινού ιόντος (Ε.Κ.Ι.). Από τις σταθερές ιοντισμού των δύο ασθενών οξέων και θεωρώντας τις κατάλληλες προσεγγίσεις: x(x y) 10 9 =, x (x+y) = 0, ,08 y(x y) =, y (x+y) = 0, , Με πρόσθεση κατά μέλη: x + y = 10 5, οπότε ph = log10 5 = 5 8. Αναμιγνύουμε τρία διαλύματα, ένα διάλυμα NaOH 0, M όγκου 100 ml, ένα διάλυμα ΝΗ 3 0,3 Μ όγκου 100 ml και ένα διάλυμα ΗCl 0,1 M όγκου 400 ml. Προκύπτει τελικά διάλυμα όγκου 600 ml με ph = 9. Να υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς ιοντισμού της NH 3. Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = ΛΥΣΗ Υπολογίζουμε αρχικά τις ποσότητες των δύο βάσεων και του οξέος στα διαλύματά τους: ΝaOH: n 1 = 0, 0,1 = 0,0 mol NΗ 3 : n = 0,3 0,1 = 0,03 mol HCl: n 3 = 0,1 0,4 = 0,04 mol Πρώτα εξουδετερώνεται η ισχυρή βάση: 16

229 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) mol ΝaOH + HCl ΝaCl + H O Αρχικά 0,0 0,04 Μεταβολές 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Η ποσότητα του οξέος που περίσσεψε εξουδετερώνει και μέρος της ασθενούς βάσης: mol ΝΗ 3 + HCl ΝΗ 4 Cl Αρχικά 0,03 0,0 Μεταβολές 0,0 0,0 0,0 0,01,0 Τελικά, απομένουν το άλας NaCl (που δεν επηρεάζει την τιμή του ph, καθώς κανένα από τα ιόντα του δεν υδρολύονται), η περίσσεια της ΝΗ 3 σε συγκέντρωση 0,01/0,6 = 1/60 Μ και το άλας NH 4 Cl σε συγκέντρωση 0,0/0,6 = /60 Μ. mol/l NH 4 Cl + NH 4 + Cl /60 /60 /60 mol/l NH 3 + H O NH OH Ισορροπία 1/60 y /60 + y y Τελικά, στην ισορροπία έχουμε τις εξής συγκεντρώσεις: [ΝΗ 3 ] = 1/60 y 1/60 M, [ΝΗ 4 + ] = /60 + y /60, [ΟΗ ] = y Καθώς για Δ 3 ισχύει ph = 9, θα έχουμε: poh = 14 9 = 5, [ΟΗ ] = x = 10 5 Μ K [NH4 ] [OH ] 5 b 10 [NH 1 3] 60 17

230 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά). Για νέους λύτες Όταν μικρή ποσότητα ισχυρού οξέος (π.χ. ΗCl) προστεθεί σε υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος HA, σε σταθερή θερμοκρασία και χωρίς μεταβολή του όγκου του, ο βαθμός ιοντισμού α του ασθενούς οξέος Α) παραμένει σταθερός Β) αυξάνεται Γ) μειώνεται Δ) τείνει στη μονάδα [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 10.. Σε υδατικό διάλυμα CH 3 COOH προσθέτουμε αέριο ΗCl, χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος και η θερμοκρασία του διαλύματος. Ποιο από τα παρακάτω μεγέθη αυξάνεται; Α) η [Η 3 Ο + ] Β) το ph Γ) ο βαθμός ιοντισμού α Δ) η σταθερά ιοντισμού K a [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Αν διαλύσουμε ποσότητα στερεού ΝaOH σε υδατικό διάλυμα ΝH 3, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος, τότε: Α) το ph αυξάνεται ενώ η [ΝH 4+ ] μειώνεται Β) η [Η 3 Ο + ] μειώνεται ενώ η [ΝH 4+ ] αυξάνεται Γ) οι [Η 3 Ο + ] και [ΝH 4+ ] αυξάνονται Δ) το ph μειώνεται ενώ η [ΝH 4+ ] δε μεταβάλλεται Δίνεται υδατικό διάλυμα HF 0,1 Μ. Σε ποια από τις ακόλουθες μεταβολές, υπό σταθερή θερμοκρασία, παραμένει σταθερός ο βαθμός ιοντισμού του ΗF; A) Προσθήκη νερού B) Προσθήκη στερεού NaCl, χωρίς μεταβολή του όγκου Γ) Προσθήκη στερεού NaF, χωρίς μεταβολή του όγκου Δ) Προσθήκη αερίου ΗCl, χωρίς μεταβολή του όγκου [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Διαθέτουμε υδατικό διάλυμα HCN. Ποια από τις παρακάτω προσθήκες στο διάλυμα αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση του βαθμού ιοντισμού του HCN; Α) Προσθήκη στερεού ΚCN(s), χωρίς μεταβολή όγκου Β) Προσθήκη μικρής ποσότητας ΗΝΟ 3, χωρίς αλλαγή του όγκου του διαλύματος Γ) Προσθήκη υδατικού διαλύματος NaCl Δ) Καμία από τις παραπάνω Σε υδατικό διάλυμα ΝΗ 3 προστίθεται ποσότητα NΗ 4 Cl(s), χωρίς μεταβολή όγκου. Με την προσθήκη αυτή παρατηρούμε ότι: Α) ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 θα μείνει ο ίδιος Β) το ph του διαλύματος θα αυξηθεί Γ) η [ΝΗ 4+ ] θα αυξηθεί Δ) η [ΟΗ ] θα αυξηθεί Διαθέτουμε διάλυμα ΗCOOH. Τι από τα παρακάτω πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα αυτό, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του HCOOH να μειωθεί; Α) ΗCl(g), χωρίς μεταβολή όγκου Β) ΝaCl(s), χωρίς μεταβολή όγκου Γ) NaOH(s), χωρίς μεταβολή όγκου Δ) Η Ο Σε υδατικό διάλυμα CH 3 NH 0,1 Μ προστίθεται ποσότητα CH 3 NH 3 Cl, χωρίς αισθητή μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Με την προσθήκη αυτή: Α) Το ph του διαλύματος αυξάνεται Β) Ο βαθμός ιοντισμού της CH 3 NH αυξάνεται Γ) Η [ΟΗ ] του διαλύματος αυξάνεται Δ) Το ph του διαλύματος μειώνεται Σε υδατικό διάλυμα HCOOH 0,1 Μ προστίθεται ποσότητα HCOOΝa, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Με την προσθήκη αυτή: Α) Το ph του διαλύματος μειώνεται Β) Ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH αυξάνεται Γ) Η [H 3 O + ] αυξάνεται Δ) Το ph του διαλύματος αυξάνεται Σε διάλυμα ΝΗ 3 προστίθεται η απαιτούμενη ποσότητα HCl(g) για την εξουδετέρωση, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις ισχύει; Α) Ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 μένει σταθερός Β) Πρακτικά, όλη η ΝΗ 3 μετατρέπεται σε ΝΗ 4 + Γ) Ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 μειώνεται Δ) Το ph του διαλύματος αυξάνεται Διαθέτουμε τρία υδατικά διαλύματα στους 5 ο C. Το διάλυμα Δ 1, που περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ συγκέντρωσης 0,1 Μ, το διάλυμα Δ, που περιέχει το ασθενές οξύ ΗΒ συγκέντρωσης 0,1 Μ και το διάλυμα Δ 3, που περιέχει και τα δύο παραπάνω οξέα σε συγκεντρώσεις 0,1 Μ και 0,1 Μ. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις ισχύει; Α) Ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο Δ 1 είναι μεγαλύτερος από το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο Δ 3. Αντίθετα, ο βαθμός ιοντισμού του ΗΒ στο Δ είναι μικρότερος από το βαθμό ιοντισμού του ΗΒ στο Δ 3 Β) Ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο Δ 1 είναι μικρότερος από το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο Δ 3. Αντίθετα, ο βαθμός ιοντισμού του ΗΒ στο Δ είναι μεγαλύτερος από το βαθμό ιοντισμού του ΗΒ στο Δ 3 Γ) Ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο Δ 3 είναι μικρότερος από το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο Δ 1. Επίσης, ο βαθμός ιοντισμού του ΗΒ στο Δ 3 είναι μικρότερος από το βαθμό ιοντισμού του ΗΒ στο Δ Δ) Οι σταθερές ιοντισμού και των δύο οξέων στο Δ 3 είναι μικρότερες από τις αντίστοιχες σταθερές ιοντισμού στα Δ 1 και Δ Να εξηγήσετε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές ή όχι. Σε όλες τις προσθήκες η μεταβολή όγκου είναι αμελητέα. Α) Αν σε διάλυμα NH 3 προστεθεί ΝaΟΗ(s), o ιοντισμός της ΝΗ 3 μειώνεται, ενώ το ph του διαλύματος αυξάνεται. Β) Aν σε ένα διάλυμα HCOOH διαλύσουμε ποσότητα HCOOΚ(s) το ph αυξάνεται. Γ) Αν σε διάλυμα NH 4 Cl διαλύσουμε ποσότητα ΝΗ 3 (g), παρεμποδίζεται η υδρόλυση των ιόντων NH 4+.

231 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) H πυριδίνη (C 5 H 5 N) είναι οργανική ένωση, διαλυτή στο νερό, με ιδιότητες ασθενούς μονοπρωτικής βάσης. Σε διάλυμα πυριδίνης διαλύεται μικρή ποσότητα του άλατός της C 5 H 5 NHNO 3, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Να εξηγήσετε πώς θα μεταβληθούν: α) Η θέση της ιοντικής ισορροπίας. β) Ο βαθμός ιοντισμού της πυριδίνης. γ) Η σταθερά ιοντισμού K b της πυριδίνης. δ) Η [Η 3 Ο + ] του διαλύματος. ε) Το ph του διαλύματος α) Υδατικό διάλυμα περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση c o και το άλας ΝaA σε συγκέντρωση c αλ. Να αποδείξετε τη σχέση: [Η 3 Ο + ] = Κ a (c o /c αλ ). β) Υδατικό διάλυμα περιέχει ΝΗ 3 σε συγκέντρωση c β και το άλας ΝΗ 4 Cl σε συγκέντρωση c αλ. Να αποδείξετε τη σχέση: [ΟΗ ] = Κ b (c β /c αλ ). γ) Διάλυμα περιέχει τα δύο ασθενή οξέα ΗΑ και ΗΒ σε συγκεντρώσεις 1 Μ το καθένα. Να δείξετε ότι η [Η 3 Ο + ] δίνεται από τη σχέση: [Η 3 Ο + ] = Κ a (HA) + K a (HB), όπου K a (HA) και K a (HB) οι σταθερές ιοντισμού των δύο οξέων. Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις α) Σε διάλυμα μονοπρωτικού οξέος ΗΑ με ph = προσθέτουμε μικρή ποσότητα άλατος ΝaA χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος και του ph. Το οξύ ΗΑ είναι ι- σχυρό ή ασθενές; Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. β) Σε διάλυμα οξέος ΗΒ προσθέτουμε ποσότητα άλατος NaΒ(s), χωρίς μεταβολή όγκου και χωρίς αλλαγή της θερμοκρασίας, οπότε παρατηρείται αύξηση του ph του διαλύματος. i. Να εξηγήσετε αν το οξύ ΗΒ είναι ασθενές ή ισχυρό. Τι θα πάθει ο βαθμός ιοντισμού του ΗΒ με την προσθήκη του NaΒ(s); ii. Ποια άλλη ουσία όχι άλας θα μπορούσε να προστεθεί, επίσης χωρίς αλλαγή όγκου, με ανάλογα αποτελέσματα στο βαθμό ιοντισμού του ΗΒ; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Για καλούς λύτες Διαθέτουμε 400 ml διαλύματος ΝH 3 0, Μ (διάλυμα Δ 1 ). α) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού της ΝH 3 ; β) Σε όλη την ποσότητα του Δ 1 διαλύουμε 0,4 g ΝaOH(s), χωρίς μεταβολή όγκου και προκύπτει νέο διάλυμα (Δ ). Ποιος ο βαθμός ιοντισμού της ΝH 3 στο διάλυμα Δ ; K b (ΝH 3 ) = Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διαθέτουμε 400 ml διαλύματος CH 3 COOH 0, Μ (διάλυμα Δ 1 ). α) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του CH 3 COOH; β) Σε όλη την ποσότητα του διαλύματος Δ 1 προσθέτουμε 0,01 mol στερεού CH 3 COOΝa, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος και προκύπτει νέο διάλυμα (Δ ). Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του CH 3 COOH στο διάλυμα Δ ; K a (CH 3 COOH) = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διαθέτουμε διάλυμα (Δ 1 ) όγκου 00 ml που περιέχει HCOOH σε συγκέντρωση 1 Μ. α) Ποιο το ph και ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH στο διάλυμα Δ 1 ; β) Σε όλη την ποσότητα του Δ 1 προσθέτουμε 0, mol HCl, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος, οπότε προκύπτει νέο διάλυμα Δ. Ποιο το ph και ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH στο Δ ; θ=5 ο C. Κ a (ΗCOOH) = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Δίνεται διάλυμα ΝΗ 3 0, Μ όγκου 1 L. Στο διάλυμα προστίθεται στερεό ΝΗ 4 Cl χωρίς μεταβολή του όγκου. Αν ο νέος βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 μειώθηκε κατά 100 φορές σε σχέση με το αρχικό διάλυμα, ποια η μάζα του NH 4 Cl που προστέθηκε; Κ b (ΝΗ 3 ) = Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C Σε 1 L διαλύματος περιέχονται 0,6 g οξικού οξέος (CH 3 COOH) και 0,8 g οξικού νατρίου (CH 3 COONa). α) Ποιο είναι το ph του διαλύματος; β) Ποιο θα ήταν το ph, αν το διάλυμα περιείχε μόνο τα 0,6 g οξικού οξέος; γ) Ποιο θα ήταν το ph, αν το διάλυμα περιείχε μόνο τα 0,8 g CH 3 COONa; Κ a (CH 3 COOH) = Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διάλυμα ασθενούς βάσης Β 0,1 Μ έχει βαθμό ιοντισμού α = 0,01. Πόσα mol άλατος BΗCl(s), χωρίς μεταβολή όγκου, πρέπει να προστεθούν σε 500 ml του παραπάνω διαλύματος, ώστε ο βαθμός ιοντισμού της Β να υποδεκαπλασιαστεί; Κ w = θ=5 ο C. Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Διαθέτουμε διάλυμα (Δ 1 ) HCOOH 1 M όγκου 1 L με ph =. α) Nα υπολογιστεί η σταθερά ιοντισμού του ΗCOOH καθώς και ο βαθμός ιοντισμού του στο διάλυμα Δ 1. β) Σε όλη την ποσότητα του Δ 1 προσθέτουμε λ mol HCOONa οπότε προκύπτει νέο διάλυμα (Δ ) όγκου 1 L με ph = 4. i. Ποια η τιμή του λ; ii. Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του HCOOH στο διάλυμα Δ. Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C Σε 60 ml διαλύματος C H 5 NH 0,1 Μ προσθέτουμε 0 ml διαλύματος C H 5 NH 3 Cl 0, Μ και προκύπτει διάλυμα με ph = 11. α) Να υπολογίσετε τις συγκεντρώσεις όλων των ιόντων που υπάρχουν στο τελικό διάλυμα. β) Να υπολογίσετε τη σταθερά K a του ιόντος C H 5 NH 3+. γ) Αν για τη ΝΗ 3 K b = 1, στους 5 o C, να συγκρίνετε τις βάσεις ΝΗ 3 και C H 5 NH ως προς την ισχύ τους και να αιτιολογήσετε το αποτέλεσμα της σύγκρισης. Nα θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. Κ w =

232 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Διάλυμα ΝΗ 3 0,4 Μ όγκου 300 ml αναμιγνύεται με διάλυμα Βa(OH) συγκέντρωσης c και όγκου 100 ml, οπότε προκύπτει διάλυμα Δ 1 με ph = 1. α) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση c και το βαθμό ιοντισμού της NH 3 στο διάλυμα Δ 1. β) Όλη η ποσότητα του Δ 1 αραιώνεται με νερό και προκύπτει διάλυμα Δ όγκου 4 L. Να υπολογίστε το ph του, καθώς και το βαθμό ιοντισμού της NH 3 στο διάλυμα αυτό. Κ b (NH 3 ) = Κ w = θ=5 ο C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Δίνεται διάλυμα CH 3 COOH 0,1 Μ. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε το διάλυμα αυτό με διάλυμα CH 3 COONa 0, Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα του ο- ποίου η [Η 3 O + ] να είναι ελαττωμένη κατά 50 φορές σε σχέση με το αρχικό διάλυμα; Κ a (CH 3 COOΗ) = Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διαθέτουμε διάλυμα (Δ 1 ) οξέος ΗΑ 0,1 Μ με ph = 3. α) Να εξηγήσετε αν το ΗΑ είναι ισχυρό ή ασθενές. β) Πόσα mol HCl πρέπει να προστεθούν σε 1 L του Δ 1, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε η συγκέντρωση της συζυγούς βάσης A του ΗΑ να μειωθεί κατά 10 φορές; θ=5 ο C. Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Πόσα mol ΝΗ 4 Cl πρέπει να προσθέσουμε σε 50 ml διαλύματος NH 3 0,1 Μ, για να ισχύει: 9 ph 10; Κ b (ΝΗ 3 ) = θ=5 ο C. Να υποτεθεί ότι η προσθήκη του ΝΗ 4 Cl δεν μεταβάλλει τον όγκο του διαλύματος. Nα θεωρηθούν επίσης οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διαθέτουμε διάλυμα (Υ1) ασθενούς οξέος ΗΑ, συγκέντρωσης c και όγκου V στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ είναι ίσος με α. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε διάλυμα HCl ίδιου όγκου και ίδιας συγκέντρωσης και προκύπτει νέο διάλυμα (Υ), όγκου V, στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ είναι ίσος με α/10. Να υπολογιστεί η τιμή του α. Η θερμοκρασία είναι η ίδια για όλα τα διαλύματα. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα περιέχει τα ασθενή οξέα ΗΑ και ΗΒ σε συγκεντρώσεις 0,1 Μ το καθένα. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος. Κ a (ΗΑ) = , Κ a (ΗΒ) = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διάλυμα περιέχει δύο ασθενείς βάσεις Α και Β σε συγκεντρώσεις από 0,1 Μ και έχει ph = 13. α) Ποια η σταθερά ιοντισμού της Β, αν η σταθερά ιοντισμού της Α έχει τιμή 0,; β) Ποια από τις δύο βάσεις είναι ισχυρότερη; θ=5 ο C. Κ w = Σε ποσότητα διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ 0,1 Μ διοχετεύεται αέριο HCl, χωρίς μεταβολή όγκου, μέχρις ότου η συγκέντρωση του διαλύματος σε HCl να γίνει 0,01 Μ. Αν στο νέο διάλυμα ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ είναι ίσος με το 1/50 του αρχικού, να υπολογιστεί η σταθερά Κ a του ΗΑ. Nα θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ έχει συγκέντρωση 0,1 Μ. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε το διάλυμα αυτό με διάλυμα NaΑ 0,3 Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να έχει μειωθεί 100 φορές; Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ a (ΗΑ) = θ=5 ο C. Για δυνατούς λύτες Αναμιγνύουμε 00 ml διαλύματος NaOH 0,3 Μ με 300 ml διαλύματος ΚΟΗ 0,1 Μ. Στο διάλυμα που προκύπτει διοχετεύουμε 1,1 L αέριας ΝΗ 3 μετρημένα σε STP, χωρίς να παρατηρηθεί αισθητή μεταβολή στον όγκο του διαλύματος. Να βρεθεί ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3, καθώς και η [ΝΗ 4+ ] στο τελικό διάλυμα. Κ b (ΝΗ 3 ) = 1, Κ w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Σε διάλυμα ΝΗ 3 0,5 Μ όγκου 50 ml προσθέτουμε 50 ml διαλύματος HCl 0,3 Μ. Να υπολογιστεί η [ΟΗ ] στο τελικό διάλυμα. Για την ΝΗ 3, Κ b = 1, Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διαθέτουμε διάλυμα ΝΗ 3 και ΝΗ 4 Cl όγκου 500 ml στα οποία τα δύο συστατικά έχουν συγκεντρώσεις c 1 και c, αντίστοιχα. Ποιόν όγκο νερού πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα αυτό, ώστε στο νέο διάλυμα που θα προκύψει ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3 να έχει τριπλασιαστεί; Και τα διαλύματα βρίσκονται σε θ = 5 ο C. Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Διαθέτουμε τα υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ των α- σθενών οξέων ΗΑ και ΗΒ. Διάλυμα Δ 1 : ΗΑ 0, Μ, α 1 = 10,5. Διάλυμα Δ : ΗΒ 0, Μ, α = 10,5. Αναμιγνύουμε ίσους όγκους από τα Δ 1 και Δ, οπότε προκύπτει νέο διάλυμα Δ 3. Να υπολογιστούν: α) Οι τιμές των σταθερών Κ a των δύο οξέων ΗΑ και ΗΒ. β) Το ph του διαλύματος Δ 3. γ) Οι βαθμοί ιοντισμού των οξέων ΗΑ και ΗΒ στο διάλυμα Δ 3. Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε διαλύματα, ένα του οξέος ΗΑ 0,4 Μ και ένα άλλο του οξέος ΗΒ 1, Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 3; Για το ΗΑ: Κ a = 10 6, ενώ για το ΗΒ: Κ a = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C ml διαλύματος CH 3 NH 1 Μ αραιώνονται με νερό και προκύπτει διάλυμα όγκου 00 ml με ph = 1. α) Να υπολογιστεί η σταθερά ιοντισμού της CH 3 NH και ο λόγος των βαθμών ιοντισμού πριν και μετά την αραίωση. β) Σε 100 ml από το αραιωμένο διάλυμα προστίθενται 100 ml διαλύματος HCl 0, M. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος που προκύπτει. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C, όπου K w =

233 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) Διαθέτουμε διάλυμα (Δ) HCOOH όγκου 00 ml με ph = και α = 0,01. α) Να υπολογιστεί η συγκέντρωση του διαλύματος, καθώς και η σταθερά ιοντισμού του HCOOH. β) Πόσα ml αερίου HCl(g), σε STP, πρέπει να διαλυθούν πλήρως σε 100 ml του διαλύματος Δ, χωρίς μεταβολή ό- γκου, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH να γίνει ίσος με 10 3 ; Ποιο το ph του διαλύματος που θα προκύψει; γ) Πόσα mol NaOH(s) πρέπει να προστεθεί στα υπόλοιπα 100 ml του Δ, χωρίς αλλαγή στον όγκο του, ώστε το ph του να μεταβληθεί κατά ; Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διάλυμα όγκου 500 ml περιέχει ΗCOOH σε συγκέντρωση 0,1 Μ. α) Ποιο το ph του διαλύματος αυτού; β) Ποιο θα είναι το ph του διαλύματος που θα προκύψει μετά την προσθήκη g NaOH(s). γ) Ποιο θα ήταν το ph του διαλύματος που θα προέκυπτε αν προσθέταμε 4 g στερεού NaOH; Με την προσθήκη του NaOH(s) η μεταβολή όγκου είναι α- μελητέα. K a (ΗCOOH) = θ=5 ο C. Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διαλύουμε 0,01 mol οξέος ΗΑ καθώς και 0,015 mol οξέος ΗΒ σε νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα (Υ) όγκου 00 ml με ph = 1. α) Αν η Κ a του ΗΑ είναι ίση με 0,1, να αποδειχθεί ότι το ΗΒ είναι ισχυρό οξύ. β) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Υ; Διάλυμα (Δ1) έχει όγκο V και περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση c. Στο διάλυμα αυτό το ΗΑ παρουσιάζει βαθμό ιοντισμού ίσο με α 1. Διάλυμα Δ όγκου V περιέχει το ασθενές οξύ ΗΒ σε συγκέντρωση c και στο οποίο το ΗΒ παρουσιάζει βαθμό ιοντισμού ίσο με α. Τα δύο διαλύματα αναμειγνύονται και προκύπτει διάλυμα Δ όγκου V στο οποίο οι βαθμοί ιοντισμού των δύο οξέων ΗΑ και ΗΒ είναι ίσοι με α 3 και α 4, αντίστοιχα. Αν Κ a1 και Κ a οι αντίστοιχες σταθερές ιοντισμού των ΗΑ και ΗΒ, να αποδειχθούν οι σχέσεις: α Κ α a1 (1) και Ka () α Ka α Ka Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα έχουν την ίδια θερμοκρασία g ασθενούς οξέος ΗΑ διαλύονται σε νερό και προκύπτει διάλυμα Χ όγκου 500 ml. α) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Χ; Ποιο το ph του; β) Στο διάλυμα Χ προστίθενται 3,15 g ΗΝΟ 3 χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Ποιος ο νέος βαθμός ιοντισμού; Ποιο το νέο ph; γ) Στο αρχικό διάλυμα X προστίθενται 5,1 g ΝaA, επίσης χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ και ποιο το ph στην περίπτωση αυτή; Για το ΗΑ: K a = 10 5 και M r = 80. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις σε όλες τις περιπτώσεις Διάλυμα (Δ 1 ) όγκου 1 L περιέχει ΗΝΟ σε συγκέντρωση 0,5 Μ. Στο διάλυμα αυτό το οξύ ιοντίζεται σε ποσοστό 4%. α) Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Δ 1, καθώς και η σταθερά ιοντισμού του ΗΝΟ. β) Σε 500 ml του Δ 1 διαλύουμε ποσότητα HCl, χωρίς μεταβολή όγκου, οπότε ο βαθμός ιοντισμού του ΗΝΟ μειώθηκε κατά 100 φορές. Ποια η ποσότητα (σε mol) του HCl που διαλύθηκε; γ) Στα υπόλοιπα 500 ml του διαλύματος Δ 1 προστίθενται ποσότητα 0,175 mol NaOH(s), χωρίς μεταβολή όγκου. Ποιο το ph του διαλύματος που προκύπτει; θ=5 ο C. Κ w = Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα HCOOH 1 M έχει όγκο 100 ml και ph =. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε 0,1 mol NaOH(s) και προκύπτει διάλυμα (Δ 1 ) όγκου επίσης 100 ml. Ένα άλλο διάλυμα CH 3 COOΗ 0,1 Μ έχει όγκο 400 ml και ph = 3. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε 0,04 mol NaOH(s) και προκύπτει διάλυμα (Δ ) όγκου επίσης 400 ml. Αναμειγνύουμε τα διαλύματα Δ 1 και Δ και προκύπτει διάλυμα (Δ 3 ) όγκου 500 ml. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Δ 3. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται στους 5 C, όπου Κ w = Σε όλες τις περιπτώσεις να γίνουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα (Δ 1 ) ΗCOOH 1 Μ όγκου 00 ml έχει ph =. Στο διάλυμα αυτό το ΗCOOH παρουσιάζει βαθμό ιοντισμού ίσο με α. α) Πόσα mol στερεού HCOONa πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του Δ 1, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να προκύψει διάλυμα (Δ ) στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH να είναι ίσος με α/100; β) Πόσα ml διαλύματος ΗCl M πρέπει να αναμίξουμε με τα υπόλοιπα 100 ml του Δ 1, ώστε να προκύψει διάλυμα (Δ 3 ) στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH να είναι πάλι ίσος με α/100; γ) Ποιο το ph των διαλυμάτων Δ και Δ 3 ; Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διαθέτουμε τα εξής διαλύματα Δ 1, Δ και Δ 3. Διάλυμα Δ 1 : Βa(OH) 0,03 Μ, όγκου 100 ml. Διάλυμα Δ : ΗCl 0,04 Μ, όγκου 50 ml. Διάλυμα Δ 3 : ΗA (ασθενές οξύ) 0,1 Μ, όγκου 50 ml. Tα τρία διαλύματα αναμιγνύονται και προκύπτει διάλυμα όγκου 00 ml με ph = 5. Να υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς ιοντισμού του ΗΑ. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ w = 10 14, θ=5 o C. 1

234 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Διάλυμα (Δ 1 ) περιέχει ασθενές οξύ ΗΑ 0,1 Μ, έχει όγκο L και ph = 3,5. α) Να υπολογιστεί η τιμή της σταθεράς ιοντισμού του ΗΑ. β) Πόσα L νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 1 L του διαλύματος Δ 1, ώστε: i. το ph του να μεταβληθεί κατά 0,5; ii. o βαθμός ιοντισμού του να τριπλασιαστεί; γ) Σε 1 L από το διάλυμα Δ 1 διαλύουμε 0,1 mol ενός άλλου ασθενούς οξέος ΗΒ, χωρίς μεταβολή όγκου και το ph του διαλύματος (Δ ) που προκύπτει βρέθηκε ίσο με 3. Να υπολογιστούν: i. η τιμή της σταθεράς ιοντισμού του ΗΒ και ii. οι βαθμοί ιοντισμού των ΗΑ και ΗΒ στο διάλυμα Δ. δ) Σε όλη την ποσότητα του διαλύματος Δ διαλύουμε 0, mol στερεού NaOH και προκύπτει διάλυμα Δ 3 όγκου 1 L. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο + στο διάλυμα Δ 3. Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται στους 5 C, όπου Κ w = Μίγμα ΗCOOH και ΗΝΟ 3 μάζας 10,9 g διαλύεται πλήρως σε νερό σχηματίζοντας διάλυμα (Α) όγκου 100 ml. Στο διάλυμα Α προστίθεται, χωρίς μεταβολή όγκου, η απαραίτητη ποσότητα ΚΟΗ(s) για την εξουδετέρωση, οπότε το ph του νέου διαλύματος (Β) που προκύπτει βρέθηκε ίσο με 9. α) Ποια η μάζα του ΚΟΗ που προστέθηκε; β) Ποιες οι μάζες των δύο συστατικών του μίγματος των δύο οξέων; γ) Ποιο το ph του διαλύματος Α και ποιος ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH στο διάλυμα αυτό; Δίνεται η σταθερά ιοντισμού του ΗCOOH ίση με 10 4 και η σταθερά του γινομένου των ιόντων του νερού K w = Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 o C Διάλυμα όγκου 100 ml περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση 0,1 Μ και το ασθενές οξύ ΗΒ σε συγκέντρωση 0,1 Μ. Στο διάλυμα αυτό προστίθενται 0,015 mol KOH και προκύπτει διάλυμα όγκου 100 ml στο οποίο ι- σχύει: [Η 3 Ο + ] = 10 5 Μ. Αν είναι γνωστή η σταθερά ιοντισμού του ΗΑ K a = , να υπολογιστεί η η σταθερά ιοντισμού του ΗΒ. Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διάλυμα περιέχει CH 3 COOH 0,1 M όγκου 1 L με ph = 3. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε 10 3 mol ΗCl(g), χωρίς μεταβολή στον όγκο του διαλύματος. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο + του τελικού διαλύματος. θ=5 ο C Διαθέτουμε τα παρακάτω διαλύματα Δ 1 και Δ. Διάλυμα Δ 1 : ΗCOONa 1 M. Διάλυμα Δ : CΗ 3 COONa 1 M. 100 ml του διαλύματος Δ 1 αραιώνονται με νερό και προκύπτει διάλυμα (Δ 3 ) όγκου 1 L με ph = 8,5. Επίσης, 100 ml του διαλύματος Δ αραιώνονται με νερό και προκύπτει διάλυμα (Δ 4 ) όγκου 1 L με ph = 9. Ποσότητες από τα διαλύματα Δ και Δ 3 όγκων V (L) και V (L), αντίστοιχα αναμιγνύονται και προκύπτει διάλυμα (Δ 5 ) με ph = 9. Ποια η τιμή του λόγου (V /V); Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Διάλυμα (Δ 1 ) ασθενούς οξέος ΗΑ έχει συγκέντρωση 0, Μ, όγκο V και ph = α. Το διάλυμα Δ 1 αναμιγνύεται με διάλυμα NaOH συγκέντρωσης 0,1 Μ και όγκου V. Προκύπτει έτσι διάλυμα (Δ ) όγκου V με ph = α +,5. Nα υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς ιοντισμού του οξέος ΗΑ. Να θεωρήστε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Υδατικό διάλυμα έχει ph = 3 και περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση 1 Μ και το ασθενές οξύ ΗΒ σε συγκέντρωση 1 Μ. Στο διάλυμα προσθέτουμε την απαιτούμενη ποσότητα ΚΟΗ(s) για την εξουδετέρωση και των δύο οξέων, χωρίς μεταβολή όγκου και προκύπτει νέο διάλυμα στο οποίο ισχύει: [H 3 O + ] = M. Nα υπολογιστούν οι τιμές των σταθερών ιοντισμού των δύο οξέων ΗΑ και ΗΒ. Μπορούμε να ξέρουμε ποια τιμή αντιστοιχεί στο ΗΑ και ποια στο ΗΒ; Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ w = 10 14, θ=5 ο C.

235 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Τι είναι η επίδραση κοινού ιόντος; Να αναλύσετε το φαινόμενο αναφέροντας χαρακτηριστικά παραδείγματα. 10 μονάδες. Σε ποιο από τα παρακάτω διαλύματα εμφανίζεται επίδραση κοινού ιόντος; Α) Διάλυμα HBr - NaBr Β) Διάλυμα KOH - NaOH Γ) Διάλυμα HClO 4 - ΝaClO 4 Δ) Διάλυμα HCl - NH 4 Br Nα αιτιολογήσετε την απάντησή σας. 10 μονάδες 3. Διαθέτουμε αραιό διάλυμα NH 3. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε ένα από τα ακόλουθα σώματα ή διαλύματα Ι - V: I. Ποσότητα στερεού NaOH(s) (ΔV = 0) II. Ποσότητα στερεού NH 4 Cl(s) (ΔV = 0) III. Ποσότητα στερεού NaCl(s) (ΔV = 0) IV. Ποσότητα διαλύματος ΚΝΟ 3 V. Επιπλέον ποσότητα αέριας NH 3 (g) (ΔV = 0) Να σημειώσετε πως θα μεταβληθούν (, ή ) με κάθε μία από τις προσθήκες αυτές, ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3, η σταθερά ιοντισμού της K b, το ph του διαλύματος και η [NH 4+ ]. θ=σταθ. Ι. ΙΙ. ΙΙΙ. ΙV. V. α Κ b (ΝΗ 3 ) ph [ΝΗ 4+ ] 40 μονάδες 3

236 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4. Διάλυμα (Υ1) του ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c και όγκου V αναμιγνύεται με διάλυμα (Υ) HCl ίσου όγκου και ίσης συγκέντρωσης με το προηγούμενο. Προκύπτει έτσι διάλυμα (Υ) όγκου V. Αν α 1 ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Υ1 και α ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Υ, να αποδειχθεί η σχέση: α = α 1. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα έχουν την ίδια θερμοκρασία. 10 μονάδες 5. Ποσότητα CH 3 COOH μάζας 3 g διαλύεται σε νερό και σχηματίζεται διάλυμα Δ 1 όγκου 500 ml. α) Να υπολογίστε: i. το ph και ii. το βαθμό ιοντισμού α 1 του CH 3 COOH στο διάλυμα Δ 1. β) Σε όλη την ποσότητα του Δ 1 διαλύονται πλήρως 110 ml αερίου HCl (μετρημένα σε STP), οπότε προκύπτει διάλυμα Δ όγκου επίσης 500 ml. i. Να υπολογίσετε το ph του Δ, καθώς το νέο βαθμό ιοντισμού α του CH 3 COOH. ii. Nα συγκρίνετε τους βαθμούς ιοντισμού α 1 και α και αιτιολογήστε το αποτέλεσμα της σύγκρισης. K a (CH 3 COOH) = M r (CH 3 COOH) = 60. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. 10 μονάδες 4

237 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ (Ε.Κ.Ι.) 6. Να υπολογιστεί το ph των 4 διαλυμάτων που προκύπτουν μετά την ανάμιξη 00 ml διαλύματος NH 3 0, M με καθένα από τα παρακάτω διαλύματα, ώστε τελικά να προκύψουν σε όλες τις περιπτώσεις διαλύματα όγκου 400 ml. α) Διάλυμα HCl, 0, M όγκου 00 ml. β) Διάλυμα ΝaOH 0, M, όγκου 00 ml. γ) Διάλυμα ΝΗ 4 Cl 0, M, όγκου 00 ml. δ) Διάλυμα RNH 0, M όγκου 00 ml. Για την ΝΗ 3, K b = 10 5, για την αμίνη RNH, Κ b = και για το ασθενές οξύ ΗΑ, Κ a = Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C, όπου K w = μονάδες 5

238 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 6

239 11 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Τι είναι τα ρυθμιστικά διαλύματα; Αν σε καθαρό νερό όγκου 1 L (ph = 7) προσθέσουμε 0,01 mol HCl, χωρίς αισθητή μεταβολή όγκου, η [Η 3 Ο + ] θα γίνει 10 Μ και επομένως ph =. Επίσης, αν σε καθαρό νερό προσθέσουμε 0,01 mol NaOH, θα ισχύει: [OH ] = 10 Μ και επομένως poh = και άρα ph = 1 (θ=5 ο C). Παρατηρούμε δηλαδή ότι προσθέτοντας μικρές ποσότητες ενός οξέος ή μιας βάσης σε καθαρό νερό το ph μεταβάλλεται κατά πολύ. Αν όμως σε ένα υδατικό διάλυμα 1 L που περιέχει CH 3 COOH 1 Μ και CH 3 COONa 1 Μ (ph = 5) προσθέσουμε τις ίδιες με τις παραπάνω ποσότητες HCl ή NaOH θα παρατηρήσουμε ότι η μεταβολή του ph είναι ανεπαίσθητη. Τέτοια διαλύματα λέγονται ρυθμιστικά. Νερό 1 L Η Ο + 0,01 mol NaOH 1 L Η Ο 1 L + 0,01 mol HCl Ως ρυθμιστικά διαλύματα μπορούν να θεωρηθούν και τα πυκνά διαλύματα ισχυρών οξέων ή βάσεων. Τα διαλύματα όμως αυτά δε χρησιμοποιούνται ως ρυθμιστικά, καθώς έχουν το μειονέκτημα ότι με αυτά δεν μπορεί να επιτευχθεί μεγάλη ποικιλία τιμών ph (μόνο κοντά στο 0 και κοντά στο 14). 0 7 Δηλαδή: Ρυθμιστικά λέγονται τα διαλύματα που έχουν την ιδιότητα να διατηρούν το ph τους πρακτικά αμετάβλητο, παρά την προσθήκη μικρής αλλά υπολογίσιμης ποσότητας ισχυρού οξέος ή ισχυρής βάσης. ph. Από τι αποτελούνται τα ρυθμιστικά διαλύματα; 14 Ρυθμιστικό διάλυμα 1 L + 0,01 mol NaOH 1 L 1 L + 0,01 mol HCl Εφόσον «εξουδετερώνει» και τα οξέα και τις βάσεις, ένα ρυθμιστικό διάλυμα πρέπει να περιέχει δύο συστατικά, ένα που να «εξουδετερώνει» τα οξέα και ένα τις βάσεις. Βέβαια, τα συστατικά αυτά δεν πρέπει να εξουδετερώνουν το ένα το άλλο, π.χ. δεν μπορεί να είναι ένα ισχυρό οξύ και μία ισχυρή βάση. 7

240 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Τα ρυθμιστικά διαλύματα περιέχουν ένα ασθενές οξύ μαζί με τη συζυγή του βάση, δηλαδή: Ένα ασθενές οξύ (π.χ. CH 3 COOH) μαζί με το άλας του οξέος αυτού με ισχυρή βάση (π.χ. CH 3 COONa) ή Μία ασθενή βάση (π.χ. ΝH 3 ) μαζί με το άλας της με ισχυρό οξύ (π.χ. ΝH 4 Cl). Άλλα παραδείγματα ρυθμιστικών διαλυμάτων: CH 3 NH - CH 3 NH 3 + (CH 3 NH - CH 3 NH 3 Cl) H CO 3 - HCO 3 (H CO 3 - NaHCO 3 ) Η ΡΟ 4 - ΗΡΟ 4 (ΝaH PO 4 Na HPO 4 ) 3. Υπολογισμός του ph ρυθμιστικού διαλύματος - Εξίσωση Henderson - Hasselbalch) Όπως είναι φανερό από τα συστατικά των ρυθμιστικών διαλυμάτων, αυτά λειτουργούν με βάση την επίδραση κοινού ιόντος, που είδαμε στην προηγούμενη ενότητα. α) Υπολογισμός του ph ρυθμιστικού διαλύματος ΗΑ/Α Το οξύ δε θα πρέπει να είναι υπερβολικά ασθενές, π.χ. ένα διάλυμα που περιέχει ΗΑ (Ka = 10 1 ) και το άλας του NaΑ δε λειτουργεί καλά ως ρυθμιστικό. Lawrence Joseph Henderson ( ). Σπουδαίος Αμερικανός βιοχημικός των αρχών του 0ού αιώνα. Καθηγητής βιολογικής χημείας στο Harvard Medical School. Karl Albert Hasselbalch ( ). Δανός γιατρός και χημικός. Ασχολήθηκε με μετρήσεις του ph στο αίμα. Έστω ρυθμιστικό διάλυμα που αποτελείται από το ασθενές οξύ ΗΑ (συγκέντρωσης c o ) και το άλας του NaA (αρχικής συγκέντρωσης c αλ ή c β ). Στο διάλυμα αυτό εφαρμόζουμε την Ε.Κ.Ι.: mol/l NaA Na + + A c β c β c β mol/l HA + H O A + H 3 O + Ισορροπία c ο x c β + x x [ΗΑ] = c o x c o, [Α ] = c β + x c β [A ] [H c 3O ] β[η3ο ] Ka, [HA] c o c [ H3O ] Ka c ο β Από την παραπάνω σχέση με λογαρίθμηση προκύπτει: 8 log[h O ] logk 3 a c log c ο β, log[h O ] logk 3 a c log c ο β, c ph pka log c cβ Τελικά: ph pka log (εξίσωση Henderson - Hasselbalch) cο Στην παραπάνω σχέση η c β ταυτίζεται με τη συγκέντρωση της συζυγούς βάσης Α, δηλαδή με τη συγκέντρωση του άλατος. β) Υπολογισμός του ph ρυθμιστικού διαλύματος Β/ΒΗ + Θεωρούμε το ρυθμιστικό διάλυμα που αποτελείται από την ασθενή βάση Β (c β ) και το άλας της ΒΗ + Cl (c αλ = c ο ). Εφαρμόζουμε την Ε.Κ.Ι.: ο β

241 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ mol/l ΒΗCl BH + + Cl c ο c ο c ο mol/l B + H O BH + + OH Ισορροπία c β x c ο + x x Η ερώτηση της ημέρας: Είναι δυνατόν να έχουμε Ε.Κ.Ι. χωρίς να έχουμε ρυθμιστικό διάλυμα; Τελικά, το ρυθμιστικό διάλυμα είτε περιέχει το σύστημα ΗΑ - Α, είτε το σύστημα Β - ΒΗ +, το ίδιο είναι! Μέσω της εξίσωσης Henderson - Hasselbalch μπορούμε να υπολογίσουμε το ph ενός ρυθμιστικού διαλύματος με πολύ μεγάλη ακρίβεια, όταν ισχύουν οι εξής περιορισμοί: 0,1 M < co, cβ < 10 3 Μ 1 < log([a ]/[HA] < 1 5 < pka(ha) < 9 Εκτός αυτών των ορίων η α- κρίβεια μειώνεται σταδιακά με αυξανόμενο ρυθμό. Στην εξίσωση αυτή εμπεριέχεται η επίδραση του αυτοϊοντισμού του νερού και η προσέγγιση που κάνουμε για την εξαγωγή της είναι ότι θεωρούμε αμελητέα τη μετατροπή της μιας ουσίας του συζυγούς ζεύγους του ρυθμιστικού στην άλλη. [Β] = c β x c β, [ΒΗ + ] = c o + x c ο K [OH ] [BH ] c ο [ΟΗ ] b, [B] cβ c [ ΟΗ ] K b c cβ cβ log[οη ] logkb log, log[οη ] logkb log cο cο cβ cβ pοh pkb log, 14 ph 14 pka log cο co Τελικά, αποδεικνύουμε την ίδια σχέση που προέκυψε και για το σύστημα ΗΑ - Α : cβ ph pka log (εξίσωση Henderson - Hasselbalch) c ο Στην παραπάνω σχέση η c ο ταυτίζεται με τη συγκέντρωση του άλατος. Η εξίσωση Henderson - Hasselbalch ισχύει υπό ορισμένες προϋποθέσεις. Π.χ. για ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει το ζεύγος ΗΑ/Α θα πρέπει: α) H συγκέντρωση του οξέος στην ισορροπία να είναι περίπου ίση με την αρχική συγκέντρωση του οξέος, δηλαδή [ΗΑ] = c ο x c o. β) H συγκέντρωση της συζυγούς βάσης στην ισορροπία να είναι περίπου ίση με την αρχική συγκέντρωση της βάσης, δηλαδή: [Α ] = c β + x c β. Παρατηρήσεις στην εξίσωση Henderson - Hasselbalch: Αν c β = c ο θα ισχύει: ph = pk a. To ph εξαρτάται από την τιμή του λόγου c β /c o και όχι από τις δύο συγκεντρώσεις ξεχωριστά. Το συμπέρασμα αυτό δεν ισχύει για πολύ αραιά διαλύματα, οπότε δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις και το ph τείνει προς το 7. Για την ισχύ της εξίσωσης Henderson - Hasselbalch θεωρούμε ότι τόσο o ιοντισμός του ΗΑ όσο και η υδρόλυση των ανιόντων Α γίνονται σε μικρό ποσοστό και, επομένως, οι [ΗΑ] και [Α ] είναι ίδιες με τις αρχικές συγκεντρώσεις c o και c αλ, αντίστοιχα. β ο 4. Πώς παρασκευάζονται τα ρυθμιστικά διαλύματα; Ρυθμιστικά διαλύματα μπορούν να προκύπτουν με τους εξής τρόπους: 1. Με απλή διάλυση των συστατικών του ρυθμιστικού διαλύματος σε νερό ή με ανάμιξη διαλυμάτων καθένα από τα οποία περιέχει το ένα από τα συστατικά (π.χ. ένα διάλυμα ΝH 3 αναμιγνύεται με διάλυμα ΝH 4 Cl). 9

242 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1. α) Με μερική εξουδετέρωση ενός ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση. Έστω π.χ. διάλυμα στο οποίο περιέχονται αρχικά, n 1 mol CH 3 COOH και n mol ΝaOH (n 1 > n ): mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά n 1 n Μεταβολές n n n Τελικά n 1 n n Για να έχουμε μερική εξουδετέρωση θα πρέπει, προφανώς, να ισχύει n 1 > n, έτσι ώστε το NaOH να αντιδρά πλήρως και να μην εμφανίζεται στα τελικά σώματα, όπου θα υπάρχει η περίσσεια του CH 3 COOH και το παραγόμενο CH 3 COONa, δηλαδή τα δύο συστατικά του ρυθμιστικού διαλύματος. Στη συνέχεια υπολογίζουμε τις τελικές συγκεντρώσεις, διαιρώντας με τον τελικό όγκο και εφαρμόζουμε τη σχέση: Αν n1 = n, τότε θα έχουμε τελικά μόνο το CH3COONa, ενώ αν n1 < n θα εμφανίζονται στα προϊόντα η περίσσεια του NaOH και το παραγόμενο CH3COONa (επίδραση κοινού ιόντος, αλλά όχι ρυθμιστικό διάλυμα!). c [ H3O ] Ka c ο β β) Με μερική εξουδετέρωση μιας ασθενούς βάσης από ισχυρό οξύ, π.χ. με μερική εξουδετέρωση ΝΗ 3 από HCl: mol ΝH 3 + ΗCl NH 4 Cl Αρχικά n 1 n Μεταβολές n n n Τελικά n 1 n n Υπολογίζουμε τις τελικές συγκεντρώσεις διαιρώντας με τον τελικό όγκο και εφαρμόζουμε τη σχέση: c β [ ΟΗ ] Kb c ο 3. α) Με μερική αντίδραση άλατος ασθενούς οξέος (π.χ. CH 3 COONa) με ισχυρό οξύ (π.χ. HCl). Για να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα, θα πρέπει το άλας να είναι σε περίσσεια: mol CH 3 COΟΝa + HCl CH 3 COOH + NaCl Αρχικά n 1 n Μεταβολές n n n Τελικά n 1 n n β) Με μερική αντίδραση άλατος ασθενούς βάσης (π.χ. ΝH 4 Cl) με ισχυρή βάση (π.χ. ΝaOH). Για να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα, θα πρέπει το άλας να είναι σε περίσσεια: Αν n1 = n, τότε θα έχουμε τελικά μόνο το ΝΗ4Cl, ενώ αν n1 < n θα εμφανίζονται στα προϊόντα η περίσσεια του ΗCl και το παραγόμενο ΝΗ4Cl (E.K.I., αλλά όχι ρυθμιστικό διάλυμα!). Αν n1 = n, τότε θα έχουμε τελικά μόνο το CH3COOΗ, ενώ αν n1 < n θα εμφανίζονται στα προϊόντα η περίσσεια του HCl και το παραγόμενο CH3COOH (επίδραση κοινού ιόντος, αλλά όχι ρυθμιστικό διάλυμα!). mol NH 4 Cl + NaOH NH 3 + H O + NaCl Αρχικά n 1 n Μεταβολές n n n Τελικά n 1 n n 30

243 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ 5. Η ρυθμιστική δράση των διαλυμάτων που περιέχουν ΗΑ/Α Τα ιόντα CH3COO προέρχονται κυρίως από τη διάσταση του άλατος CH3COONa και όχι από τον ιοντισμό του CH3COOH, που είναι αμελητέος και γίνεται ακόμη μικρότερος λόγω Ε.Κ.Ι. Σε ρυθμιστικό διάλυμα CH 3 COOH - CH 3 COONa υπάρχει η ισορροπία: CH 3 COOH + Η Ο CH 3 COO + Η 3 Ο + Αν στο διάλυμα αυτό προσθέσουμε μικρή ποσότητα ισχυρού οξέος (π.χ. HCl), γίνεται η αντίδραση που περιγράφεται από την εξίσωση: CH 3 COO Na + + HCl CH 3 COOH + Na + Cl Αν η ποσότητα του HCl είναι σχετικά μικρή, δεσμεύεται από ισομοριακή ποσότητα CH 3 COONa που υπάρχει στο ρυθμιστικό σύστημα, παράγοντας επιπλέον ποσότητα CH 3 COOH. Έτσι, η [Η 3 Ο + ] δεν μεταβάλλεται σημαντικά και το ph παραμένει πρακτικά σταθερό. Ας φανταστούμε τώρα, ότι προσθέτουμε μικρή ποσότητα ισχυρής βάσης (π.χ. NaOH) στο αρχικό ρυθμιστικό διάλυμα. Στην περίπτωση αυτή «επεμβαίνει» το CH 3 COOH: CH 3 COOH + Na + OH CH 3 COO Na + + H O Με την αντίδραση αυτή δεσμεύονται τα ιόντα OH της ισχυρής βάσης, και το ph παραμένει πρακτικά σταθερό. 6. Η ρυθμιστική δράση των διαλυμάτων, που περιέχουν Β/ΒΗ + Τα ιόντα ΝH4 + προέρχονται (κυρίως) από τη διάσταση του άλατος ΝH4Cl και όχι από τον ιοντισμό της ΝH3, που είναι αμελητέος και γίνεται ακόμη μικρότερος από την Ε.Κ.Ι.. Έστω, π.χ. το ρυθμιστικό διάλυμα που προκύπτει με τη διάλυση ΝΗ 3 και NH 4 Cl στο νερό. Στο σύστημα αυτό έχει αποκατασταθεί η ισορροπία ασθενούς βάσης - συζυγούς οξέος: + ΝH 3 + Η O NH 4 + OH Με την προσθήκη μικρής ποσότητας ΗCl έχουμε την αντίδραση: ΝΗ 3 + HCl NH 4 + Cl Έτσι, το ισχυρό οξύ δεσμεύεται από μικρή ποσότητα της ασθενούς βάσης του ρυθμιστικού συστήματος, με αποτέλεσμα η μεταβολή στη [Η 3 Ο + ] να είναι ασήμαντη και το ph να παραμένει πρακτικά σταθερό. Στην περίπτωση της προσθήκης ισχυρής βάσης, π.χ. ΝaOH, «επεμβαίνει» το NH 4 Cl του ρυθμιστικού συστήματος: 31

244 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 NH 4 + Cl + Na + OH NH 3 + H O + Na + Cl Με την αντίδραση αυτή δεσμεύονται τα ιόντα OH της ισχυρής βάσης, οπότε η [Η 3 Ο + ] δεν μεταβάλλεται παρά ανεπαίσθητα και το ph παραμένει πρακτικά σταθερό. 7. Αραίωση ρυθμιστικού διαλύματος Σε ένα ρυθμιστικό διάλυμα το ph εξαρτάται από το λόγο c β /c ο και όχι από τις ακριβείς τιμές τους (εξίσωση Henderson - Hasselbalch). Έτσι, αραιώνοντας το ρυθμιστικό διάλυμα CH 3 COOH 1 M - CH 3 COONa 1 M (Δ 1 ) σε δεκαπλάσιο όγκο θα προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα (Δ ) CH 3 COOH 0,1 M - CH 3 COONa 0,1 M που θα έχει την ίδια τιμή ph με το Δ 1. Τα δύο αυτά διαλύματα, όμως, δεν έχουν την ίδια ρυθμιστική ικανότητα, καθώς η ίδια ποσότητα ενός οξέος ή βάσης όταν προστεθεί σε ίσους όγκους των Δ 1 και Δ επιφέρει μεγαλύτερη μεταβολή ph στο δεύτερο (στο πιο αραιό) από τα δύο ρυθμιστικά διαλύματα. Ρυθμιστική ικανότητα ενός ρυθμιστικού διαλύματος είναι η αντίστασή του στη μεταβολή του ph με την προσθήκη ποσοτήτων οξέων, βάσεων ή νερού. Η ρυθμιστική ικανότητα εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις c o και c β, καθώς όσο αυτές είναι μεγαλύτερες τόσο αυξάνει η ρυθμιστική ικανότητα. Γενικά, αν αραιώσουμε ένα ρυθμιστικό διάλυμα π.χ. σε 10πλάσιο όγκο το ph δε θα μεταβληθεί, καθώς οι συγκεντρώσεις c β και c ο θα υποδεκαπλασιαστούν, αλλά ο λόγος c β /c ο θα μείνει ο ίδιος. Σε πολύ μεγάλες αραιώσεις οι προσεγγίσεις (c ο x c ο και c β + x c β ) παύουν πια να ισχύουν, το διάλυμα χάνει τη ρυθμιστική του ικανότητα και το ph του τείνει σταδιακά στην τιμή 7. Ως ρυθμιστική ικανότητα ενός διαλύματος μπορεί να οριστεί ως ο αριθμός mol ενός ισχυρού οξέος ή μιας ισχυρής βάσης που όταν προστεθούν σε 1 L ρυθμιστικού διαλύματος θα επιφέρουν αλλαγή στην τιμή του ph κατά 1. Μην περιμένουμε ένα μπουκάλι ρυθμιστικού διαλύματος με ph = 9 να κάνει όλο το Αιγαίο να έχει ph = 9! Με την αραίωση του ρυθμιστικού διαλύματος CH 3 COOH - CH 3 COONa, o βαθμός ιοντισμού του CH 3 COOH αυξάνεται. Πράγματι, η συγκέντρωση του οξέος που ιοντίζεται παραμένει η ίδια (και ίση με τη [Η 3 Ο + ]), αλλά μειώνεται η αρχική συγκέντρωση του ο- ξέος, c o. 8. Χρήσεις ρυθμιστικών διαλυμάτων Τα ρυθμιστικά διαλύματα βρίσκουν πολλές εφαρμογές στην ιατρική, στην αναλυτική χημεία, στη βιολογία, στη φαρμακευτική, στις αγροκαλλιέργειες κτλ. Στην αναλυτική χημεία και στη βιοχημεία: Βαθμονόμηση phμέτρων, ποσοτικός προσδιορισμός ουσιών σε διάφορα δείγματα (ποσοτική ανάλυση) κτλ. Tα βιολογικά υ- γρά τόσο των ζώων όσο και των φυτών είναι συχνά ρυθμιστικά διαλύματα που ρυθμίζουν το ph σε συγκεκριμένο εύρος τιμών, η τυχόν απόκλιση από τις οποίες έχει δραματικά αποτελέσματα. Στη βιομηχανία: Πολλές χημικές και βιομηχανικές διεξάγονται με τη χρήση ρυθμιστικών διαλυμάτων καθώς απαιτούν τιμές ph σε ορισμένα όρια (βιολογικοί καθαρισμοί, παραγωγή χρωμάτων κτλ.). Στη φαρμακευτική: Πολλές ενδοφλέβιες ενέσεις περιέχουν ρυθμιστικά διαλύματα. 3

245 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ 1. Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος με απλή ανάμιξη των δύο συστατικών. Έστω ότι αναμιγνύουμε διάλυμα ΝΗ 3 c 1 (M) με διάλυμα NH 4 Cl c (M). Υπολογίζουμε, αρχικά, τις συγκεντρώσεις c o και c β των δύο συστατικών: Για τη ΝH 3 : Για το ΝH 4 Cl: c 1 V 1 = c β (V 1 + V ) c V = c o (V 1 + V ) Στην συνέχεια εφαρμόζουμε τη σχέση: c [ ΟΗ ] K b c β ο Ανάλογα, κατά την ανάμιξη διαλύματος HCOOH με διάλυμα HCOONa, έχουμε τα εξής: Ρ.Δ. V 1 +V V 1 + V HCOOH c o HCOOH c 1 HCOONa c HCOONa c β Για το HCOOH: Για το HCOONa: c 1 V 1 = c o (V 1 + V ) c V = c β (V 1 + V ) Στην συνέχεια εφαρμόζουμε τη σχέση: c [ H3O ] Ka c ο β Σημείωση: Αν το δεύτερο συστατικό προστίθεται χωρίς μεταβολή όγκου, τότε απλά υπολογίζουμε τη συγκέντρωσή του.. Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος με μερική εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση. Έστω π.χ. ότι αναμιγνύουμε διάλυμα CH 3 COOH c 1 M, όγκου V 1 με διάλυμα NaOH c M, όγκου V. 33

246 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 n 1 (CH 3 COOH) = c 1 V 1 n (NaOH) = c V (n < n 1 ) mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά n 1 n Μεταβολές n n n Τελικά n 1 n n Οι τελικές συγκεντρώσεις των συστατικών του ρυθμιστικού διαλύματος υπολογίζονται ως εξής: n1 n c1 V1 c V c o V V V V 1 1 c β n V V 1 c V V V Στη συνέχεια εφαρμόζουμε τη γνωστή σχέση: 1 Όταν το ρυθμιστικό διάλυμα παρασκευαστεί, εφαρμόζουμε την εξίσωση των ρυθμιστικών διαλυμάτων ή την Ε.Κ.Ι. c [ H3O ] Ka c ο β 3. Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος με ανάμιξη περίσσειας άλατος NaA και ι- σχυρού οξέος (ή άλατος ΒHCl και ισχυρής βάσης). Έστω π.χ. ότι αναμιγνύουμε διάλυμα CH 3 COOΝa c 1 M, όγκου V 1 με διάλυμα HCl c M, όγκου V. n 1 (CH 3 COONa) = c 1 V 1, n (HCl) = c V (n < n 1 ) mol CH 3 COΟNa + HCl CH 3 COOH + NaCl Αρχικά n 1 n Μεταβολές n n n 34 Τελικά n 1 n n

247 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ c o, V V 1 n c V V 1 V c β n1 n V V 1 c 1 V c 1 1 V V V Στο ρυθμιστικό διάλυμα που προκύπτει ισχύει η σχέση: c [ H3O ] Ka c ο β Στην περίπτωση που το ρυθμιστικό διάλυμα σχηματίζεται με την ανάμιξη περίσσειας ενός άλατος μίας ασθενούς βάσης (π.χ. NH 4 Cl) και μίας ισχυρής βάσης (π.χ. NaOH), η αντίδραση μπορεί να περιγραφεί με βάση την εξής εξίσωση: ΝΗ 4 Cl + NaOH NH 3 + NaCl + H O Και στην περίπτωση αυτή υπολογίζουμε στοιχειομετρικά τις ποσότητες και μετά τις συγκεντρώσεις των δύο συστατικών του ρυθμιστικού διαλύματος και στη συνέχεια υπολογίζουμε το ph του. 4. Τρόπος υπολογισμού του ph ρυθμιστικών διαλυμάτων μετά την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ισχυρών οξέων ή βάσεων Η στρατηγική της λύσης του προβλήματος υπολογισμού του ph ενός ρυθμιστικού διαλύματος, μετά την προσθήκη ισχυρών οξέων ή βάσεων συνοψίζεται ως εξής: α) Περίπτωση ρυθμιστικού διαλύματος του τύπου ΗΑ/Na + Α Προσθήκη ισχυρού οξέος, π.χ. HCl: Αντίδραση: NaΑ + HCl ΗΑ + NaCl Υπολογισμοί για τις νέες συγκεντρώσεις Εξίσωση ρυθμιστικών διαλυμάτων με τις νέες συγκεντρώσεις Προσθήκη ισχυρής βάσης, π.χ. ΝaOH: Αντίδραση: HA + NaOH NaΑ + H O Υπολογισμοί για τις νέες συγκεντρώσεις Εξίσωση ρυθμιστικών διαλυμάτων με τις νέες συγκεντρώσεις β) Περίπτωση ρυθμιστικού διαλύματος του τύπου Β/ΒΗ + Cl Προσθήκη ισχυρού οξέος, π.χ. HCl: Αντίδραση: Β + HCl ΒΗCl Υπολογισμοί για τις νέες συγκεντρώσεις Εξίσωση ρυθμιστικών διαλυμάτων με τις νέες συγκεντρώσεις Προσθήκη ισχυρής βάσης, π.χ. ΝaOH: Αντίδραση: ΒΗCl + NaΟΗ Β + NaCl + Η Ο Υπολογισμοί για τις νέες συγκεντρώσεις Εξίσωση ρυθμιστικών διαλυμάτων με τις νέες συγκεντρώσεις 35

248 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Διάλυμα (Δ 1 ) όγκου 1 L περιέχει 0,1 mol ΝΗ 3 και 0,1 mol ΝΗ 4 Cl. Στο διάλυμα διαβιβάζονται 0,01 mol αέριου HCl, χωρίς μεταβολή όγκου, οπότε προκύπτει νέο διάλυμα Δ. Αν K b (ΝΗ 3 ) = 10 5 να χαρακτηρίσετε τις παρακάτω προτάσεις ως σωστές ή λανθασμένες. Να αιτιολογηθούν οι απαντήσεις. θ=5 ο C. (1) Το διάλυμα Δ 1 χαρακτηρίζεται ως ρυθμιστικό () Το διάλυμα Δ 1 είναι βασικό και έχει ph = 9 (3) To διάλυμα Δ χαρακτηρίζεται ως ρυθμιστικό (4) Αν στο διάλυμα Δ 1 προσθέσουμε 0,1 mol NaOH(s) το ρυθμιστικό διάλυμα θα καταστραφεί και για το διάλυμα που θα προκύψει ισχύει: ph > 11. ΑΠΑΝΤΗΣΗ (1): Σωστή. Το ρυθμιστικό διάλυμα Δ 1 περιλαμβάνει το σύστημα ΝΗ 3 - ΝΗ 4 + (συζυγής βάση - συζυγές οξύ). (): Σωστή. Το ph του ρυθμιστικού διαλύματος Δ 1 υπολογίζεται από την εξίσωση Henderson - Hasselbalch: ph = pk a + log (c β /c o ) = 9 + log1 = 9 (3): Σωστή. Με την προσθήκη του HCl έχουμε την αντίδραση: mol ΝH 3 + ΗCl NH 4 Cl Αρχικά 0,1 0,01 0,1 Μεταβολές 0,01 0,01 0,01 Τελικά 0,09 0,11 ph pk a c log c Παρατηρούμε, δηλαδή, μικρή μείωση του ph. β o 0,09 9 log 8,91 0,11 Μην δίνεται σημασία στις πράξεις! (4): Σωστή. Με την προσθήκη του ΝaOH έχουμε την αντίδραση: mol NH 4 Cl + NaOH NH 3 + H O + NaCl Αρχικά 0,1 0,1 0,1 Μεταβολές 0,1 0,1 0,1 Τελικά 0, Το τελικό διάλυμα στην περίπτωση αυτή περιέχει μόνο την ΝΗ 3 0, Μ και όχι το άλας NH 4 Cl και επομένως δεν είναι ρυθμιστικό. Με βάση τη σταθερά K b και τον ιοντισμό της ΝΗ 3 βρίσκουμε ότι: [OH ] = 10 3 Μ, poh < 3, ph > 11 36

249 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Ένα... περίεργο ρυθμιστικό διάλυμα!. Ο βόρακας (Na B 4 O 7 10H O) είναι ένα ορυκτό που χρησιμοποιείται στο πλύσιμο των ρούχων και σε προϊόντα καθαρισμού, ώστε να ελέγχεται το ph. Όταν διαλύεται στο νερό ο βόρακας διασπάται σύμφωνα με την αντίδραση: Na B 4 O 7 10 H O Νa + + H 3 BO 3 + H BO 3 + 5H O Ποιο το ph του ρυθμιστικού διαλύματος που προκύπτει, αν προστεθούν 0,05 mol βόρακα σε 1 L νερού; Το βορικό οξύ (Η 3 ΒΟ 3 ) λειτουργεί ως ασθενές μονοπρωτικό οξύ με pk a = 9,14 στους 5 ο C. Να θεωρήσετε ότι ο όγκος του νερού δεν μεταβάλλεται ούτε από την προσθήκη του βόρακα, ούτε από την αντίδραση της διάσπασής του. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Υπολογίζουμε την αρχική συγκέντρωση του βόρακα: c = n V 0,05mol 0,05M 1L Na B 4 O 7.10 H O Νa + + H 3 BO 3 + H BO 3 + 5H O 0,05 Μ 0,1 Μ 0,1 Μ Τα δύο προϊόντα Η 3 ΒΟ 3 και H BO 3 αποτελούν ζεύγος συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης και επομένως συνιστούν ρυθμιστικό διάλυμα: ph pk a c log c β o 0,1 9,14 log 9,14 0,1 3. Το φωσφορικό οξύ είναι ένα ασθενές τριπρωτικό οξύ του οποίου οι διαδοχικές σταθερές ιοντισμού έχουν τιμές, Κ a1 = 7,1 10 3, Κ a = 6, και Κ a3 = 4, Ποια από τα παρακάτω συστήματα συζυγούς οξέος - βάσης είναι το καταλληλότερο για το σχηματισμό ρυθμιστικού διαλύματος με ph 7,4; A) Η 3 PO 4, H PO 4 B) Η 3 PO 4, HPO 4 Γ) H PO 4, HPO 4 Δ) Η 3 PO 4, PO 3 4 Να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Από τα παραπάνω συστήματα ρυθμιστικό διάλυμα σχηματίζουν τα συστήματα Η 3 PO 4 - H PO 4 και H PO 4 - HPO 4 που αποτελούνται από ένα οξύ και τη συζυγή του βάση (τα άλλα δύο συστήματα δεν αποτελούν ζεύγη συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης). Στο πρώτο από τα παραπάνω ρυθμιστικά διαλύματα, το συζυγές οξύ, Η 3 PO 4, έχει K a = 7, και επομένως pk a < 7. Στο δεύτερο ρυθμιστικό διάλυμα, το συζυγές οξύ, H PO 4, έχει K a = 6, < 10 7, και επομένως pk a > 7. Καθώς το ρυθμιστικό διάλυμα έχει ph στη «γειτονιά» του pk a, το σύστημα H PO 4, HPO 4 θα είναι το καταλληλότερο για να δώσει ph 7,4. 37

250 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4. Ρυθμιστικό διάλυμα προκύπτει με ανάμιξη 100 ml διαλύματος ΗCOOH 0,3 Μ και 100 ml διαλύματος NaOH 0, Μ. Δεύτερο ρυθμιστικό διάλυμα παρασκευάζεται με ανάμιξη 100 ml NH 3 0,3 Μ και 100 ml HCl 0, Μ. Να υπολογιστεί το ph των δύο ρυθμιστικών διαλυμάτων. Δίνονται: Κ a (HCOOH) = 10 4, K b (NH 3 ) = 10 5, K w = ΛΥΣΗ 1ο ρυθμιστικό διάλυμα: n(hcooh) = 0,1 0,3 = 0,03 mol, n(naoh) = 0,1 0, = 0,0 mol Mol HCOΟΗ + ΝaOΗ HCOONa + Η Ο Αρχικά 0,03 0,0 Μεταβολές 0,0 0,0 0,0 Τελικά 0,01 0,0 Υπολογίζουμε τις τελικές συγκεντρώσεις: Για το HCOOH: Για το HCOONa: 0,01 0,0 c o = = 0,05M c 0,1 M 0, β = = 0, Στην συνέχεια εφαρμόζουμε γνωστή σχέση των ρυθμιστικών διαλυμάτων: cο 4 0,05 4 [H3O ] Ka M, c 0,1 ph = log10 4 = 4 β ο ρυθμιστικό διάλυμα: n(nh 3 ) = 0,1 0,3 = 0,03 mol, n(hcl) = 0,1 0, = 0,0 mol Mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0,03 0,0 Μεταβολές 0,0 0,0 0,0 Τελικά 0,01 0,0 Υπολογίζουμε τις τελικές συγκεντρώσεις: Για την ΝH 3 : Για το ΝH 4 Cl: c β 0,01 0,0 0,05M c ο 0,1M 0, 0, c 0,05 β 5 5 [OΗ ] Kb M cο 0,1 pοh = log10 5 = 5, ph = 14 5 = 9 38

251 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ 5. Πόσα ml διαλύματος HCl 1 Μ πρέπει να προστεθούν σε 1 L διαλύματος ΝΗ 3 0,1 Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 9; Για τη ΝΗ 3 : K b = K w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ Με την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων έχουμε αντίδραση (εξουδετέρωση). Έστω V ο όγκος του διαλύματος το HCl (σε L). n(νη 3 ) = 0,1 1 = 0,1 mol, n(ηcl) = 1 V = V mol Με τέτοιου είδους διερευνήσεις της σύστασης ενός διαλύματος με βάση το ph του θα ασχοληθούμε στην τελευταία ενότητα του κεφαλαίου. Για να προκύψει διάλυμα με ph = 9 θα πρέπει να έχουμε περίσσεια ΝΗ 3 και να γιατί: + Αν n(nh 3 ) = n(hcl), θα έχουμε μόνο ΝΗ 4 Cl, που λόγω υδρόλυσης των ΝΗ 4 θα δώσει ph < 7. Αν n(nh 3 ) < n(hcl), θα έχουμε περίσσεια ΗCl και ΝΗ 4 Cl, οπότε πάλι ph < 7. Αν n(nh 3 ) > n(hcl), θα έχουμε ρυθμιστικό διάλυμα. mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0,1 V Μεταβολές V V V Τελικά 0,1 V V Το ρυθμιστικό διάλυμα που προκύπτει περιέχει: NH 3, με συγκέντρωση c β = (0,1 V) / (1 + V) (1) ΝΗ 4 Cl, με συγκέντρωση c αλ = c o = V / (1 + V) () Με βάση την εξίσωση Henderson - Hasselbalch, έχουμε: 0,1 V cβ 9 phpk 1 V a log log10 log c V o 1 V 0,1 V 0,1 V 9 9 log, 1, V 0,05 L 50mL V V 6. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος που προκύπτει με την προσθήκη 300 ml ΝΗ 4 Cl 0,3 Μ σε 150 ml NaOH 0,3 M. Για την ΝΗ 3 : K b = K w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ Mε την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων έχουμε αντίδραση (διπλής αντικατάστασης) που οδηγεί σε ρυθμιστικό διάλυμα, καθώς η ασθενής βάση είναι σε περίσσεια. n(νη 4 Cl) = 0,3 0,3 = 0,09 mol, n(naoh) = 0,3 0,15 =0,045 mol mol NH 4 Cl + NaOH NH 3 + H O + NaCl Αρχικά 0,09 0,045 Μεταβολές 0,045 0,045 0,045 Τελικά 0,045 0,045 39

252 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 c αλ = c ο = [OΗ ] 10 0,045 0,45 0,045 0,1 M, c β = 0,1 M 0,45 0,1 10 0,1 5 5 poh = 5, ph = 14 5 = 9 M Σημείωση: Θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε το ph του ρυθμιστικού διαλύματος και από την εξίσωση Henderson - Hasselbalch: K a (ΝΗ 4 + ) = /10 5 = 10 9 ph = pk a + log c c β o = log log1 = ,6 g HCOOH διαλύονται σε νερό σχηματίζοντας διάλυμα Δ 1 όγκου 100 ml. Στο διάλυμα Δ 1 προστίθενται 6,8 g ΗCOONa, χωρίς μεταβολή όγκου, οπότε προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα Δ. α) Να υπολογιστούν τα ph των διαλυμάτων Δ 1 και Δ. β) Πόσα mol στερεού ΝaOH πρέπει να διαλυθούν σε όλη την ποσότητα του διαλύματος Δ ώστε το ph του να μεταβληθεί κατά 1; Κ a (HCOOH) = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Μ r (HCOOH) = 46, Μ r (HCOONa) = 68. Στη πράξη προτιμάμε τις εξισώσεις με τη [Η3Ο + ] ή τη [ΟΗ ] γιατί οι πράξεις είναι συνήθως πιο απλές! ΛΥΣΗ α) To διάλυμα Δ 1 περιέχει ΗCOOH σε συγκέντρωση: m 4,6 n 0,1 mol n 0,1 mol, c 1 M M 46 V 0,1 L r mol/l HCOOH + H O H 3 O + + HCOO Ισορροπία 1 x x x Θεωρούμε την προσέγγιση: 1 x 1 M. Από την έκφραση της K a προκύπτει (κατά τα γνωστά): 4 [H 3 O + ] = K c M, ph = log 10 = a Με την προσθήκη του ΗCOONa προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα. Υπολογίζοντας την αρχική συγκέντρωση του ΗCOONa και εφαρμόζουμε την εξίσωση των ρυθμιστικών διαλυμάτων: m 6,8 n 0,1 mol n 0,1 mol, c 1 M M 68 V 0,1 L r ph pk a c log c β o 4 log1 4 log1 4 40

253 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ β) Έστω ότι προσθέσαμε ω mol ΝaOH και το νέο ph είναι ίσο με 5. Λόγω της προσθήκης της βάσης το ph αυξήθηκε αλλά παρέμεινε όξινο. Αυτό σημαίνει ότι όλη η ποσότητα του NaOH που προσθέσαμε αντέδρασε και μάλιστα περίσσεψε ποσότητα HCOOH. Γιατί; Αν ω = 0,1 mol, στο τελικό διάλυμα θα είχαμε μόνο HCOONa και το τελικό διάλυμα θα ήταν βασικό (γιατί;). Αν ω > 0,1 mol, στο τελικό διάλυμα θα είχαμε το παραγόμενο HCOONa και την περίσσεια του ΝaOH. Το τελικό διάλυμα θα ήταν επίσης βασικό. mol HCOΟΗ + ΝaOΗ HCOONa + Η Ο Αρχικά 0,1 ω 0,1 Μεταβολές ω ω ω Τελικά 0,1 ω ω 0,1 ω 0,1 ω HCOONa: c β =, HCOOH: c o = 0,1 0,1 Επομένως, με βάση την εξίσωση για το παραπάνω ρυθμιστικό διάλυμα: co 4 0,1 ω [H3O ] Ka 10, ω c 0,1 ω β 9 mol Διαθέτουμε αρχικά διάλυμα CH 3 COOH 0,1 Μ (διάλυμα Δ 1 ), καθώς και διάλυμα ΝaOH 0,1 M (διάλυμα Δ ). Σε 100 ml διαλύματος Δ 1 προστίθεται ποσότητα CH 3 COONa(s), οπότε προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα Δ 3, του οποίου το ph διαφέρει από το ph του Δ 1 κατά δύο μονάδες. Σε άλλα 100 ml του Δ 1 ποσότητα του διαλύματος Δ, οπότε προκύπτει νέο ρυθμιστικό διάλυμα (διάλυμα Δ 4 ) με το ίδιο ph με το διάλυμα Δ 3. α) Ποιο το ph του διαλύματος Δ 1 ; β) Ποια η ποσότητα (σε mol) του CΗ 3 COONa που προστέθηκε στο Δ 1 ; γ) Ποιος όγκος διαλύματος Δ χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή του Δ 4 ; Για το CH 3 COOH: Κ a = Η μεταβολή του όγκου του διαλύματος με την προσθήκη του CH 3 COONa(s) να θεωρηθεί αμελητέα. Να θεωρηθούν σε όλες τις περιπτώσεις οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. ΛΥΣΗ α) Για το διάλυμα Δ 1 : mol/l CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Ισορροπία 0,1 x x x Θεωρούμε την προσέγγιση: 0,1 x 0,1 Μ. Από την έκφραση της σταθεράς ιοντισμού του CH 3 COOH, έχουμε: x 10 5, x = [H 3 O + ] = 10 3 M, ph = log 10 3 = 3 0,1 41

254 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Με την προσθήκη του CH 3 COONa στο διάλυμα, η [H 3 O + ] μειώνεται, λόγω της επίδρασης κοινού ιόντος και το ph του (ρυθμιστικού πια) διαλύματος θα γίνει 3 + = 5. Έστω n τα mol του CH 3 COONa που προστίθενται. H συγκέντρωση του άλατος θα είναι: n c (1) V Από τη γνωστή εξίσωση των ρυθμιστικών διαλυμάτων, προκύπτει: [H O ] K 3 a c c o β, ,1, c c 0,1M Τέλος, από τη σχέση (1), προκύπτει: n = 0,1 0,1 = 0,01 mol γ) Με την προσθήκη έστω V (L) διαλύματος Δ στο Δ 1 έχουμε την αντίδραση εξουδετέρωσης: mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά 0,01 0,1 V Μεταβολές 0,1 V 0,1 V n Τελικά 0,01 0,1 V n c o 0,01 0,1 V (), 0,1 V c [ H3O ] Ka c o β, c β 0,1 V (3) 0,1 V 5 5 c c o β, c o = c β (4) Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις () και (3) στην (4) προκύπτει: V = 0,05 L = 50 ml 9. Ένα ρυθμιστικό διάλυμα παρασκευάζεται με τη διάλυση 0,3 mol ΝΗ 3 και 0,3 mol ΝΗ 4 Cl σε νερό, ώστε να σχηματιστεί διάλυμα όγκου 1 L. α) Ποιο το ph ρυθμιστικού διαλύματος; β) Πως θα μεταβληθεί το ph με την προσθήκη 0,1 mol NaOH; γ) Πως θα μεταβληθεί το ph με την προσθήκη 0,1 mol HCl στο αρχικό ρυθμιστικό διάλυμα; H σταθερά ιοντισμού της ΝH 3 να θεωρηθεί ίση με Κ b = Κ w = Η μεταβολή του όγκου με την προσθήκη του NaOH και του HCl να θεωρηθεί αμελητέα. log = 0,3. ΛΥΣΗ α) Το ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει ΝΗ 4 Cl σε συγκέντρωση 0,3 Μ και ΝH 3 σε συγκέντρωση επίσης 0,3 Μ. Με βάση την εξίσωση Henderson - Hasselbalch προκύπτει: ph pk a c log c β o 0,3 9 log 9 log 1 9 0,3 β) Θα λύσουμε το πρόβλημα σε δύο βήματα, σύμφωνα με το διάγραμμα εργασίας: Βήμα 1ο: Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί. Τα ιόντα ΟΗ από το NaOH εξουδετερώνονται από το NH 4 + του ρυθμιστικού διαλύματος, σύμφωνα με την αντίδραση: 4

255 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ mol NH 4 Cl + NaOH NH 3 + H O + NaCl Αρχικά 0,3 0,1 0,3 Μεταβολές 0,1 0,1 0,1 Τελικά 0, 0,4 Τα δύο συστατικά NH 3 και NH 4 Cl του νέου ρυθμιστικού διαλύματος βρίσκονται σε συγκεντρώσεις, αντίστοιχα, 0,4 Μ και 0, Μ (V = 1 L). Βήμα ο: Υπολογισμός νέου ph. Προκύπτει πάλι το ζεύγος ΝΗ 3 - ΝΗ 4 Cl του ρυθμιστικού διαλύματος. Με βάση την εξίσωση Henderson - Hasselbalch έχουμε: c β 0,4 ph pk a log 9 log 9 log 9,3 c o 0, γ) Βήμα 1ο: Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί. Τα ιόντα Η 3 Ο +, που προέρχονται από τον πλήρη ιοντισμό του HCl καταναλώνονται πλήρως, αντιδρώντας με την ασθενή βάση (ΝΗ 3 ) του ρυθμιστικού συστήματος: mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0,3 0,1 0,3 Μεταβολές 0,1 0,1 0,1 Τελικά 0, 0,4 Βήμα ο: Υπολογισμός νέου ph. Το τελικό διάλυμα είναι πάλι ρυθμιστικό: cβ 0, ph pka log 9 log 9 log 8,7 c 0,4 o Όταν σε ένα διάλυμα προσθέτουμε μία άλλη ουσία ή διάλυμα αναρωτιέμαι έχω αντίδραση ή υπολογίζω τις τελικές συγκεντρώσεις μετά την ανάμιξη 10. [ΜΕ ΥΠΟΔΕΙΞΗ] Δίνονται τα παρακάτω διαλύματα: Διάλυμα Δ 1 υδροχλωρικού οξέος (ΗCl) συγκέντρωσης 0,1 Μ και διάλυμα Δ αμμωνίας (ΝΗ 3 ) συγκέντρωσης 0,4 Μ. Να υπολογίσετε: α) Το ph του διαλύματος Δ 1, β) Τη [ΟΗ ] στο διάλυμα Δ, γ) Tο ph του διαλύματος Δ 3 που προκύπτει με την ανάμιξη 00 ml του Δ 1 με 100 ml του Δ. Δίνονται: Κ w = και Κ b (ΝΗ 3 ) = [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] ΛΥΣΗ Τι λέτε; Θα τα καταφέρετε μόνοι σας με βάση την υπόδειξη που ακολουθεί; α) Το ΗCl είναι ισχυρό οξύ. Μία εξίσωση ιοντισμού και τέλος [ph = 1] β) Η ΝΗ 3 είναι ασθενής βάση (δίνεται και το K b ). Εξίσωση ιοντισμού, συγκεντρώσεις μετά την ιοντισμό, έλεγχος ισχύος προσέγγισης, θεώρηση της K b, υπολογισμός ΟΗ [ 10 3 Μ] γ) Εδώ τα πράγματα δε θα τελειώσουν τόσο εύκολα. Πρόκειται για αντίδραση εξουδετέρωσης, αλλά στην οποία η ΝΗ 3 είναι σε περίσσεια και έχουμε σχηματισμό ρυθμιστικού διαλύματος. Υπολογίζουμε τα mol της ΝΗ 3 στα 00 ml του Δ 1 και τα mol του HCl στα 100 ml του Δ. Γράφουμε την εξίσωση της εξουδετέρωσης και υπολογίζουμε τις ποσότητες της ΝΗ 3 και του NH 4 Cl που υπάρχουν τελικά στο Δ 3. Από τις συγκεντρώσεις των σωμάτων αυτών και την εξίσωση [ph = 9]. 43

256 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά). ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Για νέους λύτες Ποιά από τις ουσίες ή μίγματα που ακολουθούν σχηματίζει ρυθμιστικό διάλυμα, όταν διαλυθεί σε νερό; Α) ΝΗ 3 Β) HCl - NaCl Γ) CH 3 COOH - ΝH 4 Cl Δ) ΝH 3 - ΝH 4 Cl 11.. Η συγκέντρωση των Η 3 Ο + σε ρυθμιστικό διάλυμα που παρασκευάζεται με τη διάλυση σε νερό ενός ασθενούς οξέος ΗΑ και του άλατός NaΑ δίνεται από τη σχέση (c o η συγκέντρωση του οξέος και c αλ = c β του άλατος): Α) [Η 3 Ο + ] = K a c β Β) [Η 3 Ο + ] = K a c ο Γ) [Η 3 Ο + ] = K a (c β + c o ) Δ) [Η 3 Ο + ] = K a (c o /c β ) Ε) [Η 3 Ο + ] = K a (c β /c ο ) Ποιο από τα παρακάτω συζυγή ζεύγη οξέος - βάσης κατά Brönsted - Lowry μπορεί να αποτελέσει ρυθμιστικό διάλυμα στο νερό; Α) HCl - Cl Β) HNO 3 - NO 3 Γ) HClO 4 - ClΟ 4 Δ) HF - F Ποιο από τα παρακάτω ζεύγη αποτελεί ρυθμιστικό διάλυμα; A) HCl και KCl B) NaOH και NaCl Γ) HNO και NaNO Δ) HNO 3 και NH 4 NO Σε καθένα από τα παρακάτω διαλύματα όγκου 1 L διαβιβάζεται ποσότητα αερίου HCl ίση με 0,01 mol, χωρίς μεταβολή όγκου. Σε ποιο διάλυμα προβλέπετε να παρατηρηθεί η μικρότερη μεταβολή του ph; Α) NaOH 10 M Β) HCl 10 4 M Γ) HF 1 M, NaF 1 M Δ) HF 10 4 M Ποιο από τα παρακάτω ισχύει για κάθε ρυθμιστικό διάλυμα; Α) Διατηρεί το ph πρακτικά σταθερό, παρά την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ισχυρού οξέος ή βάσης Β) Διατηρεί το ph σταθερό ίσο με 7 Γ) Διατηρεί το ph σταθερό ακόμη και με την προσθήκη απεριόριστων ποσοτήτων ισχυρού οξέος ή βάσης Δ) Παρασκευάζεται μόνο με μερική εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ασθενή βάση Κατά τη προσθήκη μικρής (αλλά όχι ασήμαντης) ποσότητας HCl σε υδατικό διάλυμα HCOOH - HCOONa το ph δε μεταβάλλεται σημαντικά διότι: Α) η ποσότητα του HCl που προστίθεται είναι μικρή Β) μειώνεται η σταθερά Κ a του HCOOH Γ) τα ιόντα Η 3 Ο + που προκύπτουν από τον ιοντισμό του HCl δεσμεύονται από τα ΗCΟΟ του διαλύματος Δ) το HCl δεν ιοντίζεται στο διάλυμα αυτό Κατά την αραίωση ρυθμιστικού διαλύματος με ph = 5 με ίσο όγκο νερού, το ph: Α) αυξάνεται Β) μειώνεται Γ) μεταβάλλεται, ανάλογα με το είδος των διαλυμένων ουσιών Δ) δε μεταβάλλεται Ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει ασθενές οξύ ΗΑ και άλας του NaA σε ίσες συγκεντρώσεις. Το ph του διαλύματος είναι ίσο με: Α) logk a Β) logk a Γ) 7 Δ) logk b Σε ένα ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 7 προσθέτουμε μικρή ποσότητα NH 4 Cl, ώστε να μην επηρεαστεί η τιμή του ph. Στο διάλυμα αυτό ο λόγος [NH 3 ] / [NH 4+ ] έχει τιμή ίση με: A) 1 B) 0,01 Γ) 10 Δ) 100 Κ b (NH 3 ) = Κ w = θ=5 ο C Αναμειγνύουμε 100 ml διαλύματος CH 3 COOH 0,1 Μ με διάλυμα NaOH 0,1 Μ. Ποιος ο όγκος του διαλύματος του NaOH, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα; Α) 100 ml Β) 50 ml Γ) 00 ml Δ) 1000 ml Ποια από τα ακόλουθα διαγράμματα μπορεί να παριστάνει τη σχέση μεταξύ του ph ενός ρυθμιστικού διαλύματος με ph = 5 και του όγκου ενός διαλύματος NaOH 0,01 Μ που του προστίθεται συνεχώς; ph A) ph Β) Με ποιον από τους παρακάτω τρόπους δεν είναι ποτέ δυνατόν να παρασκευαστεί ρυθμιστικό διάλυμα; Α) Με μερική εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση Β) Με μερική εξουδετέρωση ασθενούς βάσης από ισχυρό οξύ Γ) Με επίδραση περίσσειας ΗCl σε διάλυμα CH 3 COONa Δ) Με ανάμιξη διαλυμάτων, ένα ασθενούς οξέος και ένα του άλατος του οξέος αυτού με ισχυρή βάση ph V(NaOH) Γ) V(NaOH) ph V(NaOH) Δ) V(NaOH) 44

257 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Σε 100 ml διαλύματος HCl συγκέντρωσης c προσθέτουμε 100 ml διαλύματος NH 3 0,1 Μ. Σε ποια περίπτωση θα σχηματιστεί ρυθμιστικό διάλυμα; Α) Όταν c = 0,1 M Β) Όταν c = 0, M Γ) Όταν c = 0,05 M Δ) Σε καμία από τις παραπάνω περιπτώσεις Ποιος συνδυασμός ίσων όγκων των παρακάτω διαλυμάτων θα οδηγήσει με ανάμειξη σε ρυθμιστικό διάλυμα; I. 0,1 M HCl και 0,1 M NH 3 II. 0,1 M HNO και 0,05 M NaOH III. 0,05 M HNO και 0,05 NH 3 A) I, μόνο B) II, μόνο Γ) I και III, μόνο Δ) II και III, μόνο Ποιες από τις προτάσεις Ι - ΙV είναι σωστές για τα ρυθμιστικά διαλύματα: I. Περιέχουν ένα ισχυρό οξύ και τη συζυγή του βάση II. Περιέχουν ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση III. Η σταθερά pk a πρέπει να είναι όσο το δυνατόν εγγύτερα στην επιθυμητή περιοχή ph IV. Τα ρυθμιστικά διαλύματα με μικρότερες συγκεντρώσεις έχουν καλύτερη ρυθμιστική ικανότητα Α) Μόνο η πρόταση I είναι σωστή Β) Σωστές είναι οι προτάσεις II και IV Γ) Σωστές είναι οι προτάσεις II και III Δ) Σωστές είναι οι προτάσεις II, III και IV Με την προσθήκη στερεού ΝaΑ σε διάλυμα οξέος HA, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος, το ph: Α) μειώνεται Β) αυξάνεται Γ) μένει σταθερό αν το ΗΑ είναι ισχυρό οξύ και αυξάνεται αν το ΗΑ είναι ασθενές Δ) μένει πρακτικά σταθερό, καθώς προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λανθασμένες. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. Α) Με την προσθήκη στερεού NH 4 Cl σε υδατικό διάλυμα NH 3, με σταθερή θερμοκρασία και χωρίς μεταβολή όγκου, η τιμή του ph του διαλύματος αυξάνεται. Β) Όσο και αν αραιωθεί ένα ρυθμιστικό διάλυμα, το ph του παραμένει σταθερό. Γ) Αν αντιδράσει διάλυμα οξικού οξέος (CH 3 COOH) 0,1 Μ µε περίσσεια διαλύματος υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ) 0,1 Μ, το διάλυμα που προκύπτει είναι ρυθμιστικό. Δ) Τα ρυθμιστικά διαλύματα διατηρούν το ph τους πρακτικά σταθερό, όταν προστίθενται σε αυτά μικρές αλλά υπολογίσιμες ποσότητες ισχυρών οξέων ή βάσεων. Ε) Το διάλυμα που περιέχει CH 3 COONa και NaOH είναι ρυθμιστικό. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Ρυθμιστικό διάλυμα όγκου 1 L περιέχει CH 3 COOH 0,1 M και CH 3 COONa 0,1 Μ. Στο διάλυμα προστίθεται 0,1 mol στερεού NaOH. Να εξετάσετε αν το διάλυμα που προκύπτει: α) Είναι ή όχι ρυθμιστικό. β) Είναι όξινο, βασικό ή ουδέτερο Διάλυμα περιέχει NH 3 και ΝΗ 4 Cl σε ίσες συγκεντρώσεις. Να δείξετε ότι το ph του διαλύματος δίνεται από τη σχέση ph = 14 + logk b, όπου K b η σταθερά ιοντισμού της NH 3. Κ w = Διάλυμα CH 3 COOH έχει c = 0, Μ και V = 100 ml (διάλυμα Υ). Ποια από τα διαλύματα που ακολουθούν μπορούμε να προσθέσουμε σε όλη την ποσότητα του Υ, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα; Ι. ΝaOH 0, M, 100 ml ΙΙ. NaOH 0,1 M, 100 ml ΙΙΙ. CH 3 COOΝa 0,1 M, 100 ml ΙV. CH 3 COONa 0,1 M, 00 ml V. ΗCl 0,1 Μ, 100 ml 11.. Να εξηγήσετε τη δράση ενός ρυθμιστικού διαλύματος που περιέχει το σύστημα CH 3 COOH/CH 3 COONa και στο οποίο προσθέτουμε μικρές αλλά όχι ασήμαντες ποσότητες, i. HCl(g) και ii. NaOH(s) Σε ποια-ες από τις παρακάτω τρεις αναμίξεις σχηματίζεται ρυθμιστικό διάλυμα; Nα εξηγήσετε τις απαντήσεις σας. Α) 100 ml διαλύματος CΗ 3 CΟΟΗ 1 M με 5 ml διαλύματος NaOH Μ. Β) 100 ml διαλύματος HCl 1 M με 00 ml διαλύματος KCl Μ. Γ) 100 ml διαλύματος ΝΗ 4 Cl 0,1 Μ με 100 ml διαλύματος ΝaOH 0,1 Μ α) Σε 100 ml διαλύματος H S 0,1 Μ προσθέτουμε 0,01 mol του άλατος ΝaΗS, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Να εξετάσετε αν το διάλυμα που προκύπτει είναι ρυθμιστικό. β) Να εξηγήσετε γιατί αν διαλύσουμε στο νερό τα άλατα ΝaH PO 4 και Νa HPO 4 προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα. ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ α) Ρυθμιστικό διάλυμα αποτελείται από CH 3 COOH 0,1 Μ και CH 3 COONa 0, Μ. Ποιο το ph του διαλύματος; Κ a (CH 3 COOH) = β) Διάλυμα περιέχει ΝΗ 3 0,1 Μ και ΝΗ 4 Cl 0, Μ. Ποιο το ph διαλύματος; Κ b (ΝΗ 3 ) = θ=5 ο C. K w = α) Ποιο είναι το ph ρυθμιστικού διαλύματος που περιέχει γαλακτικό οξύ σε συγκέντρωση 0,1 Μ και γαλακτικό νάτριο σε συγκέντρωση 0,1 Μ; Το γαλακτικό οξύ είναι ασθενές μονοπρωτικό οξύ (ΗΑ) με K a = β) Διάλυμα περιέχει CH 3 NH σε συγκέντρωση 0,05 M και CH 3 NH 3 Cl σε συγκέντρωση 0, M. Ποιο το ph του διαλύματος; K b (CH 3 NH ) = K w =

258 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Διάλυμα περιέχει C 6 H 5 COOH (βενζοϊκό οξύ) σε συγκέντρωση 0, Μ και C 6 H 5 COONa σε συγκέντρωση c, έχει δε ph = 4. Να υπολογιστεί η τιμή της συγκέντρωσης c. Για το C 6 H 5 COOH: Κ a = 6, Το αίμα είναι ένα ρυθμιστικό διάλυμα που μεταξύ άλλων, ρυθμίζεται από το σύστημα HCO 3 /H CO 3. α) Ποιος ο λόγος [HCO 3 ]/[H CO 3 ] στο αίμα που έχει ph 7,4 ([H 3 O + ] ); β) Ποια η τιμή του ίδιου λόγου σ ένα κουρασμένο μαραθωνοδρόμο του οποίου το ph στο αίμα έχει τιμή 7,1 ([H 3 O + ] ); Για το H CO 3 η τιμή της σταθεράς (του πρώτου) ιοντισμού να θεωρηθεί ίση με Πόσα mol NH 4 Cl(s) πρέπει να προστεθούν σε ένα διάλυμα ΝΗ 3 0,1 Μ, όγκου L, ώστε να σχηματιστεί ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 9; Κατά την προσθήκη του NH 4 Cl δεν αλλάζει ο όγκος του διαλύματος. Κ b (NH 3 ) = 1, K w = Ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση c 1 και το άλας ΚΑ σε συγκέντρωση c, ενώ παρουσιάζει ph ίσο με 5. Ποια η τιμή του λόγου c 1 /c ; Για το ΗΑ: Κ a = Διάλυμα CH 3 COOK 0, Μ όγκου 400 ml αναμιγνύεται με ένα άλλο διάλυμα CH 3 COOH 0,4 Μ όγκου 100 ml και προκύπτει διάλυμα (Δ) όγκου 500 ml. Ποιο το ph του διαλύματος Δ; Για το CH 3 COOH: Κ a = Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμιχθούν δύο διαλύματα, ένα ΝΗ 4 Cl 0,4 Μ και ένα ΝΗ 3 0, Μ, ώστε το διάλυμα που θα προκύψει να έχει ph = 9; Κ b (NH 3 ) = K w = Πόσα g (NH 4 ) SO 4 πρέπει να διαλυθούν σε 100 ml διαλύματος ΝΗ 3 0,5 Μ, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να παραχθεί ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 9; Να θεωρηθεί ότι το ιόν SO 4 δεν υδρολύεται. K b (ΝΗ 3 ) = θ=5 ο C Πόσα ml διαλύματος ΝΗ 4 Cl 1 Μ και πόσα ml διαλύματος ΝΗ 3 με pη = 11,5 πρέπει να αναμιχθούν, ώστε να προκύψουν 500 ml διαλύματος με ph = 9; Κ b (ΝΗ 3 ) = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Για καλούς λύτες Σε όγκο V ml διαλύματος HCl 1 Μ προστίθεται η απαιτούμενη για την εξουδετέρωση ποσότητα της ασθενούς βάσης Β, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Στο διάλυμα που προκύπτει προστίθενται επιπλέον V/ ml διαλύματος NaOH 1 Μ και προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 8. Ποια η τιμή της σταθεράς ιοντισμού της ασθενούς βάσης Β; Κ w = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα ΝΗ 3 παρασκευάζεται με την διάλυση 896 ml αέριας ΝΗ 3 (σε STP) σε νερό και αραίωση μέχρι τελικού όγκου 400 ml (διάλυμα Δ 1 ). Διάλυμα HCl παρασκευάζεται με τη διάλυση 0,73 g HCl σε νερό και αραίωση μέχρι τελικού όγκου 00 ml (διάλυμα Δ ). Τα δύο διαλύματα αναμειγνύονται οπότε προκύπτει νέο διάλυμα Δ 3. Να υπολογιστούν τα ph των τριών διαλυμάτων Δ 1, Δ και Δ 3. Κ b (NH 3 ) = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ w = Πόσα g στερεού NH 4 Cl πρέπει να προσθέσουμε σε 400 ml διαλύματος NH 3 0,1 Μ, ώστε το ph του να μεταβληθεί κατά 1; Nα θεωρήσετε ότι με την προσθήκη NH 4 Cl δεν μεταβάλλεται ο όγκος του διαλύματος. Κ b (NH 3 ) = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ w = Σε 300 ml διαλύματος NH 4 Cl M προσθέτουμε 00 ml διαλύματος KOH 1 M. α) Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος (Δ) που σχηματίζεται. β) Αν το διάλυμα (Δ) αραιωθεί με νερό σε τελικό όγκο 1 L, ποια μεταβολή θα παρουσιάσει το ph; Κ b (ΝΗ 3 ) = Κ w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Αναμειγνύουμε 1 L διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ 4 Μ με ph = 4 με 1 L διαλύματος ΚΑ, οπότε προκύπτει διάλυμα με ph = 8. Ποια η αρχική συγκέντρωση του διαλύματος του ΚΑ; Κ w = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Διαθέτουμε 1 L διαλύματος ΝΗ 3 1 Μ. Ποια η μάζα ΗΝΟ 3 που πρέπει να προστεθεί στο διάλυμα αυτό, χωρίς ουσιαστική μεταβολή στον όγκο του, ώστε να παρασκευαστεί ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 10; Κ b (ΝΗ 3 ) = Κ w = Σε κάποιο πείραμα χρειαζόμαστε ρυθμιστικό διάλυμα με ph μεταξύ 4 και 5. Διαθέτοντας 500 ml διαλύματος CH 3 COOH με ph =,5, ποια η ελάχιστη και ποια η μέγιστη μάζα CH 3 COONa(s) που πρέπει να του προσθέσουμε, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα στην επιθυμητή περιοχή ph; Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. Για το CH 3 COOH: Κ a = Διαθέτουμε διάλυμα (Δ 1 ) NH 3 0,05 Μ όγκου 1 L με ph = 11. Στο διάλυμα Δ 1 προσθέτουμε ποσότητα NH 4 Cl(s), και προκύπτει νέο διάλυμα (Δ ) όγκου 1 L με ph = 8. α) Ποια η ποσότητα (σε mol) του NH 4 Cl; β) Πόσα mol ΝΗ 3 (g) πρέπει να διαλυθούν επιπλέον σε όλη την ποσότητα του Δ, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να προκύψει διάλυμα (Δ 3 ) με ph = 9; Κ w = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις.

259 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Ρυθμιστικό διάλυμα (Δ) περιέχει το ΗΑ 0,5 Μ και NaΑ 1 Μ. α) i. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος. ii. 100 ml του διαλύματος (Δ) αραιώνονται με νερό μέχρι τελικού όγκου 1 L. Ποιο το ph του διαλύματος που προκύπτει; β) Στο αραιωμένο διάλυμα προσθέτουμε 37,8 g του άλατος NaΑ, χωρίς μεταβολή όγκου και το ph μεταβάλλεται κατά 1. Να υπολογιστεί η σχετική «μοριακή» μάζα του άλατος NaΑ. Για το ΗΑ: Κ a = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 C Διάλυμα NH 3 έχει ph = 11,5 και όγκο 00 ml (διάλυμα Δ 1 ). Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε ποσότητα διαλύματος HNO 3 Μ (διάλυμα Δ ) και προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα (Δ 3 ) με ph = 9. Να υπολογιστεί ο όγκος του διαλύματος του HNO 3 που προσθέσαμε. Κ b (ΝΗ 3 ) = Κ w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 C. Για δυνατούς λύτες Διαθέτουμε τρία υδατικά διαλύματα 1, και 3, τα οποία έχουν όλα την ίδια συγκέντρωση. Το 1 περιέχει HCl και έχει ph = 1. Το περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ και έχει ph = 3. Το 3 περιέχει το άλας ΝaΑ. Να υπολογίσετε: α) Τη συγκέντρωση των 3 διαλυμάτων καθώς και τη σταθερά ιοντισμού Κ a του οξέος ΗΑ. β) Το ph του διαλύματος 3. γ) Πόσα ml του διαλύματος 1 πρέπει να προσθέσουμε σε 00 ml του διαλύματος 3, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 5. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται στους 5 ο C όπου Κ w = Να γίνουν όλες οι προσεγγίσεις που επιτρέπονται από τα αριθμητικά δεδομένα του προβλήματος. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Διάλυμα Α περιέχει ΝΗ 3 0,1 Μ και ΝΗ 4 Cl 0,1 Μ και έχει ph = 9. α) Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς Κ b της ΝΗ 3. β) Σε 400 ml του διαλύματος Α προσθέτουμε 400 ml διαλύματος NaOH 0,1 M και προκύπτει διάλυμα Β. Να υπολογιστεί το ph του. γ) Σε 400 ml του διαλύματος Α προσθέτουμε 400 ml διαλύματος ΗCl 0,1 M και προκύπτει διάλυμα Γ. Να υπολογιστεί το ph του. Δίνεται ότι όλα τα διαλύματα βρίσκονται στους 5 ο C όπου Κ w = Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Διάλυμα (Δ 1 ) περιέχει την ασθενή βάση Β 0,1 Μ και το άλας της ΒΗCl 0,01 M. Ένα άλλο διάλυμα (Δ ) περιέχει τα ίδια συστατικά σε συγκεντρώσεις 0,1 Μ και 1 Μ, αντίστοιχα. α) i. Να δείξετε ότι τα ph των δύο διαλυμάτων διαφέρουν κατά. ii. Για το διάλυμα Δ 1 προσδιορίσαμε ότι ph = 8. Να υπολογίσετε την τιμή της σταθεράς K b της βάσης Β. β) Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμείξουμε τα διαλύματα Δ 1 και Δ ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 7; γ) Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμείξουμε το διάλυμα Δ με διάλυμα ΝaΟΗ 0,1 Μ ώστε να προκύψει πάλι ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 7; Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. Κ w = θ=5 ο C Σε δύο διαφορετικά δοχεία περιέχονται τα υδατικά διαλύματα 1 : CH 3 COOH 0,1 M και : CH 3 COOΝa 0,01 Μ. Να υπολογίσετε: α) Το ph καθενός από τα παραπάνω διαλύματα. β) Το ph του διαλύματος 3 που προκύπτει από την ανάμιξη ίσων όγκων από τα διαλύματα 1 και. γ) Την αναλογία όγκων με την οποία θα πρέπει να αναμίξουμε το διάλυμα 1 με διάλυμα NaΟΗ 0, Μ, έτσι ώστε να προκύψει διάλυμα 4 στο οποίο να ισχύει: ph = 4. Δίνονται οι σταθερές: Κ a (CH 3 COOH) = 10 5, Κ w = Να γίνουν όλες οι προσεγγίσεις που επιτρέπονται από τα αριθμητικά δεδομένα του προβλήματος. θ=5 C. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Διαθέτουμε αρχικά δύο διαλύματα, ένα διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ 4 Μ (διάλυμα Δ 1 ) και ένα διάλυμα του άλατος ΝaΑ,5 Μ (διάλυμα Δ ). α) i. Nα υπολογιστεί το ph του Δ 1. ii. Να υπολογιστεί το ph του Δ. β) Ρυθμιστικό διάλυμα παρασκευάζεται με ανάμιξη 100 ml διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ 4 Μ με 80 ml διαλύματος NaΑ,5 Μ. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε 40 ml διαλύματος HCl Μ και αραιώνουμε με νερό σε τελικό όγκο L. Ποιο το ph του τελικού διαλύματος; Κ a (ΗΑ) =, Για όλα τα διαλύματα θ= 5 ο C και ι- σχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διαθέτουμε τα διαλύματα Δ 1, Δ. Διάλυμα Δ 1 : CH 3 COOH, 1 Μ, 1 L. Διάλυμα Δ : CH 3 COOΝa, 1 Μ, 1 L. α) Ποιο το ph του Δ 1 ; β) Πόσα L νερού πρέπει να προστεθούν στο διάλυμα Δ, ώστε το ph του να μεταβληθεί κατά 0,5; γ) Τα δύο διαλύματα αναμιγνύονται, οπότε προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα Δ 3. Πόσα mol NaOH πρέπει να προσθέσουμε στο Δ 3, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να μεταβληθεί το ph κατά 1; Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. Κ a (CH 3 COOH) = 10 5 Μ. θ = 5 ο C Διαθέτουμε διάλυμα Δ 1 ΝΗ 3 0,1 Μ, όγκου 500 ml και διάλυμα Δ ΝΗ 4 Cl 0, M, όγκου 15 ml. α) Ποιο το ph του Δ 1 ; β) Στο διάλυμα Δ προσθέτουμε 375 ml νερού, οπότε προκύπτει νέο διάλυμα Δ 3. Να υπολογιστεί ο λόγος των βαθμών ιοντισμού του ιόντος ΝΗ 4 + στο Δ και στο Δ 3. 47

260 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 γ) Ποιος είναι ο μέγιστος όγκος ρυθμιστικού διαλύματος με ph = 9 που μπορούμε να παρασκευάσουμε διαθέτοντας μόνο τις παραπάνω ποσότητες των Δ 1 και Δ 3 ; Για την ΝΗ 3 : K b = Να θεωρήσετε τις γνωστές παραδοχές. θ=5 ο C Διάλυμα έχει όγκο 1 L και περιέχει 0,85 g NH 3 και 3,3 g (NH 4 ) SO 4. α) Ποιο το ph του διαλύματος; β) Πόσα g NaOH πρέπει να προστεθούν στο παραπάνω διάλυμα, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος, ώστε το ph του νέου ρυθμιστικού διαλύματος που θα προκύψει να είναι ίσο με 10; γ) Πόσα mol HCl πρέπει να προστεθούν στο αρχικό διάλυμα, χωρίς αισθητή μεταβολή του όγκου του διαλύματος, ώστε το ph να γίνει ίσο με 8; Να θεωρηθεί ότι το ιόν SO 4 δεν υδρολύεται. K b (NH 3 ) = K w = Έχουμε τα διαλύματα Δ 1 και Δ. Δ 1 : Διάλυμα CH 3 COOH 0,4 M. Δ : Διάλυμα NaOH 0, M. α) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του CH 3 COOH στο διάλυμα Δ 1 ; β) Πόσα ml διαλύματος Δ 1 και πόσα ml διαλύματος Δ απαιτούνται για την παρασκευή 1 L ρυθμιστικού διαλύματος Δ 3 με ph = 5; γ) Το ρυθμιστικό διάλυμα Δ 3 αραιώνεται σε τελικό όγκο 5 L, οπότε προκύπτει νέο διάλυμα Δ 4. Για το διάλυμα αυτό να προσδιοριστούν: i. Tο ph. ii. O βαθμός ιοντισμού (α) του CH 3 COOH. Για το CH 3 COOH, K a = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Θέλουμε να παρασκευάσουμε ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 5. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε διάλυμα Δ 1 CH 3 COOH 1 Μ και διάλυμα Δ CH 3 COONa 0,5 M. α) Να υπολογίσετε τους όγκους των Δ 1 και Δ που απαιτούνται για την παρασκευή 1,5 L ρυθμιστικού διαλύματος Δ με ph = 5. β) Μπορούμε να αντικαταστήσουμε το διάλυμα Δ με ένα διάλυμα Δ 3 NaOH 1 Μ. Να υπολογίσετε τους όγκους των Δ 1 και Δ 3 που απαιτούνται για την παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος Δ όγκου 1,5 L με ph = 5. γ) Σε ποσότητα όγκου V του παραπάνω ρυθμιστικού διαλύματος Δ προσθέτουμε 0,3 mol HCl, χωρίς μεταβολή ό- γκου, οπότε το ph του ρυθμιστικού διαλύματος (Δ 4 ) που προέκυψε βρέθηκε ίσο με 4. Να υπολογίσετε τον όγκο V. Κ a (CH 3 COOH) = Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C Διάλυμα CH 3 COOH (Δ 1 ) έχει συγκέντρωση c και ph = 3. Η σταθερά ιοντισμού του οξέος CH 3 COOH έχει τιμή Κ a = α) Να υπολογίσετε τη c και το βαθμό ιοντισμού α του οξέος στο διάλυμα Δ 1. β) Να υπολογίσετε τον αριθμό των mol CH 3 COONa(s) που πρέπει να διαλυθούν σε L του διαλύματος Δ 1, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα (Δ ), με ph = 6. γ) Σε 400 ml του διαλύματος Δ 1 διαλύονται 0,04 mol στερεού NaOH χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος και προκύπτει διάλυμα Δ 3. Ποιο το ph του διαλύματος Δ 3 ; Να ληφθούν υπόψη οι γνωστές προσεγγίσεις που επιτρέπονται από τα δεδομένα του προβλήματος. θ=5 ο C. Κ w = [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Διαθέτουμε διάλυμα (Δ 1 ) του ασθενούς οξέος ΗΑ όγκου 0 ml με ph =,5. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε ποσότητα διαλύματος ΚOH 0,1 M (Δ ), οπότε προκύπτει νέο διάλυμα (Δ 3 ) με ph = 4. α) Να δείξετε ότι το Δ 3 είναι ρυθμιστικό διάλυμα και να υπολογίσετε τον όγκο του. β) Σε όλη την ποσότητα του Δ 3 προσθέτουμε επιπλέον ό- γκο V από το διάλυμα Δ και το νέο διάλυμα (Δ 4 ) που σχηματίζεται έχει ph = 5. Ποιος ο όγκος του διαλύματος Δ που προσθέσαμε; γ) Σε όλη τη ποσότητα του Δ 4 προσθέτουμε επιπλέον 1,1 L του Δ. Να δείξετε ότι το τελικό διάλυμα (Δ 5 ) που προκύπτει δεν είναι πλέον ρυθμιστικό και να εκτιμήσετε αν το ph του είναι όξινο ή βασικό, αναγράφοντας μόνο τις κατάλληλες χημικές εξισώσεις. K a (ΗΑ) = θ=5 ο C. Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις Διαθέτουμε 500 ml διαλύματος οξικού οξέος (CH 3 COOH) 0,05 Μ με ph = 3 (διάλυμα Δ 1 ). α) Να προσδιορίσετε την τιμή της σταθεράς ιοντισμού του CH 3 COOH, καθώς και το βαθμό ιοντισμού του οξέος στο διάλυμα Δ 1. β) Σε όλη την ποσότητα του Δ 1 διαλύουμε 0,3 g μεταλλικού Mg, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Παίρνουμε 100 ml από το διάλυμα που προκύπτει (διάλυμα Δ ) και το αραιώνουμε με Η Ο μέχρις όγκου 50 ml (διάλυμα Δ 3 ). Να υπολογίσετε: i. Τον όγκο του αερίου που εκλύεται σε STP κατά την προσθήκη του μεταλλικού Μg. ii. Το ph του διαλύματος Δ 3. γ) Πόσα mol HCl(g) πρέπει να διαλυθούν στα υπόλοιπα 400 ml του Δ, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 5; θ=5 ο C. K w = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα ΗCOOH (Δ 1 ) έχει όγκο 400 ml. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε x mol NaOH και προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα (Δ ) στο οποίο η [Η 3 Ο + ] είναι ίση με 10 4 Μ. Στο διάλυμα Δ προσθέτουμε 0,06 mol NaOH και προκύπτει επίσης ρυθμιστικό διάλυμα στο οποίο η [Η 3 Ο + ] είναι ίση με Μ. Να υπολογιστούν: α) H ποσότητα του NaOH (x mol) που προστέθηκε στο διάλυμα Δ 1. β) Tο ph του διαλύματος Δ 1. Με την προσθήκη NaOH δεν μεταβάλλεται ο όγκος των διαλυμάτων. Κ a (ΗCOOH) = 10 4, K w = θ=5 ο C.

261 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Με την προσθήκη 1 mol στερεού NaOH σε υδατικό διάλυμα CH 3 COOH (διάλυμα Δ 1 ) παρασκευάστηκε διάλυμα Δ όγκου 1 L με ph = 5. α) i. Να αποδείξετε ότι το διάλυμα Δ είναι ρυθμιστικό και να προσδιορίσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος Δ 1. ii. Σε 1 ml του διαλύματος Δ προσθέτουμε νερό μέχρι ο τελικός όγκος να γίνει ίσος με 1 L (διάλυμα Δ 3 ). Ποιο το ph του Δ 3, με την προϋπόθεση ότι ισχύουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις; β) Στο διάλυμα Δ 3 προσθέτουμε συνεχώς νερό, υπό συνεχή ανάδευση, παρακολουθώντας συνεχώς το ph. Παρατηρήσαμε τα εξής: Όταν είχαμε προσθέσει 100 L νερού το ph είχε τιμή 5,5, ενώ όταν προσθέσαμε 1000 L νερού το ph είχε τιμή 6,5. i. Να ερμηνεύσετε τις μεταβολές του ph για τις διάφορες τιμές του όγκου του διαλύματος. Ποια η οριακή τιμή του ph με τη συνεχή προσθήκη νερού; ii. Με τη συνεχή προσθήκη νερού στο Δ το ph γίνεται ίσο με 6. Ποια η τιμή του λόγου [CH 3 COO ]/[CH 3 COOH] στην περίπτωση αυτή; γ) Πόσα mol NaOH(s) έπρεπε να είχαμε προσθέσει στο διάλυμα Δ 1 ώστε να προέκυπτε διάλυμα Δ 4 όγκου 1 L με [Η 3 Ο + ] = 10 5 Μ; Δίνεται η σταθερά ιοντισμού του CH 3 COOH ίση με θ=5 ο C. Με την προσθήκη του στερεού NaOH δεν αλλάζει ο όγκος του διαλύματος. ΕΙΔΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ,5 mol NaH PO 4 και 0,5 mol Na ΗPO 4 διαλύονται σε νερό, οπότε προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα Δ 1 όγκου 500 ml. α) Να υπολογίσετε το ph του. β) Να υπολογίσετε το ph ενός άλλου διαλύματος Δ όγκου 500 ml που προκύπτει με τη διάλυση 0,05 mol NaOH σε διάλυμα Na ΗPO 4 0, Μ όγκου 500 ml. Δίνονται οι σταθερές: pk a (Η PO 4 ) = 7,1 και pk a (HPO 4 ) = 1,3. θ=5 ο C Ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει το ασθενές μονοπρωτικό οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση c ο και το άλας του ΝaA σε συγκέντρωση c β. Σε 1 L του διαλύματος αυτού προσθέτουμε n mol ΗCl, χωρίς μεταβολή όγκου και προκύπτει νέο ρυθμιστικό διάλυμα στο οποίο το ph έχει μεταβληθεί κατά μία μονάδα. Να αποδειχθεί η σχέση: 9c ocβ n 10c c ο β 49

262 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Χημεία και τέρατα: «Το αίμα ως ρυθμιστικό διάλυμα!» Ένα από τα χαρακτηριστικά του αίματος είναι η διατήρηση του κατάλληλου ph, που εξασφαλίζει την υγεία του οργανισμού, αλλά και την ίδια τη ζωή. Η δράση για παράδειγμα των ενζύμων εξαρτάται δραστικά από την τιμή του ph του αίματος, του οποίου η κανονική τιμή είναι περίπου 7,4 (7,40 0,05). Σημαντικές επιπλοκές και αρρώστιες μπορούν να εκδηλωθούν αν το ph του αίματος μεταβληθεί έστω και κατά δέκατα της μονάδας. Μεταξύ αυτών είναι το φαινόμενο της οξέωσης, μία κατάσταση κατά την οποία το ph του αίματος πέφτει κάτω από το κανονικό, που έχει ως αποτέλεσμα καρδιακή ανεπάρκεια, ανεπάρκεια νεφρών, διαβήτη κτλ. Επίμονη και έντονη άσκηση μπορεί, ωστόσο να επιφέρει επίσης πρόσκαιρη οξέωση. Από την άλλη μεριά, η αύξηση του ph στο αίμα μπορεί να επιφέρει ζαλάδες, εμετούς (αλκάλωση). Το αίμα του ανθρώπου παρουσιάζει υψηλή ρυθμιστική ικανότητα. Έτσι, π.χ. η προσθήκη 0,01 mol HCl σε 1 L αίματος χαμηλώνει το ph μόνο από το 7,4 στο 7,. Το ίδιο ποσό HCl αν προστεθεί σε 1 L μη ρυθμιστικού διαλύματος, π.χ. διαλύματος NaCl χαμηλώνει το ph από το 7 στο. Πολλά συστήματα συντελούν στον έλεγχο του ph στο αίμα. Το πιο σημαντικό είναι το σύστημα HCO 3 /H CO 3. Οι αντιδράσεις που γίνονται στο αίμα και επηρεάζουν το λόγο [HCO 3 ]/[H CO 3 ] είναι: CO (g) + H O H CO 3 + H O H CO 3 (aq) H 3 O + + HCO 3 K a1 = Το CO μπαίνει στην κυκλοφορία του αίματος στους ιστούς ως παραπροϊόν του μεταβολισμού. Στους πνεύμονες το CO (g) ανταλλάσσεται με το Ο (g), που στη συνέχεια μεταφέρεται σε όλο το σώμα με τη βοήθεια του αίματος. [Αν και το διοξείδιο του άνθρακα (CO (g)) μετατρέπεται μερικά μόνο σε ανθρακικό οξύ με τη διάλυσή του στο νερό, στην παραπάνω εξίσωση η μετατροπή φαίνεται πλήρης, όπως συνήθως θεωρούμε. Επίσης, αν και το ανθρακικό οξύ είναι διπρωτικό οξύ, θεωρούμε μόνο την πρώτη του διάσταση, καθώς η δεύτερη είναι αμελητέα] Στο παραπάνω ρυθμιστικό σύστημα HCO 3 /H CO 3, το HCO 3 παίζει το ρόλο της συζυγούς βάσης (εξουδετερώνοντας τα οξέα), ενώ το H CO 3 παίζει το ρόλο του οξέος (αντιδρώντας με βάσεις). Η ρυθμιστική ικανότητα του αίματος δεν εξαρτάται μόνο από το παραπάνω σύστημα. Υπάρχουν και άλλα ρυθμιστικά συστήματα, που κρατούν το ph στο 7,4, όπως το σύστημα των φωσφορικών (Η ΡΟ 4 / ΗΡΟ 4 ), καθώς και διάφορες πρωτεΐνες του πλάσματος. 50

263 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 11 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-9 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (3x9 = 7 μονάδες). 1. Ποιο από τα παρακάτω συστήματα, αν συνδυαστεί κατάλληλα οδηγεί στο σχηματισμό ρυθμιστικού διαλύματος; A) HCl και NaOH B) HNO και NaNO 3 Γ) H SO 4 και KHSO 4 Δ) HF και NaOH. Ποιο από τα παρακάτω συζυγή ζεύγη οξέος - βάσης κατά Brönsted - Lowry μπορεί να αποτελέσει ρυθμιστικό διάλυμα στο νερό; Α) HCl / Cl Β) HClO 4 / ClO 3 Γ) HCl / NaOH Δ) HNO / NO 3. Αναμιγνύουμε ένα διάλυμα ΝH 3 0,1 M όγκου V 1 µε ένα διάλυμα ΗCl 0,1 M όγκου V. Για να παρασκευαστεί ρυθμιστικό διάλυμα η σχέση των όγκων V 1 και V πρέπει να είναι: Α) V 1 = V Β) V 1 > V Γ) V 1 < V Δ) V 1 V 4. Η συγκέντρωση των OH σε ένα ρυθμιστικό διάλυμα που παρασκευάζεται με ταυτόχρονη διάλυση σε νερό NH 3 και NH 4 Cl δίνεται από τη σχέση (c β η συγκέντρωση της ΝΗ 3 και c ο του άλατος): Α) [OH ] = K b c β Β) [OH ] = K b c ο Γ) [OH ] = K b (c ο + c β ) Δ) [OH ] = K b (c β /c ο ) 5. Διαθέτουμε 500 ml υδατικού διαλύματος CΗ 3 COOH 1 Μ. Ποιο από τα παρακάτω σώματα μπορούμε να προσθέσουμε χωρίς σημαντική μεταβολή όγκου του διαλύματος ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα; Α) 0,5 mol NaOH Β) 0, mol KBr Γ 0, mol KOH Δ) 0,6 mol NaOH 6. Με την προσθήκη σημαντικής (όχι μικρής) ποσότητας στερεού KOH σε υδατικό ρυθμιστικό διάλυμα NH 3 - NH 4 Cl, θερμοκρασίας 5 ο C η τιμή του ph του τελικού διαλύματος: Α) γίνεται μεγαλύτερη Β) γίνεται ίση με 7 Γ) παραμένει σταθερή Δ) γίνεται μικρότερη [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 7. Το καλύτερο ρυθμιστικό διάλυμα για ένα συγκεκριμένο ζεύγος ΗΑ/Α είναι αυτό στο οποίο ισχύει ph = pk a. Με βάση το δεδομένο αυτό, ποια από τις βάσεις που ακολουθούν θα είναι η καταλληλότερη για την παρασκευή ενός ρυθμιστικού διαλύματος με ph = 9; A) ΝΗ 3 (K b = 10 5 ) B) C 6 H 5 NH (K b = ) Γ) CH 3 NH (K b = 10 4 ) Δ) C 5 H 5 N (K b = 10 9 ) 8. Διάλυμα περιέχει 0,3 Μ ΗClΟ και 0,01 M ΝaClΟ. Αν η σταθερά ιοντισμού του ΗClΟ έχει τιμή ίση με 3, 10 8, το διάλυμα έχει pη: Α) μικρότερο του 7 Β) ίσο με 7 Γ) μεγαλύτερο του 7 Δ) ίσο με 8 9. Σε 1 L καθενός από τα ακόλουθα υδατικά διαλύματα προστίθεται 0,01 mol HCl. Σε ποια περίπτωση θα παρατηρηθεί η μικρότερη μεταβολή του ph; Α) NaOH 10 M Β) HCl 10 M Γ) HF 1 M και NaF 1 M Δ) ΗF 0,01M και NaF 0,01 M Ε) ΗF 0,1M και NaF 0,01 M 10. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λανθασμένες. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. 9 μονάδες i. Διάλυμα που περιέχει σε ίσες συγκεντρώσεις HCl και ΚCl είναι ρυθμιστικό. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] ii. Ένα ρυθμιστικό διάλυµα που περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ και τη συζυγή βάση του Α με συγκεντρώσεις [ΗΑ] και [Α ] αντίστοιχα, για τις οποίες ισχύει [ΗΑ] = 10 [Α ], θα έχει ph = pk a + 1, όπου Κ a είναι η σταθερά ιοντισμού του οξέος. iii. Με την προσθήκη ποσότητας ΗCΟΟΚ(s) σε διάλυμα HCOOH, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος και της θερμοκρασίας, το ph δεν μεταβάλλεται σημαντικά. 51

264 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 11. Σε θερμοκρασία 5 C, παρασκευάζουμε τα παρακάτω έξι υδατικά διαλύματα, τα οποία σημειώνονται με τα γράμματα A έως Ζ: A. HCl(aq) B. NH 3 (aq) Γ. Ισομοριακό μίγμα NH 3 (aq) και NH 4 Cl(aq) Δ. NaOH(aq) E. Ισομοριακό μίγμα HCOOH(aq) και HCOONa(aq) Ζ. HCOOH(aq) Η συγκέντρωση όλων των αντιδραστηρίων είναι ίδια σε όλες τις περιπτώσεις. Η σταθερά ιοντισμού της ΝΗ 3 είναι K b = 10 5 και η σταθερά ιοντισμού του HCOOH είναι Κ a = α) Χωρίς να κάνετε αναλυτικούς υπολογισμούς, να κατατάξετε τα διαλύματα αυτά κατ αυξανόμενη τιμή του ph. β) Η προσθήκη μίας μικρής ποσότητας NaOH(s), στο διάλυμα E μεταβάλλει το ph του από 4 σε 4,1. Η προσθήκη της ίδιας ποσότητας NaOH(s) στον ίδιο όγκο καθαρού νερού μεταβάλλει το ph του από 7 σε 1. Χωρίς να κάνετε υπολογισμούς, να εξηγήσετε αυτή τη διαφορά. Να γράψετε την εξίσωση της αντίδραση που έλαβε χώρα με την προσθήκη του NaOH(s) στο διάλυμα Ε. 4 μονάδες 1. Δίνονται τρία υδατικά διαλύματα ΝΗ 3, HCl, NH 4 Cl. α) Πώς μπορείτε να παρασκευάσετε ρυθμιστικό διάλυμα με δυο διαφορετικούς τρόπους, χρησιμοποιώντας δύο μόνο από τα διαλύματα κάθε φορά. β) Να γράψετε τη σχέση που εκφράζει την [ΟΗ ] του ρυθμιστικού διαλύματος σε συνάρτηση με τη σταθερά K b της βάσης και τις συγκεντρώσεις (c ο, c β ) των ουσιών του διαλύματος. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 6 μονάδες 13. Διαθέτουμε υδατικό διάλυμα CH 3 COONa με ph = 9. Πόσα mol αερίου HCl πρέπει να διαλύσουμε σε 00 ml από το διάλυμα αυτό, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 5; Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ a (CH 3 COOH) = θ=5 ο C. 9 μονάδες 5

265 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ 14. Δίνονται δύο διαλύματα 1 και. Το 1 περιέχει ΝaΟΗ 1 M. Το περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ 0,5 M με ph =,5. α) Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος 1 και τη σταθερά ιοντισμού του οξέος ΗΑ. β) Αναμιγνύουμε 0,1 L του διαλύματος 1 με 0, L του διαλύματος και αραιώνουμε με νερό, οπότε προκύπτει διάλυμα 3 όγκου 0,5 L. Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος 3. γ) Αναμιγνύουμε 0, L του διαλύματος 1 με 0,6 L του διαλύματος, οπότε προκύπτει διάλυμα 4 όγκου 0,8 L. Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος 4. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θ = 5 ο C, όπου Κ w = Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 5 μονάδες 53

266 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 15. Διάλυμα CH 3 NH (Δ 1 ) έχει όγκο 1 L. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε x mol HCl και προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα (Δ ) στο οποίο η [OH ] είναι ίση με Μ. Στο διάλυμα Δ προσθέτουμε 0,06 mol HCl και προκύπτει επίσης ρυθμιστικό διάλυμα στο οποίο η [OH ] είναι ίση με 1, Μ. Να υπολογιστούν: α) η ποσότητα του HCl (x mol) που προστέθηκε στο διάλυμα Δ 1, και β) το ph του διαλύματος Δ 1. Με την προσθήκη HCl δεν μεταβάλλεται ο όγκος των διαλυμάτων. Κ b (CH 3 NH ) = , K w = θ=5 ο C. 0 μονάδες 54

267 1 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Τι είναι οι πρωτολυτικοί δείκτες; Η φαινολοφθαλεΐνη (C0H14O4) είναι ένα ασθενές μονοπρωτικό οξύ με Ka = 10 9,5 που λειτουργεί ως δείκτης ΗΔ. Σε υδατικά διαλύματα με ph < 8 εμφανίζεται άχρωμη, ενώ σε ph > 10 έ- ντονα ροζ (κόκκινη). Οι πρωτολυτικοί ή ηλεκτρολυτικοί δείκτες είναι πολύπλοκης δομής ασθενή οργανικά ο- ξέα (ή βάσεις) των οποίων το χρώμα εξαρτάται από το ph του διαλύματος στο οποίο προστίθενται. Ο διαφορετικός χρωματισμός οφείλεται στο ότι είτε μόνο μία από τις δύο συζυγείς μορφές του δείκτη απορροφά στο ορατό, είτε απορροφούν και οι δύο, αλλά σε διαφορετικά μήκη κύματος (διαφορετικές περιοχές στην ορατή περιοχή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας). Ας δούμε ένα παράδειγμα. Σε υδατικό διάλυμα HCl προσθέτουμε σταγόνες υδατικού διαλύματος φαινολοφθαλεΐνης και παρατηρούμε ότι το διάλυμα είναι άχρωμο. Αν ό- μως προσθέσουμε σταγόνες φαινολοφθαλεΐνης σε διάλυμα NaOH το διάλυμα θα γίνει αμέσως κόκκινο! Τι έχει συμβεί; Η φαινολοφθαλεΐνη είναι ασθενές οξύ και στα υδατικά της διαλύματα ιοντίζεται σύμφωνα με την εξίσωση (την παριστάνουμε με ΗΔ, για χάρη απλότητας): ΗΔ + Η Ο Δ + Η 3 Ο + Με την προσθήκη της φαινολοφθαλεΐνης σε διάλυμα HCl η ισορροπία ιοντισμού του δείκτη μετατοπίζεται προς τα αριστερά όπου επικρατούν τα μόρια που δεν έχουν ιοντιστεί (ΗΔ) και τα οποία είναι άχρωμα: Σημειώστε ότι η ποσότητα του δείκτη είναι τόσο πολύ μικρή, που δεν επηρεάζει το ph του διαλύματος στο οποίο προστίθεται. ΗCl + Η Ο Cl + Η 3 Ο + ΗΔ + Η Ο Δ + Η 3 Ο + Le Châtelier Όταν όμως στη συνέχεια προσθέσουμε ποσότητα NaOH η ισορροπία ιοντισμού του δείκτη πηγαίνει προς τα δεξιά, οπότε επικρατεί η ανιοντική της μορφή (Δ ) και το διάλυμα εμφανίζεται κόκκινο.. Περιοχή χρωματικής αλλαγής ενός πρωτολυτικού δείκτη Είδαμε ότι σε υδατικό διάλυμα ενός πρωτολυτικού δείκτη ΗΔ αποκαθίσταται ισορροπία της μορφής, [Δ ] [H O ] ΗΔ + Η Ο Δ + Η 3 Ο + 3, Ka(ΗΔ) (1) [ΗΔ] 55

268 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Από την εξίσωση (1), προκύπτει: [Δ ] logka(ηδ) log[h O 3 ] log, logka(ηδ) log[h3o [ΗΔ] [Δ ] pka(ηδ) ph log, [ΗΔ] [Δ ] ph pka(ηδ) log [HΔ] [Δ ] ] log [ΗΔ] Εμπειρικά έχει βρεθεί ότι ισχύει: [HΔ] Όταν: 10, επικρατεί το χρώμα των μορίων του ΗΔ (όξινο χρώμα) [Δ ] [Δ ] Όταν: 10, επικρατεί το χρώμα των ιόντων Δ (βασικό χρώμα) [ΗΔ] Από την έκφραση για την Κ a (ΗΔ) του δείκτη ΗΔ, προκύπτει: Επομένως, το όξινο χρώμα θα υπερτερεί όταν: [H3O ] 10, log[h3o ] logka(hδ) 1, K (ΗΔ) a [HΔ] [Δ ] ph pka(hδ) 1 Με ανάλογο τρόπο αποδεικνύουμε ότι το βασικό χρώμα υπερτερεί όταν: ph > pκ a (ΗΔ) + 1 Συνοπτικά: [H3O ] K (ΗΔ) a Το κυανού της βρωμοθυμόλης είναι ένα ασθενές οργανικό οξύ, που λειτουργεί επίσης ως δείκτης (pkaηδ = 7,3). Σε ph < 6 είναι κίτρινο (όξινο χρώμα), ενώ σε ph > 8 εμφανίζεται μπλε. Σε τιμές ph μεταξύ 6 και 8 επέρχεται η χρωματική αλλαγή και ο δείκτης παίρνει ενδιάμεσους χρωματισμούς (πρασινωπό). Προσοχή! Το ph δεν αντιστοιχεί στα Η3Ο + που παράγονται από το δείκτη (αυτά είναι αμελητέα, συνήθως), αλλά από το διάλυμα, πριν την προσθήκη του δείκτη. Η μετάβαση από το ένα χρώμα του δείκτη στο άλλο γίνεται, θεωρητικά, σε δύο μονάδες της κλίμακας ph, δηλαδή μία μονάδα εκατέρωθεν του pkaηδ του δείκτη. Η μετάβαση αυτή δεν είναι απότομη, αλλά βαθμιαία, με εμφάνιση μικτών χρωμάτων ενδιάμεσα. Σχήμα 1: Περιοχή αλλαγής χρώματος ενός τυπικού δείκτη ΗΔ. 3. Ποιες οι χρήσεις των δεικτών; Οι πρωτολυτικοί δείκτες βρίσκουν τη μεγαλύτερή εφαρμογή τους στον προσεγγιστικό υπολογισμό της τιμής του ph ενός υδατικού διαλύματος (χρωματομετρική μέθοδος). Με βάση το χρώμα που παίρνει το διάλυμα με το δείκτη μπορούμε να καταλάβουμε απλά, αν το ph ενός διαλύματος είναι μικρότερο από την τιμή pk a (HΔ) 1 (όξινο χρώμα), μεγαλύτερο από την τιμή pk a (HΔ) + 1 (βασικό χρώμα) ή τέλος αν βρίσκεται μεταξύ των δύο αυτών τιμών (ενδιάμεσο χρώμα). Με συνδυασμό, όμως, διαφόρων δεικτών μπορούμε να πάρουμε πιο «στενές» περιοχές της τιμής του ph. Οι πρωτολυτικοί δείκτες χρησιμοποιούνται επίσης για τον προσδιορισμό του τελικού σημείου στις ογκομετρήσεις εξουδετέρωσης που θα δούμε στη συνέχεια. Οι δείκτες καθορίζουν μία περιοχή ph και όχι αν ένα διάλυμα είναι όξινο ή βασικό. Ο ακριβής προσδιορισμός της τιμής του ph γίνεται με το πεχάμετρο με τη βοήθεια ειδικού βαθμονομημένου ηλεκτροδίου που απλά βυθίζεται στο διάλυμα. Ο προσεγγιστικός υπολογισμός του ph υδατικού διαλύματος γίνεται με τη βοήθεια πεχαμετρικού χαρτιού που εμβαπτίζεται στο υπό εξέταση διάλυμα οπότε χρωματίζεται χαρακτηριστικά, ανάλογα με το ph του διαλύματος. 56

269 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ 4. Γενικά για τις ογκομετρικές αναλύσεις Ογκομέτρηση είναι η διαδικασία ποσοτικού προσδιορισμού μιας ουσίας με μέτρηση του όγκου διαλύματος επακριβώς γνωστής συγκέντρωσης (πρότυπου διαλύματος) που απαιτείται για την πλήρη αντίδραση με την αρχική ουσία. Στις ογκομετρήσεις, για τον προσδιορισμό μιας ουσίας χρησιμοποιούμε αντιδραστήρια γνωστής συγκέντρωσης (με ακρίβεια), τα λεγόμενα πρότυπα διαλύματα. Κατά τη διαδικασία της ογκομέτρησης μετρούμε επακριβώς τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που καταναλώνεται για το πέρας της αντίδρασης. Η μέτρηση του όγκου του πρότυπου διαλύματος γίνεται με ειδική, βαθμολογημένη, γυάλινη συσκευή, την προχοΐδα, ενώ το σημείο της ογκομέτρησης, όπου έχουν αντιδράσει πλήρως (στοιχειομετρικά) το πρότυπο διάλυμα και η ογκομετρούμενη ουσία ονομάζεται ισοδύναμο σημείο. Ισοδύναμο σημείο είναι το σημείο της ογκομέτρησης, όπου έχει αντιδράσει πλήρως (στοιχειομετρικά) η ογκομετρούμενη ουσία με ορισμένη ποσότητα πρότυπου διαλύματος. Ο προσεγγιστικός προσδιορισμός του τέλους της αντίδρασης της εξουδετέρωσης γίνεται με τη βοήθεια δείκτη, που στο τέλος της αντίδρασης αλλάζει απότομα χρώμα. Όσο πιο μικρή η διαφορά όγκου του πρότυπου διαλύματος μεταξύ του ισοδύναμου σημείου και του τελικού σημείου, τόσο πιο ακριβής είναι η ογκομέτρηση. Ο όγκος του πρότυπου διαλύματος που αντιστοιχεί στην απότομη χρωματική αλλαγή κατάλληλου δείκτη ονομάζεται τελικό σημείο της ογκομέτρησης και αποτελεί το πρακτικό (πειραματικό) πέρας της ογκομέτρησης. Από τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που απαιτήθηκε κατά την ογκομέτρηση, υπολογίζεται η συγκέντρωση της ουσίας στο ογκομετρούμενο διάλυμα. H ογκομέτρηση δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε πολύ αραιά διαλύματα οξέων ή βάσεων ούτε σε διαλύματα πολύ α- σθενών οξέων ή βάσεων καθόσον είναι δυσχερής ο προσδιορισμός του ισοδύναμου σημείου. Έχει υπολογιστεί ότι η ελάχιστη συγκέντρωση ασθενούς οξέος που μπορεί να ογκομετρηθεί με ακρίβεια είναι 10 6 M. προχοΐδα κωνική φιάλη πρότυπο διάλυμα ογκομετρούμενο διάλυμα Η βασική κατηγορία ογκομετρήσεων είναι οι ογκομετρήσεις εξουδετέρωσης κατά την οποία προσδιορίζεται ποσοτικά ένα οξύ με τη χρήση πρότυπου διαλύματος βάσης ή μία βάση με τη χρήση πρότυπου διαλύματος οξέος. Σχήμα : Τυπική συσκευή για μία ογκομέτρηση εξουδετέρωσης. Το πρότυπο διάλυμα που βρίσκεται στην προχοΐδα προστίθεται σιγά - σιγά στο ογκομετρούμενο διάλυμα (κωνική φιάλη) μέχρι να αλλάξει χρώμα ο δείκτης (τελικό σημείο ογκομέτρησης). Αν θέλουμε να προσδιορίσουμε την άγνωστη συγκέντρωση ενός οξέος, ασθενούς ή ισχυρού, τοποθετούμε μία γνωστή ποσότητά του στην κωνική φιάλη της συσκευής της ογκομέτρησης, ενώ το πρότυπο διάλυμα της ισχυρής βάσης εισάγεται στην προχοΐδα. Το πρότυπο διάλυμα προστίθεται σιγά-σιγά μέσω στρόφιγγας στην κωνική φιάλη, μέχρις ότου η αντίδραση της εξουδετέρωσης συμπληρωθεί (αλλαγή χρώματος του δείκτη). Μία τέτοια ογκομέτρηση χαρακτηρίζεται ως αλκαλιμετρία, οπότε προσδιορίζεται (ογκομετρείται) ένα οξύ με ένα πρότυπο διάλυμα βάσης. 57

270 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Στην περίπτωση της ογκομέτρησης εξουδετέρωσης, κατά την οποία ογκομετρείται ένα διάλυμα βάσης άγνωστης συγκέντρωσης, με πρότυπο διάλυμα οξέος, η μέθοδος χαρακτηρίζεται σαν οξυμετρία. Εφαρμογή 1 50 ml διαλύματος Ca(OH) άγνωστης συγκέντρωσης ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα HCl 0,0 Μ, οπότε μέχρι το τελικό σημείο της ογκομέτρησης απαιτήθηκαν ακριβώς 30 ml. Ποια η συγκέντρωση του διαλύματος του Ca(OH) ; ΗCl 0,0 M n = c V = 0,0 0,03 = mol HCl Από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης της εξουδετέρωσης υπολογίζουμε την ποσότητα του Ca(OH) που αντέδρασε: Ca(OH) c (Μ) mol Ca(OH) + HCl CaCl + H O Επομένως, η συγκέντρωσή του διαλύματος Ca(OH) υπολογίζεται ως εξής: 4 n 3 10 c V 0,05 0,006 M 5. Καμπύλη ογκομέτρησης Κατά τη διάρκεια μιας ογκομέτρησης εξουδετέρωσης (οξυμετρικής ή αλκαλιμετρικής), η τιμή του ph μεταβάλλεται προοδευτικά (αυξάνεται στην αλκαλιμετρική ογκομέτρηση και μειώνεται στην οξυμετρική). Αν παραστήσουμε γραφικά τις τιμές του ph ως συνάρτηση του προστιθέμενου όγκου του πρότυπου διαλύματος (οξέος ή βάσης), σε ορθογώνιο σύστημα συντεταγμένων, λαμβάνουμε την καμπύλη εξουδετέρωσης. Η ερώτηση της ημέρας: Ποια ουσία υπάρχει στο ισοδύναμο σημείο μιας ογκομέτρησης εξουδετέρωσης; Από την καμπύλη ογκομέτρησης προκύπτει το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης. Είναι επίσης χρήσιμη στον προσδιορισμό του κατάλληλου δείκτη, καθώς επίσης και στην λήψη πληροφοριών για την ακρίβεια της ογκομέτρησης. Για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων σε μία ογκομέτρηση θα πρέπει η περιοχή αλλαγής χρώματος του δείκτη να περιλαμβάνει το ph του διαλύματος στο ισοδύναμο σημείο. Αν αυτό δεν είναι δυνατό, θα πρέπει τουλάχιστον η περιοχή αλλαγής χρώματος του δείκτη να είναι στο κατακόρυφο τμήμα της καμπύλης ογκομέτρησης, Σε αντίθετη περίπτωση εκτός από την ύπαρξη σφαλμάτων δεν θα είναι σαφής και η αλλαγή χρώματος του δείκτη. 6. Ογκομέτρηση ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση (αλκαλιμετρία) Έστω ένα διάλυμα HCl 0,1 M όγκου 5 ml που ογκομετρείται με διάλυμα NaOH 0,1 M χρησιμοποιώντας ως δείκτη σταγόνες φαινολοφθαλεΐνης (περιοχή αλλαγής χρώματος, ph 8-10, περίπου). Στην πραγματικότητα, η αντίδραση της εξουδετέρωσης γίνεται, όπως έχουμε δει, μέσω ιόντων: 58 Στην αρχή της ογκομέτρησης το διάλυμα του HCl εμφανίζεται άχρωμο, καθώς το όξινο «χρώμα» της φαινολοφθαλεΐνης είναι άχρωμο.

271 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ H 3 O + + Cl + Na + + OH Na + + Cl + H O HCl NaOH Πιο απλά: HCl + NaOH NaCl + H O Το ισοδύναμο σημείο αντιστοιχεί στην προσθήκη 5 ml από το πρότυπο διάλυμα (γιατί;). Θα υπολογίσουμε το ph: α) Αρχικά (πριν την προσθήκη του πρότυπου διαλύματος). β) Πριν το ισοδύναμο σημείο. γ) Στο ισοδύναμο σημείο. δ) Μετά το ισοδύναμο σημείο. α) Αρχικό ph mol/l HCl + H O Cl + Η 3 Ο + ph = log0,1 = 1 0,1 Μ 0,1 Μ β) Πριν από ισοδύναμο σημείο. Πριν από το ισοδύναμο σημείο έχουμε περίσσεια του οξέος και επομένως αντιδρά όλη η ποσότητα της βάσης. Έστω ότι έχουμε προσθέσει V (L) από το πρότυπο διάλυμα (V < 0,05 L): 5 mol L 0,1 0,005mol, mol HCl 1000 L n 0,1 Vmol NaOH mol ΝaOH + HCl ΝaCl + H O Αρχικά 0,1 V, Μεταβολές 0,1 V 0,1 V 0,1 V Τελικά, ,1 V 0,1 V H συγκέντρωση της περίσσειας του ΗCl θα είναι: 3,510 0,1 V c M 0,05 V Από τον ιοντισμό της περίσσειας του HCl υπολογίζουμε την [H 3 O + ] και από εκεί το ph του διαλύματος. γ) Πλήρης εξουδετέρωση - Ισοδύναμο σημείο. Στο ισοδύναμο σημείο έχουμε πλήρη εξουδετέρωση και άρα στο διάλυμα υπάρχει μόνο το άλας NaCl(aq). Καθώς κανένα από τα ιόντα του άλατος δεν υδρολύεται, το ph του διαλύματος θα είναι ίσο με 7 (στους 5 ο C). δ) Μετά το ισοδύναμο σημείο. Μετά το ισοδύναμο σημείο έχουμε περίσσεια της βάσης και επομένως έχει αντιδράσει όλη η ποσότητα του οξέος. Έστω ότι έχουμε προσθέσει V (L) από το πρότυπο διάλυμα (V > 0,05 L): 59

272 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 5 mol 1000 L 3 n L 0,1 0,005 mol,5 10 mol HCl n 0,1 V mol NaOH Μετά την αντίδραση έχουν περισσέψει (0,1 V, ) mol ΝaOH, ενώ ο όγκος του διαλύματος είναι: (0,05 + V) L. H συγκέντρωση της περίσσειας του ΝaOH θα είναι: 0,1 V,510 c 0,05 V 3 M Από τη διάσταση της περίσσειας του ΝaOH υπολογίζουμε την [ΟΗ ] και στη συνέχεια το ph του διαλύματος. Η καμπύλη της εξουδετέρωσης στην περίπτωση αυτή έχει την ακόλουθη μορφή: ml NaOH ph ph ph αρχ Ισοδύναμο σημείο φαινολοφθαλεΐνη Κυανού της βρωμοθυμόλης ερυθρό του μεθυλίου 0 1,0 10 1,4 0 1,9, 4,7 5 7,0 6 11,3 8 11,7 30 1,0 40 1,4 50 1, ml NaOH 0,1 M Σχήμα 3: Καμπύλη εξουδετέρωσης ενός ισχυρού οξέος (5 ml διαλύματος HCl 0,1 M) από μία ισχυρή βάση (πρότυπο διάλυμα NaΟΗ 0,1 M).Από την καμπύλη αυτή φαίνεται ότι ο καταλληλότερος δείκτης είναι το κυανού της βρωμοθυμόλης καθώς η περιοχή αλλαγής χρώματος (6-7,6) περιλαμβάνει το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης. H καμπύλη της εξουδετέρωσης αυτής διαθέτει τα εξής χαρακτηριστικά: To ph είναι μικρό στην αρχή της ογκομέτρησης. Το ph αλλάζει ελαφρά λίγο πριν και λίγο μετά την εξουδετέρωση. Κοντά στο ισοδύναμο σημείο το ph ανεβαίνει θεαματικά, γύρω στις 6 μονάδες με την προσθήκη 0,1 ml ( σταγόνες!) του διαλύματος της βάσης. Κάθε δείκτης που αλλάζει χρώμα στην περιοχή ph μεταξύ 4 και 10 (!) είναι κατάλληλος για την ογκομέτρηση αυτή, αν και ο καταλληλότερος είναι αυτός με περιοχή αλλαγής χρώματος που να περικλείει την τιμή 7. 60

273 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ ph ph ph ph VNaOH VNaOH VNaOH VNaOH Σχήμα 4: Διαδοχικά στάδια σε ογκομέτρηση ισχυρού οξέος με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης (αλκαλιμετρία), παρουσία δείκτη. 7. Ογκομέτρηση ισχυρής βάσης με ισχυρό οξύ (οξυμετρία) Έστω διάλυμα NaOH 0,1 M όγκου 50 ml ογκομετρείται με τη βοήθεια πρότυπου διαλύματος HCl 0,1 M, χρησιμοποιώντας ως δείκτη μπλε της βρωμοθυμόλης. Στην αρχή το διάλυμα είναι έντονα μπλε (βασικό χρώμα του δείκτη), ενώ το τελικό σημείο προσδιορίζεται με την απότομη μετατροπή του χρώματος σε κίτρινο (όξινο χρώμα του δείκτη). Η καμπύλη της ογκομέτρησης στην περίπτωση αυτή έχει την ακόλουθη μορφή: 14 ph ph αρχ Ισοδύναμο σημείο Κυανού της βρωμοθυμόλης ml HCl 0,1 M Σχήμα 5: Καμπύλη εξουδετέρωσης ισχυρής βάσης από ισχυρό οξύ (50 ml διαλύματος NaΟΗ 0,1 M με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 M). 8. Ογκομέτρηση ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση Θα παρακολουθήσουμε τώρα με «κομμένη» την ανάσα! - την ογκομέτρηση ενός διαλύματος ασθενούς οξέος από μία ισχυρή βάση, χρησιμοποιώντας σαν δείκτη φαινολοφθαλεΐνη (περιοχή αλλαγής χρώματος: 8,-10). Υπάρχουν σημαντικές διαφορές σε σχέση με την ογκομέτρηση ισχυρού οξέος από ι- σχυρή βάση, που είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο, ένα όμως χαρακτηριστικό είναι κοινό: Για ίσους όγκους διαλυμάτων οξέων της ίδιας συγκέντρωσης, ο όγκος του διαλύματος της ισχυρής βάσης που απαιτείται για το ισοδύναμο σημείο (συμπλήρωση της εξουδετέρωσης) είναι ο ίδιος, είτε το οξύ είναι ισχυρό είτε ασθενές. Έστω, λοιπόν, 5 ml διαλύματος CH 3 COOH 0,1 M να ογκομετρούνται από διάλυμα NaOH 0,1 Μ. 61

274 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 α) Αρχικό ph mol/l CH 3 COOH + H O CH 3 COO + H 3 O + Ιοντική ισορροπία 0,1 x x x K a 10 5 [H3O ] 0,1 [H O 3 ] M ph = log10 3 = 3 β) Προσθήκη 1,5 ml διαλύματος NaOH. Τα mol του CH 3 COOH στο αρχικό διάλυμα είναι: 0,05 L 0,1 mol L 1 = 0,005 mol Όταν έχουν προστεθεί 1,5 ml διαλύματος NaOH, τα mol του NaOH θα είναι: 0,015 L 0,1 mol L 1 = 1, mol mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά 0,005 0,0015 Μεταβολές 0,0015 0,0015 0,0015 Τελικά 0,0015 0,0015 Σχηματίζεται επομένως ρυθμιστικό διάλυμα όγκου 37,5 ml στο οποίο τα δύο συστατικά βρίσκονται σε ίσες συγκεντρώσεις. c ph pka log c αλ o pk log1 5 a Όταν έχει προστεθεί η μισή ποσότητα του πρότυπου διαλύματος ισχύει: ph = pk a. γ) Πλήρης εξουδετέρωση - Ισοδύναμο σημείο. Στην περίπτωση αυτή έχει αντιδράσει πλήρως το οξύ με την προστιθέμενη βάση και στο διάλυμα υπάρχει μόνο το άλας: mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά 0,005 0,005 Μεταβολές 0,005 0,005 0,005 Τελικά 0,005 0,005 C αλ 0,05Μ 0,05 Από τα ιόντα CH 3 COO και Na + το πρώτο υδρολύεται, σύμφωνα με την εξίσωση: CH 3 COO + H O CH 3 COOH + OH Ισορροπία 0,05 x 0,05 M x x 6 [CH COOH] [OH ] x K 10, [OH ] 0,7 10 b [CH3COO ] 0,05 poh = log = 5,15, ph = 8,85 K Kb K w a

275 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ δ) Μετά το ισοδύναμο σημείο. Στην περίπτωση αυτή έχουμε περίσσεια ΝaOH, του οποίου η συγκέντρωση καθορίζει το ph. Και αυτό γιατί η [ΟΗ ] από την υδρόλυση του άλατος θεωρείται συνήθως αμελητέα. Καμπύλη εξουδετέρωσης ενός ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση Χαρακτηριστικά της καμπύλης εξουδετέρωσης ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση: Το αρχικό ph είναι υψηλότερο (λιγότερο όξινο) από την περίπτωση ενός ισχυρού οξέος της ίδιας συγκέντρωσης, καθώς το ασθενές οξύ ιοντίζεται μερικά. Σε μεγάλο μέρος της καμπύλης, πριν από το ισοδύναμο σημείο, το ph αλλάζει αργά. Και τούτο γιατί στο μέρος αυτό της καμπύλης αντιστοιχεί ρυθμιστικό διάλυμα. Κατά την προσθήκη του μισού όγκου του πρότυπου διαλύματος από αυτόν που αντιστοιχεί στην πλήρη εξουδετέρωση θα ισχύει: ph = pk a, καθώς ισχύει c o = c αλ, δηλαδή [CH 3 COOH] = [CH 3 COO ]. To ph στο ισοδύναμο σημείο είναι μεγαλύτερο από το 7, καθώς στο ισοδύναμο σημείο, όπου θεωρούμε μόνο το άλας, το ανιόν CH 3 COO αντιδρά με το νερό (υδρολύεται) παρέχοντας ΟΗ, που ανεβάζουν το ph στη βασική περιοχή. Μετά από το ισοδύναμο σημείο, η καμπύλη εξουδετέρωσης είναι η ίδια με την περίπτωση της εξουδετέρωσης ενός ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση, καθώς και στις δύο περιπτώσεις το ph καθορίζεται από την περίσσεια της ισχυρής βάσης. Η απότομη περιοχή ανόδου του ph είναι σε μικρότερο εύρος ph σε σχέση με την ο- γκομέτρηση του ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση (περίπου από το 7 μέχρι το 10 και επομένως η επιλογή δεικτών είναι περιορισμένη (δείκτες που αλλάζουν χρώμα κάτω από ph = 7 δεν είναι κατάλληλοι για την ογκομέτρηση αυτή). Παρακολουθώντας τις αλλαγές χρωματισμού του διαλύματος. H ογκομέτρηση έγινε παρουσία φαινολοφθαλεΐνης, που αλλάζει χρώμα στην περιοχή 8-10 (από άχρωμο σε κόκκινο). Αρχικά το διάλυμα εμφανίζεται άχρωμο. Με τη συνεχή προσθήκη του διαλύματος NaOH το διάλυμα παραμένει αρχικά άχρωμο, μέχρι που με την προσθήκη 1- σταγόνων μετατρέπεται ξαφνικά σε κόκκινο. Το σημείο αυτό αντιστοιχεί στο τελικό σημείο της εξουδετέρωσης. Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η καμπύλη ογκομέτρησης ασθενούς οξέος με ι- σχυρή βάση. ph Ισοδύναμο σημείο Ρ.Δ. ph = pk a φαινολοφθαλεΐνη βρωμοκρεσόλη 1, ml NaOH 0,1 M Σχήμα 6: Καμπύλη εξουδετέρωσης ασθενούς οξέος (5 ml διαλύματος CH 3 COOH 0,1 M) από ισχυρή βάση (διάλυμα NaΟΗ 0,1 M). Η φαινολοφθαλεΐνη (περιοχή αλλαγής χρώματος: 8-10) είναι κατάλληλος δείκτης για την ογκομέτρηση (η περιοχή αλλαγής χρώματος «περικλείει το ισοδύναμο σημείο), ενώ η βρωμοκρεσόλη, που αλλάζει χρώμα στην περιοχή ph 3,9-5,4 είναι ακατάλληλος. Όταν έχει προστεθεί ο μισός όγκος από αυτόν που απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο ισχύει: ph = pk a. 63

276 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 9. Ογκομέτρηση ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ Ογκομετρούμε 5 ml διαλύματος ΝΗ 3 0,1 Μ με διάλυμα HCl 0,1 Μ με χρήση του δείκτη ερυθρό του μεθυλίου. Με την προσθήκη του πρότυπου διαλύματος σχηματίζεται αρχικά ρυθμιστικό διάλυμα NH 3 /NH 4 Cl. Ειδικά στην περίπτωση που έχουν προστεθεί 1,5 ml του διαλύματος HCl θα ισχύει: ph = pk a (NH 4 + ). Με την προσθήκη 5 ml από το πρότυπο διάλυμα θα επέλθει το ισοδύναμο σημείο όπου έχει γίνει πλήρης εξουδετέρωση και το διάλυμα περιέχει αποκλειστικά NH 4 Cl. Το τελικό σημείο εμφανίζεται με την αλλαγή χρώματος του διαλύματος από κίτρινο σε κόκκινο. Η καμπύλη εξουδετέρωσης έχει την εξής μορφή: 14 ph Ρ.Δ. ph = K a (ΝΗ 4+ ) Ισοδύναμο σημείο Ερυθρό του μεθυλίου 1, ml HCl 0,1 M (ml) Σχήμα 7: Καμπύλη εξουδετέρωσης 5 ml διαλύματος ΝΗ 3 0,1 Μ με διάλυμα HCl 0,1 Μ. Στο ισοδύναμο σημείο το ph είναι όξινο, οπότε ο δείκτης που θα επιλεγεί πρέπει να αλλάζει χρώμα στην όξινη περιοχή, π.χ. το ερυθρό του μεθυλίου (περιοχή αλλαγής χρώματος: 4,-6,). Όταν έχει προστεθεί ο μισός όγκος από αυτόν που απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο ισχύει: ph = pk a (ΝΗ 4+ ). ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ Υπολογισμός της άγνωστης συγκέντρωσης οξέος ή βάσης Με βάση τα δεδομένα μιας ογκομέτρησης υπολογίζεται η άγνωστη συγκέντρωση ενός διαλύματος οξέος ή βάσης. Έστω π.χ. ένα διάλυμα HCl άγνωστης συγκέντρωσης c o και όγκου V o, που ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH, συγκέντρωσης c β και έστω, επίσης, ότι μέχρι το ισοδύναμο σημείο (ή πρακτικά το τελικό σημείο) έχει καταναλωθεί όγκος V β πρότυπου διαλύματος: 64 HCl + NaΟΗ NaCl + Η Ο n o = n β c o V o = c β V β cβ.vβ Επομένως : c o = [1] (αλκαλιμετρία) V o Σφάλματα ογκομέτρησης Έστω ότι σε μία αλκαλιμετρική ογκομέτρηση εξουδετέρωσης το τελικό σημείο προσδιορίζεται μετά το ισοδύναμο σημείο, δηλαδή Vβ,ΤΕΛ > Vβ,IΣ. Με βάση τη σχέση [1] της διπλανής παραγράφου υπολογίζεται μεγαλύτερη συγκέντρωση οξέος σε σχέση με την πραγματική (θετικό σφάλμα). Αντίθετα, αν το τελικό σημείο βρίσκεται πριν από το ισοδύναμο το σφάλμα θα είναι αρνητικό (μικρότερη co από την πραγματική). Παρόμοια συμπεράσματα ισχύουν και στις οξυμετρικές ογκομετρήσεις.

277 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ c.v ο ο cβ [] (οξυμετρία) Vβ Θα πρέπει να προσέχουμε τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, καθώς μπορεί να μην ι- σχύει n o = n β. Έστω, π.χ., ότι ογκομετρούμε διάλυμα Ca(OH) με πρότυπο διάλυμα HCl (οξυμετρία): HCl + Ca(ΟΗ) CaCl + Η Ο n o n o / = n β n β = n o /, c β V β = c o V o /, c β cο V V β ο Ανάλογους υπολογισμούς μπορούμε να κάνουμε ακόμη και αν ένας από τους δύο ηλεκτρολύτες είναι ασθενής, καθώς η αντίδραση της εξουδετέρωσης είναι μονόδρομη. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. α) Να αποδείξετε ότι για έναν πρωτολυτικό δείκτη ΗΔ ισχύει: [ HΔ] ( phpk ahδ ) 10 [Δ ] β) Σε ποιο ph ενός διαλύματος που περιέχει και το δείκτη ΗΔ θα ισχύει: [ΗΔ] = [Δ ]; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Από την έκφραση για την Κ a (ΗΔ) του δείκτη ΗΔ, προκύπτει: ph [ HΔ] [H O ] 10 (phpk 10 pk ahδ [Δ ] Ka(ΗΔ) 10 3 ahδ β) Για να ισχύει [ΗΔ] = [Δ ] θα πρέπει: ) (phpk a H ) 10 Δ 1, ph pk ahδ. Ο δείκτης πράσινο της βρωμοκρεσόλης έχει pk aηδ = 4,9. Η μορφή ΗΔ δίνει κίτρινο διάλυμα, ενώ η συζυγής του βάση δίνει μπλε διάλυμα. Σε τρία υδατικά διαλύματα Α, Β και Γ με ph A = 3, ph B = 4 και ph Γ = 6, αντίστοιχα, προστίθενται -3 σταγόνες του δείκτη. α) Ποια η τιμή του λόγου [ΗΔ]/[Δ ] και ποιο χρώμα αποκτά κάθε διάλυμα; β) Ποιο έπρεπε να ήταν το ph ενός διαλύματος, ώστε να ισχύει: [ΗΔ]/[Δ ] = 1; ΑΠΑΝΤΗΣΗ 3 [ HΔ] [H3O ] 10 1, 9 α) Διάλυμα Α: ,9 [Δ ] K (ΗΔ) 10 a Βλέπουμε ότι ισχύει, [ΗΔ] > 10 [Δ ] και άρα το ph του διαλύματος είναι μικρότερο από την τιμή pk a,hδ 1 = 4,9 1 = 3,9, οπότε είμαστε στην όξινη περιοχή και θα υπερισχύει το χρώμα των μορίων ΗΔ, δηλαδή το κίτρινο. 65

278 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Διάλυμα Β: a 4 [HΔ] [H3O ] ,9 [Δ ] K (ΗΔ) 10 0,9 Επομένως: 10 [Δ ] > [ΗΔ] > [Δ ]. Το ph του διαλύματος είναι μεταξύ της τιμής, pk a,hδ 1 = 4,9 1 = 3,9 και της τιμής pk a,hδ + 1 = 4,9 + 1 = 5,9 (περιοχή αλλαγής χρώματος). Το χρώμα, όμως, θα σαφώς πιο κοντά στο κίτρινο, καθώς έχουμε απομακρυνθεί από την αμιγώς κίτρινη περιοχή μόνο κατά 0,1 της μονάδας ph. Διάλυμα Γ: 6 [ HΔ] [H3O ] 10 1,1 10 4,9 [Δ ] Ka(ΗΔ) 10 Επομένως: 10 [ΗΔ] < [Δ ]. Το ph του διαλύματος είναι μεγαλύτερο από την τιμή pk ahδ + 1 = 5,9, οπότε είμαστε στην βασική περιοχή και το χρώμα θα είναι μπλε. β) Θα πρέπει να ισχύει: [Η 3 Ο + ] = Κ a (ΗΔ) και επομένως: ph = pκ a (ΗΔ) = 4,9 3. Ο δείκτης φαινολοφθαλεΐνη είναι ασθενές οργανικό οξύ με pk a = 9,5. Το συζυγές οξύ είναι άχρωμο, ενώ η συζυγής βάση κόκκινη. Μία σταγόνα διαλύματος, με αμελητέα ποσότητα του δείκτη, ρίχνεται σε διάλυμα που περιέχει διάλυμα ΝΗ 3 συγκέντρωσης 0,01 Μ, οπότε αυτό χρωματίζεται κόκκινο. Αν η αναλογία συγκεντρώσεων των συζυγών μορφών του δείκτη είναι 1:10, να υπολογιστεί η τιμή της Κ b της ΝΗ 3 με βάση το πείραμα αυτό. Η ύπαρξη του δείκτη δεν επηρεάζει τις συγκεντρώσεις των ιόντων στο διάλυμα. Για το διάλυμα της ΝΗ 3 να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Κ w = θ=5 ο C. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Η εξίσωση ιοντισμού του δείκτη έχει ως εξής: ΗΔ + Η Ο Δ + Η 3 Ο + [Δ ] [H3O ] Ka(ΗΔ) [ΗΔ] Επειδή το χρώμα του διαλύματος είναι κόκκινο, υπερτερούν τα ιόντα Δ, οπότε: [HΔ] [Δ ] 1 10 Με συνδυασμό των παραπάνω σχέσεων, προκύπτει: [Η 3 Ο + ] = K a (HΔ) 10 9, 5 = = 10 10,5, [ΟΗ ] = 10 3,5 Μ Η προσθήκη μικρής ποσότητας δείκτη δεν επηρεάζει τον ιοντισμό της ΝΗ3. mol/l ΝΗ 3 + H O ΝH ΟΗ Ιοντική ισορροπία c x c x x 66 K 3,5 [NH4 ] [OH ] (10 ) 5 b 10 [NH3 ] 0,01

279 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ 4. Δείκτης ΗΔ έχει χρώμα κίτρινο σε ph 3 και κόκκινο σε ph 5. Σταγόνες του δείκτη αυτού προστίθενται σε διάλυμα NaOH 0,01 Μ όγκου 100 ml και προκύπτει νέο διάλυμα (Δ 1 ). α) Ποιο το χρώμα που θα έχει το διάλυμα Δ 1 ; β) Στο διάλυμα Δ 1 διαλύουμε 11, ml αερίου HCl μετρημένα σε stp, χωρίς αλλαγή του όγκου του διαλύματος. Τι χρώμα θα αποκτήσει το διάλυμα που θα προκύψει; γ) Ποιος ο ελάχιστος όγκος διαλύματος HCl 0,01 Μ (Δ ) που πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα Δ 1, που περιέχει και το δείκτη ΗΔ, ώστε το χρώμα του διαλύματος να γίνει αμιγώς κίτρινο; K w = ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Υπολογίζουμε το ph του διαλύματος Δ 1 : NaOH Na + + OH 0,01 M 0,01 M [OH ] = 0,01 M, poh =, ph = 1 To ph του Δ 1 είναι μεγαλύτερο του 5 και επομένως το διάλυμα αποκτά χρώμα κόκκινο. β) Υπολογίζουμε την ποσότητα του προστιθέμενου HCl: 11, 10 n, mol HCl mol HCl + ΝaOH ΝaCl + H O Αρχικά Μεταβολές Τελικά Περισσεύει, επομένως, ΝaOH σε συγκέντρωση: c = ,1 510 Από τη διάσταση της περίσσειας του NaOH, έχουμε: M [OH ] = M, poh = log[oh ] = 3 log5 ph = 14 poh = 11 + log 5 Παρατηρούμε ότι το ph του διαλύματος είναι μεγαλύτερο του 5 και, επομένως, το διάλυμα έχει πάλι κόκκινο χρώμα. γ) Έστω V (L) ο ελάχιστος όγκος του διαλύματος Δ ώστε το χρώμα του διαλύματος να γίνει αμιγώς κίτρινο, δηλαδή να έχει ph = 3 (όξινο χρώμα). Άρα θα έχουμε περίσσεια HCl: 67

280 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 mol HCl + ΝaOH ΝaCl + H O Αρχικά 0,01 V 10 3 Μεταβολές Τελικά 0,01 V 10 3 H συγκέντρωση της περίσσειας του HCl θα είναι 10 3 M και θα δίνεται από τη σχέση: 3 10 V M, V 0,1 V c 5. Πως από την καμπύλη εξουδετέρωσης μίας ασθενούς βάσης από ένα ισχυρό οξύ, προκύπτει η σταθερά ιοντισμού της ασθενούς βάσης; Αντίστοιχα, πως από την καμπύλη εξουδετέρωσης ενός ασθενούς οξέος από μία ισχυρή βάση, προκύπτει η σταθερά ιοντισμού του ασθενούς οξέος; ΑΠΑΝΤΗΣΗ Στην ογκομέτρηση διαλύματος ασθενούς μονοπρωτικού οξέος με ισχυρή μονοπρωτική βάση είδαμε πριν από το ισοδύναμο σημείο είχαμε ρυθμιστικό διάλυμα. Μάλιστα όταν είχαμε προσθέσει τη μισή ποσότητα της βάσης από αυτή που απαιτούταν μέχρι το ισοδύναμο σημείο ισχύει: pk a = ph Έτσι, αν μετρήσουμε το ph στο σημείο αυτό έχουμε το pk a = logk a του ασθενούς οξέος. Αντίστοιχα, κατά την ογκομέτρηση διαλύματος ασθενούς βάσης από ισχυρό οξύ, όταν έχουμε προσθέσει τη μισή ποσότητα από το πρότυπο διάλυμα του ισχυρού οξέος από αυτήν που απαιτείται για να φθάσουμε στο ισοδύναμο σημείο, ισχύει: pk b = 14 ph L 6. Δίνονται οι καμπύλες ογκομετρήσεων Α, Β και Γ που αφορούν στην ογκομέτρηση τριών διαλυμάτων ΝΗ 3 ίσου όγκου με το ίδιο διάλυμα HCl. Να συγκρίνετε τις συγκεντρώσεις c A, c B και c Γ των τριών διαλυμάτων της ΝΗ 3. ph Γ A B ml HCl 0,1 M 68

281 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Παρατηρούμε ότι όγκος του πρότυπου διαλύματος HCl που έχει προστεθεί μέχρι το ισοδύναμο σημείο των 3 ογκομετρήσεων ακολουθεί τη σχέση: V Α < V Β < V Γ και επομένως η ποσότητα σε mol του HCl που περιέχεται σε καθένα από αυτά θα είναι: n Α < n Β < n Γ. Επειδή στο ισοδύναμο σημείο ισχύει: n β = n ο, και για την ποσότητα της ΝΗ 3 σε mol στα τρία διαλύματα θα ισχύει ανάλογη ανισωτική σχέση. Άρα, εφ όσον έχουν τον ίδιο όγκο θα ισχύει: c A < c B < c Γ Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγουμε και αν προσέξουμε μία λεπτομέρεια, το ότι το αρχικό ph των τριών διαλυμάτων δεν είναι ίδιο, αλλά ισχύει: ph A < ph B < ph Γ. Μεγαλύτερο, όμως, ph σημαίνει και ότι το διάλυμα είναι πιο βασικό και ότι η συγκέντρωση του διαλύματος είναι και μεγαλύτερη. 7. Τα παρακάτω δεδομένα λαμβάνονται από μία ογκομέτρηση εξουδετέρωσης 0 ml ενός διαλύματος ασθενούς μονοπρωτικής βάσης Β συγκέντρωσης 0,15 Μ με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 Μ: V (HCl) σε ml ph 10,8 10, 10,1 9,8 9,6 6,3 3,8,6,3 α) Ποιος είναι ο όγκος πρότυπου διαλύματος που έχει προστεθεί μέχρι το ισοδύναμο σημείο και ποιο το ph στο σημείο αυτό; β) Ποιος από τους δείκτες Ι-ΙV που ακολουθούν (σε παρένθεση η σταθερά pk a (HΔ) του αντίστοιχου δείκτη) είναι ο πλέον κατάλληλος για την παραπάνω ογκομέτρηση; Δείκτης Ι (10,), Δείκτης ΙΙ (6,3), Δείκτης ΙΙΙ (9,6), Δείκτης ΙV (10,8). γ) Να υπολογιστεί η σταθερά pk b της ασθενούς βάσης Β. K w = ΛΥΣΗ α) O αριθμός mol της βάσης Β που ογκομετρούνται είναι: n β = 0,15 0,0 = mol mol B + HCl BHCl Τελικά Ο όγκος του πρότυπου διαλύματος που περιέχει την απαιτούμενη ποσότητα HCl είναι: 3 n 310 V c 0,1 0,03L 30mL Από τον πίνακα με τα δεδομένα της ογκομέτρησης παρατηρούμε ότι το ph στο ισοδύναμο σημείο είναι ίσο με 6,3. 69

282 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Η περιοχή αλλαγής χρώματος του δείκτη θα πρέπει να «περικλείει» το ph στο ισοδύναμο σημείο. Παρατηρούμε ότι ο δείκτης ΙΙ (pk a HΔ = 6,3 με περιοχή αλλαγής χρώματος 5,3-7,3) είναι ο πλέον κατάλληλος δείκτης για την παραπάνω ογκομέτρηση. γ) Όταν έχουμε προσθέσει 15 ml πρότυπου διαλύματος, η ποσότητα σε mol του HCl είναι 0,1 0,015 = 0,0015 mol και η ποσότητα της ασθενούς βάσης Β είναι 0,15 0,0 = 0,003 mol. mol B + HCl BHCl Αρχικά , Μεταβολές 1, , , Τελικά 1, , Έχουμε, λοιπόν, ρυθμιστικό διάλυμα, στο οποίο οι συγκεντρώσεις της ασθενούς βάσης Β και του άλατος (δηλαδή του συζυγούς οξέος ΒΗ + ) είναι ίσες. Στο διάλυμα αυτό ξέρουμε ότι ph = 10,, poh = 3,8, [OH ] = 10 3,8 M. Από την εξίσωση των ρυθμιστικών διαλυμάτων, προκύπτει: cβ cβ [ΟΗ ] 3, 8 b, Kb 10 cο cβ [ΟΗ ] K 8. Ογκομετρούμε διάλυμα ΝaOH όγκου 5 ml και άγνωστης περιεκτικότητας με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 M. Μετρήσεις του ph με τη βοήθεια phμέτρου σε συνάρτηση με τον προστιθέμενο όγκου του πρότυπου διαλύματος (σε ml) οδήγησαν στον πίνακα που ακολουθεί: HCl(mL) ph ; 1,6 1,0 11,8 11,3 7,0,7,3,0 1,5 α) Ποιος όγκος του διαλύματος HCl (σε ml) έχει προστεθεί μέχρι το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης; Ποιο το ph στο ισοδύναμο σημείο; β) Ποια η συγκέντρωση και το αρχικό ph του διαλύματος ΝaOH; γ) Nα κατασκευάσετε την προσεγγιστική καμπύλη ογκομέτρησης σημειώνοντας το αρχικό ph και το ph στο ισοδύναμο σημείο. δ) Ποιο δείκτη από τους Ι, ΙΙ ή ΙΙΙ θα διαλέγατε για καλύτερο, για την ογκομέτρηση αυτή; Σε παρένθεση η περιοχή ph αλλαγής χρώματος. Ι. ηλιανθίνη (3-4,5), ΙΙ. κυανού της βρωμοθυμόλης (6-7,5), ΙΙΙ. φαινολοφθαλεΐνη (8-10). K w = ΛΥΣΗ α) Κατά την ογκομέτρηση ενός διαλύματος ισχυρής βάσης με ένα πρότυπο διάλυμα ι- σχυρού οξέος το ph στο τελικό σημείο πρέπει να είναι 7. Επομένως, ο όγκος του προστιθέμενου όγκου HCl μέχρι το ισοδύναμο σημείο είναι, σύμφωνα με τον πίνακα, 5 ml. β) Από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης εξουδετέρωσης προκύπτει ότι στο ισοδύναμο σημείο ισχύει: n HCl = n NaOH. Επομένως: Στο ισοδύναμο σημείο, το διάλυμα θα περιέχει μόνο το άλας NaCl, καθώς η ποσότητα του HCl που έχει προστεθεί έχει καταναλώσει όλη την ποσότητα του NaOH στο ογκομετρούμενο διάλυμα. 70

283 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ c o V o = c β V β, 5 0,1. cβ , c β = 0,1 Μ Η αρχική, λοιπόν, συγκέντρωση του NaOH είναι 0,1 Μ. Με βάση τη διάσταση του NaOH, προκύπτει: [ΟΗ ] = 0,1 Μ, poh = 1, ph = 13 γ) Η καμπύλη της ογκομέτρησης με τα βασικά χαρακτηριστικά της είναι η εξής: ph αρχ HCl 0,1 Μ ph Ισοδύναμο σημείο (ph = 7) Κυανού της βρωμοθυμόλης 5 50 ml HCl 0,1 M 5 ml διαλύματος NaOH δ) Διαλέγουμε δείκτη του οποίου το πεδίο ph αλλαγής χρώματος περιλαμβάνει το ph στο ισοδύναμο σημείο, δηλαδή το 7. Τέτοιος δείκτης είναι π.χ. το κυανού της βρωμοθυμόλης. 71

284 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά). ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΔΕΙΚΤΕΣ 1.1. Οι πρωτολυτικοί δείκτες είναι: Α) τα ασθενή οξέα και οι ασθενείς βάσεις Β) όλα τα ασθενή οργανικά οξέα και οι ασθενείς οργανικές βάσεις Γ) συνήθως ασθενή οργανικά οξέα αλλά και ασθενείς οργανικές βάσεις Δ) οι έγχρωμες οργανικές ενώσεις 1.. Ο δείκτης Η είναι ένα ασθενές οξύ. Κατά κανόνα το χρώμα της όξινης μορφής Η του δείκτη επικρατεί όταν Α) ph > pk a (HΔ) Β) ph = pk a (HΔ) Γ) ph < pk a (HΔ) 1 Δ) ph > pk a (HΔ) + 1 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 1.3. Ένας πρωτολυτικός δείκτης αλλάζει χρώμα: Α) όταν μεταβληθεί το ph του διαλύματος Β) όταν μετατραπεί το διάλυμα από όξινο σε αλκαλικό Γ) όταν μεταβληθεί το ph του διαλύματος τουλάχιστον κατά δύο μονάδες Δ) σε ορισμένη περιοχή τιμών του ph, η οποία εξαρτάται από το δείκτη 1.4. Ένας πρωτολυτικός δείκτης εμφανίζει κίτρινο και μπλε χρώμα σε δύο υδατικά διαλύματα, που έχουν ph = 4 και ph = 10 αντίστοιχα. Σε υδατικό διάλυμα με ph = 8 ο δείκτης αυτός αποκτά χρώμα: Α) Μπλε Β) Κίτρινο Γ) Ενδιάμεσο (πράσινο) Δ) Δεν μπορεί να γίνει πρόβλεψη 1.5. Δείκτης ΗΔ έχει pk a (HΔ) = 10. Τι από τα παρακάτω ισχύει σε διάλυμα με ph = 7; Α) [Δ ] < [ΗΔ] Β) [Δ ] = [ΗΔ] Γ) [Δ ] > [ΗΔ] Δ) [Δ ] = [ΗΔ] = [Η 3 Ο + ] 1.6. Δείκτης (ΗΔ, ασθενές οξύ) παρουσιάζει κίτρινο χρώμα σε διάλυμα ΗCl 0,1 Μ και κόκκινο χρώμα σε διάλυμα ΗCN 0,1 Μ. Επομένως, η ισορροπία, ΗCN + Δ ΗΔ + CN Α) είναι μετατοπισμένη προς τα αριστερά και το πιο ισχυρό οξύ είναι το ΗΔ Β) είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά και το πιο ισχυρό οξύ είναι το ΗCN Γ) είναι μετατοπισμένη προς τα αριστερά και το πιο ισχυρό οξύ είναι το ΗCN Δ) είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά και το πιο ισχυρό οξύ είναι το ΗΔ 1.7. Ένα ρυθμιστικό διάλυμα έχει ph = 10. Στο διάλυμα αυτό προστίθενται σταγόνες ενός πρωτολυτικού δείκτη, οπότε η αναλογία συγκεντρώσεων της ιοντισμένης μορφής του δείκτη προς τη μη ιοντισμένη μορφή είναι ίση με. Ποια η τιμή του pk a (HΔ) του δείκτη; log = 0, Ένα άχρωμο υδατικό διάλυμα χωρίζεται στα δύο (διαλύματα Α και Β). Στο διάλυμα Α προστίθεται ο δείκτης ερυθρό του μεθυλίου και γίνεται κίτρινο. Όταν στο διάλυμα Β προστίθεται φαινολοφθαλεΐνη, τότε παραμένει άχρωμο. Να προσδιοριστούν τα όρια ανάμεσα στα οποία μπορεί να πάρει τιμές το ph του διαλύματος. Το ερυθρό του μεθυλίου αλλάζει χρώμα στην περιοχή 4, (κόκκινο) - 6, (κίτρινο), ενώ η φαινολοφθαλεΐνη αλλάζει χρώμα στην περιοχή 8, (άχρωμο) - 10 (κόκκινο) Πρωτολυτικός δείκτης ΗΔ έχει K a (HΔ) = Ο δείκτης αποκτά κίτρινο χρώμα όταν υπερισχύει η [ΗΔ] και κόκκινο χρώμα όταν υπερτερεί η [Δ ]. Η περιοχή αλλαγής χρώματος είναι της τάξης των δύο μονάδων του ph. α) Σε ποια περιοχή του ph το διάλυμα αποκτά κόκκινο χρώμα και σε ποια κίτρινο; β) Ένα διάλυμα στο οποίο έχουν προστεθεί σταγόνες διαλύματος του ΗΔ έχει χρώμα κίτρινο. Να εξετάσετε αν θα μεταβληθεί το χρώμα του διαλύματος, αν διαβιβάσουμε σ αυτό αέριο HCl Το ερυθρό του μεθυλίου χρησιμοποιείται ως πρωτολυτικός δείκτης σε ογκομετρήσεις εξουδετέρωσης. Ο δείκτης διαθέτει K a (HΔ) = 10 5 και περιοχή αλλαγής χρώματος δύο μονάδες (όξινο χρώμα κόκκινο, βασικό χρώμα κίτρινο). α) Σε ποια περιοχή του ph το χρώμα ενός διαλύματος γίνεται κόκκινο με την προσθήκη του δείκτη; β) Σε ποσότητα διαλύματος ΝΗ 3 προσθέτουμε μια σταγόνα από το δείκτη. Τι χρώμα θα πάρει το διάλυμα; Η παρουσία του δείκτη δεν επηρεάζει το ph των διαλυμάτων στα οποία προστίθεται Δίνονται οι ακόλουθοι δείκτες με τις περιοχές αλλαγές χρώματός τους και τα αντίστοιχα όξινα και βασικά χρώματα. Α: 0- (από κίτρινο σε μπλε) Β: 3-4,3 (από κόκκινο σε κίτρινο) Γ: 4,-5,8 (από κόκκινο σε κίτρινο) Δ: 6-7,5 (από κίτρινο σε μπλε) Ε: 8,-10 (από άχρωμο σε κόκκινο) Να επιλέξετε από τους παραπάνω δείκτες αυτόν που είναι ο πιο κατάλληλος για: α) Τη διάκριση μεταξύ διαλύματος HCl 1 Μ και διαλύματος HCl 0,001 M. β) Τη διάκριση διαλύματος CH 3 COOΗ 1 Μ και NH 4 Cl 1 Μ. K a (CH 3 COOH) = 10 5, K b (NH 3 ) = θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις.

285 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ 1.1. Για το δείκτη ερυθρό του αιθυλίου με pk a = 5, η όξινη μορφή του έχει χρώμα κόκκινο και η βασική κίτρινο. α) Προσθέτουμε μερικές σταγόνες του δείκτη σε 5 ml HCl 0,1 M. Τι χρώμα θα αποκτήσει το διάλυμα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας β) Στο διάλυμα του HCl προστίθεται σταδιακά υδατικό διάλυμα NaOH 0,1 M. Σε ποια περιοχή του ph θα αλλάξει χρώμα ο δείκτης; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Δίνονται τρία ποτήρια Α, Β και Γ, που περιέχουν τα εξής διαλύματα κατά σειρά: διάλυμα HCl 10-4 M, NaOH 10-3 M και ένα διάλυμα ΝΗ 4 Cl 0,1 Μ. Στα τρία αυτά ποτήρια προστίθενται σταγόνες από διάλυμα του δείκτη ερυθρό της κρεσόλης με pk a (HΔ) = 8, (κίτρινο το όξινο χρώμα και κόκκινο το βασικό). Τι χρώμα θα σχηματιστεί στο κάθε ποτήρι; Εξηγείστε Σταγόνες πρωτολυτικού δείκτη ΗΔ προστίθενται σε ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 10, οπότε βρέθηκε ότι ο λόγος [Δ ]/[ΗΔ] έχει τιμή ίση με 3. α) Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του δείκτη στο παραπάνω διάλυμα; β) Ποια η τιμή της σταθεράς Κ a (ΗΔ) του δείκτη; γ) Ποια η τιμή του λόγου [Δ ]/[ΗΔ]: i. σε διάλυμα με ph = 8 και ii. σε διάλυμα με με ph = 6; Πρωτολυτικός δείκτης ΗΔ έχει K a (HΔ) = Το όξινο χρώμα του δείκτη είναι κίτρινο, ενώ το βασικό χρώμα κόκκινο. Το κίτρινο χρώμα επικρατεί, όταν ο λόγος των συγκεντρώσεων της κίτρινης προς την κόκκινη μορφή είναι μεγαλύτερος από 5, ενώ η κόκκινη μορφή επικρατεί, όταν ο λόγος της των συγκεντρώσεων της κόκκινης προς την κίτρινη μορφή είναι μεγαλύτερος από 4. Ποια η περιοχή ph αλλαγής χρώματος του δείκτη; Η σταθερά K a ενός δείκτη ΗΔ έχει τιμή Ποιο ποσοστό του δείκτη βρίσκεται στην όξινη μορφή σε: α) ph = 9. β) ph = 8. γ) ph = Ο δείκτης κυανού της θυμόλης έχει δύο περιοχές αλλαγής χρώματος. Αλλάζει χρώμα στην περιοχή ph από 1, (κόκκινο) σε,8 (κίτρινο) και στην περιοχή ph από 8 (κίτρινο) σε 9,6 (μπλε). Ποιο το χρώμα που παίρνει ο δείκτης στις παρακάτω διεργασίες: α) Σταγόνες του δείκτη προστίθενται σε 0 ml διαλύματος HCl 1 M. β) Το διάλυμα που προκύπτει αραιώνεται 10 φορές με προσθήκη 180 ml νερού. γ) Στο νέο διάλυμα που προκύπτει διαλύουμε 0,8 g NaOH χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. δ) Στο προηγούμενο διάλυμα διαλύουμε επί πλέον 0,8 g NaOH, επίσης χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος Δίνονται οι δείκτες I - IV με τις σταθερές K a (HΔ), το όξινο και το βασικό τους χρώμα: I. πράσινο της βρωμοκρεσόλης, 10 5, κίτρινο-μπλε, II.,4-δινιτροφαινόλη, 10 4, άχρωμο - κίτρινο III. ερυθρό της χλωροφαινόλης, 10 6, κίτρινο - κόκκινο IV. θυμολοφθαλεΐνη, 10 10, άχρωμο - μπλε α) Ποιο είναι το προσεγγιστικό ph ενός διαλύματος, αν σε αυτό το πράσινο της βρωμοκρεσόλης έχει πράσινο χρώμα, ενώ το ερυθρό της χλωροφαινόλης πορτοκαλί χρώμα; β) Ποιο θα είναι το χρώμα σε καθεμία από τις εξής περιπτώσεις: i.,4-δινιτροφαινόλη σε HCl 0,1 Μ. ii. Θυμολοφθαλεΐνη σε ΝΗ 3 1 Μ. Κ b (NH 3 ) = iii. Ερυθρό της χλωροφαινόλης σε NaCl 1 Μ. ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Σε ποια από τις παρακάτω τιμές του ph είναι δυνατόν να αντιστοιχεί το ισοδύναμο σημείο κατά την ογκομέτρηση διαλύματος HNO 3 από πρότυπο διάλυμα NaOH; Α),5 Β) 7 Γ) 9 Δ) Σε ποια από τις παρακάτω τιμές του ph είναι δυνατόν να αντιστοιχεί το ισοδύναμο σημείο κατά την ογκομέτρηση διαλύματος ΝaOH με πρότυπο διάλυμα ΗCl; Α) 0 Β) 5 Γ) 7 Δ) Αλκαλιμετρία ονομάζεται η ογκομέτρηση: Α) εξουδετέρωσης διαλύματος ισχυρού οξέος με πρότυπο διάλυμα βάσης Β) με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 Μ Γ) διαλύματος οξέος με πρότυπο διάλυμα βάσης Δ) διαλύματος βάσης με πρότυπο διάλυμα οξέος 1.. Δείκτης έχει περιοχή αλλαγής χρώματος 6,5-7,5. Σε ποια ογκομέτρηση είναι ιδανικός ο δείκτης αυτός; A) Ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση B) Ισχυρού οξέος με ασθενή βάση Γ) Ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ Δ) Σε καμία περίπτωση 1.3. Η ακρίβεια της ογκομετρικής μεθόδου εξαρτάται: Α) από το πόσο κοντά είναι το ισοδύναμο με το τελικό σημείο Β) από την ακρίβεια υπολογισμού της συγκέντρωσης του πρότυπου διαλύματος Γ) από την ακρίβεια υπολογισμού των όγκων των διαλυμάτων Δ) από όλα τα παραπάνω 1.4. Με βάση την καμπύλη ογκομέτρησης που ακολουθεί, να απαντήσετε στις ερωτήσεις i, ii και iii: ph B A Γ Δ V NaOH (ml) 73

286 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 i. Σε ποιο σημείο της καμπύλης το διάλυμα ογκομέτρησης συμπεριφέρεται ως ρυθμιστικό; A) Στο A B) Στο B Γ) Στο Γ Δ) Στο Δ ii. Ποιο σημείο αντιστοιχεί στο ισοδύναμο σημείο της ο- γκομέτρησης; A) Tο A B) Tο B Γ) Tο Γ Δ) Tο Δ iii. H καμπύλη περιγράφει την ογκομέτρηση: A) ισχυρού οξέος με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης B) ασθενούς οξέος με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης Γ) ασθενούς βάσης με πρότυπο διάλυμα ισχυρού οξέος Δ) ισχυρού οξέος με πρότυπο διάλυμα ασθενούς βάσης 1.5. Οι καμπύλες με τις επισημάνσεις 1 και έχουν ληφθεί με την ογκομέτρηση ίσων όγκων δειγμάτων δύο διαφορετικών οξέων με το ίδιο πρότυπο διάλυμα (NaOH 0,1 M). Ποια συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν για τις συγκεντρώσεις και την ισχύ των δύο οξέων; ph 1 V NaOH (ml) Α) Οι συγκεντρώσεις είναι ίδιες, αλλά το οξύ 1 είναι ασθενέστερο από το οξύ Β) Οι συγκεντρώσεις είναι ίδιες, αλλά το οξύ 1 είναι ισχυρότερο από το οξύ Γ) Τα δύο οξέα έχουν την ίδια ισχύ, αλλά το οξύ έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση Δ) Τα δύο οξέα έχουν την ίδια ισχύ, αλλά το οξύ 1 έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση 1.6. Σε ποια από τις παρακάτω τιμές ph μπορεί να αντιστοιχεί το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης διαλύματος CH 3 COOH 0, Μ με πρότυπο διάλυμα NaOH 0, Μ; Α) 14 Β) 5 Γ) 7 Δ) Σε ποια από τις παρακάτω τιμές ph είναι δυνατόν να αντιστοιχεί το ισοδύναμο σημείο κατά την ογκομέτρηση διαλύματος ΝH 3 με πρότυπο διάλυμα ΗCl 0,01 Μ; Α) Β) 7 Γ) 9 Δ) Ογκομετρούμε διάλυμα ΝH 3 άγνωστης συγκέντρωσης με πρότυπο διάλυμα ΗCl, παρουσία κατάλληλου δείκτη. Παρατηρούμε ότι στο μέσο της ογκομέτρησης το ph έχει τιμή 9. Ποια τιμή για την σταθερά pk b της ΝΗ 3, που υπολογίζεται με βάση το δεδομένα αυτά; θ=5 ο C. Α) 9 Β) 5 Γ) 10 5 Δ) Ποιος είναι ο καταλληλότερος δείκτης για την ταυτοποίηση του σημείου πλήρους εξουδετέρωσης του CH 3 COOH (K a = 10 5 ) με την NH 3 (K b = 10 5 ), σε θερμοκρασία 5 ο C. Στην παρένθεση δίνονται οι περιοχές ph στις οποίες οι δείκτες αλλάζουν χρώμα. A) Ερυθρό του κογκό (ph: 3-5) B) Φαινολοφθαλεΐνη ph: (8,3-10,1) Γ) Κίτρινο της αλιζαρίνης (ph: 10-1) Δ) Κυανούν της βρωμοθυμόλης (ph: 6-7,6) [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Ογκομετρούμε διάλυμα NaHCO 3 με πρότυπο διάλυμα NaOH. Στο ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης αυτής το διάλυμα θα είναι: A) Βασικό, λόγω της υδρόλυσης των ιόντων ΗCO 3 B) Βασικό, λόγω της υδρόλυσης των ιόντων CO 3 Γ) Όξινο, λόγω της υδρόλυσης των ιόντων Na + Δ) Όξινο, λόγω της υδρόλυσης των ιόντων HCO Να συμπληρωθεί με τις λέξεις που λείπουν οι παρακάτω ορισμοί: Α) Η.. είναι ο κλάδος της ογκομετρίας που περιλαμβάνει προσδιορισμούς συγκεντρώσεων. με.. διάλυμα οξέος. Αλκαλιμετρία έχουμε όταν ογκομετρείται ένα. με διάλυμα... Β) Ογκομέτρηση είναι η διαδικασία.. προσδιορισμού μιας ουσίας με μέτρηση του όγκου διαλύματος γνωστής συγκέντρωσης (. διαλύματος) που χρειάζεται για την.. αντίδραση με την ουσία. Γ) Ισοδύναμο σημείο είναι το σημείο της.., όπου έχει αντιδράσει πλήρως η. ουσία (στοιχειομετρικά) με ορισμένη ποσότητα του διαλύματος. Δ) Το σημείο όπου παρατηρείται η. αλλαγή του ογκομετρούμενου διαλύματος ονομάζεται.. σημείο ή πέρας ογκομέτρησης. Ε) Καμπύλη ογκομέτρησης είναι η γραφική παράσταση της τιμής του του ογκομετρούμενου διαλύματος, όπως μετριέται με ένα, σε συνάρτηση με τον του προστιθέμενου διαλύματος Στο διπλανό σχήμα απεικονίζεται μία ογκομέτρηση. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για Στην ογκομέτρηση αυτή το πρότυπο διάλυμα είναι το διάλυμα του., ενώ στην κωνική φιάλη περιέχεται διάλυμα Αρχικά το ph που παρατηρείται είναι., στο ισοδύναμο σημείο είναι, ενώ μετά το πέρας της ογκομέτρησης είναι. HCl ΝaOH 0,1 M 74

287 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζεται η καμπύλη ογκομέτρησης κατά την οποία διάλυμα HCl ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH. ph ροζ άχρωμο μπλε κίτρινο φαινολοφθαλεΐνη βρωμοκρεσόλη 5 50 V NaOH 0,1 M (ml) Το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης επέρχεται όταν έχουμε προσθέσει ml ΝaOH και αντιστοιχεί σε ph ίσο με. Αν χρησιμοποιήσουμε σαν δείκτη φαινολοφθαλεΐνη, το διάλυμα πριν το τελικό εμφανίζεται., ενώ μετά το τελικό σημείο έχει.. χρώμα. Έτσι, π.χ. με την προσθήκη 30 ml διαλύματος NaOH το διάλυμα έχει.. χρώμα. Αν χρησιμοποιήσουμε σαν δείκτη βρωμοκρεσόλη το διάλυμα πριν το τελικό σημείο εμφανίζεται, ενώ μετά το τελικό σημείο έχει.. χρώμα. Έτσι, π.χ. με την προσθήκη 15 ml διαλύματος NaOH το διάλυμα έχει.. χρώμα Χημικό εργαστήριο διαθέτει τρεις δείκτες, τον Α (8,0-9,9), τον Β (6-7,6) και τον Γ (3,9-5,4), οι οποίοι χρωματίζουν ένα διάλυμα χαρακτηριστικά, όταν το ph του βρίσκεται εκτός των ορίων που αναγράφονται μέσα στις παρενθέσεις. Ποιον από τους τρεις αυτούς δείκτες θα χρησιμοποιούσατε, για την ογκομέτρηση εξουδετέρωσης διαλύματος ΚΟΗ 0,1 Μ με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 Μ; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Να χαρακτηριστούν οι προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή όχι. Α) Ισοδύναμο σημείο είναι το σημείο της ογκομέτρησης όπου έχει αντιδράσει πλήρως η ουσία (στοιχειομετρικά) με ορισμένη ποσότητα του πρότυπου διαλύματος. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Β) Ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης του διαλύματος ενός οξέος με μέτρηση του όγκου ενός πρότυπου διαλύματος βάσης που απαιτείται για την εξουδετέρωσή του ονομάζεται αλκαλιμετρία Διάλυμα ΝaOH όγκου V β και συγκέντρωσης c β ο- γκομετρείται με πρότυπο διάλυμα HCl συγκέντρωσης c o και λαμβάνεται η καμπύλη ογκομέτρησης που ακολουθεί ph ml 50 Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές (Σ) και ποιες λανθασμένες (Λ); Α) Η ογκομέτρηση εξουδετέρωσης χαρακτηρίζεται ως ο- ξυμετρία Β) Πριν την έναρξη της ογκομέτρησης ισχύει: ph = 1 Γ) Όταν έχουμε προσθέσει 40 ml διαλύματος ΗCl έχουμε περίσσεια οξέος Δ) Αν V β = 5 ml, τότε c o = c β Λαμβάνοντας πληροφορίες από την καμπύλη ογκομέτρησης ενός ασθενούς ηλεκτρολύτη που ακολουθεί, να σημειώσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές (Σ) και ποιες λανθασμένες (Λ). 14 ph Α Β Γ Δ Ε Ζ Η Θ Λ ml Α) Η παραπάνω καμπύλη είναι μία καμπύλη αλκαλιμετρίας Β) Το pk του ασθενούς ηλεκτρολύτη είναι η τεταγμένη του σημείου Ε Γ) Το ph στα σημεία Α, Β και Γ μπορεί να υπολογιστεί με βάση την εξίσωση Henderson - Hasselbalch Δ) Στα σημεία Η, Θ και Λ το πρότυπο διάλυμα μέσα στην προχοΐδα έχει το μεγαλύτερο όγκο Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή όχι. Α) Κατά την προσθήκη ενός δείκτη Η (ασθενές οξύ) σε ένα άχρωμο υδατικό διάλυμα, το χρώμα που παίρνει τελικά το διάλυμα εξαρτάται μόνο από τη σταθερά Κ a (HΔ) του δείκτη. Β) Κατά τη διάρκεια μιας ογκομέτρησης με οξέα ή βάσεις (οξυμετρία ή αλκαλιμετρία) το ph του ογκομετρούμενου διαλύματος παραμένει σταθερό. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Γ) Με την αραίωση υδατικού διαλύματος CH 3 COOH 0,1 Μ που περιέχει δείκτη ΗΔ, ο λόγος των συγκεντρώσεων [ΗΔ]/[Δ ] αυξάνεται. Δ) Με την αραίωση σε διπλάσιο όγκο υδατικού διαλύματος CH 3 COOH 0,1 Μ / CH 3 COONa 0,1 M που περιέχει δείκτη ΗΔ, ο λόγος των συγκεντρώσεων [ΗΔ]/[Δ ] αυξάνεται. 75

288 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Διάλυμα CH 3 COOH ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH. α) Στο ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης, το διάλυμα είναι όξινο, ουδέτερο ή βασικό; Να αιτιολογήσετε την α- πάντησή σας. β) Ποιος από τους πρωτολυτικούς δείκτες, ερυθρό του αιθυλίου (pk ahδ = 5,5) και φαινολοφθαλεΐνη (pk ahδ = 9), είναι κατάλληλος για τον καθορισμό του τελικού σημείου της ογκομέτρησης; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Σε ένα πείραμα ογκομέτρησης διαπιστώσαμε ότι 5 ml ενός διαλύματος H SO 4 απαίτησαν για πλήρη αντίδραση ακριβώς 50 ml πρότυπου διαλύματος KOH 0,1 M. Ποια η τιμή της συγκέντρωσης c του διαλύματος του H SO 4 ; Σε μία οξυμετρία χρησιμοποιήθηκαν 0 ml διαλύματος μονοπρωτικής βάσης Β και πρότυπο υδατικό διάλυμα HCl 0,1 Μ. Κατά τη διαδικασία της ογκομέτρησης κατασκευάσαμε τον πίνακα που ακολουθεί: 76 Όγκος πρότυπου διαλύματος ph (ml) 0,0 11,5 5,0 10,0 10,0 9,4 15,0 9,3 0,0 8,8,0 8,0 4,0 6,6 5,0 5, 5,5,3 6,0 1,9 α) Ποιος όγκος πρότυπου διαλύματος έχει προστεθεί μέχρι το ισοδύναμο σημείο (κατά προσέγγιση); β) Να εξηγήσετε γιατί η Β θα πρέπει να είναι ασθενής βάση. γ) Ποια η συγκέντρωση του διαλύματος της ασθενούς βάσης θεωρώντας το παραπάνω ισοδύναμο σημείο; δ) Γιατί το ph μεταβάλλεται ελαφρά μεταξύ της προσθήκης των 10 ml και των 15 ml του διαλύματος του HCl; 1.4. Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα CH 3 COOH, το Α και το Β με συγκεντρώσεις c A και c B, αντίστοιχα, καθώς και πρότυπο διάλυμα ΝaOH συγκέντρωσης c. Ποσότητα του διαλύματος Α όγκου x (ml) ογκομετρείται με το πρότυπο διάλυμα, ενώ ίσος όγκος x (ml) από το Β ογκομετρείται με το ίδιο πρότυπο διάλυμα. Λαμβάνουμε έτσι τις καμπύλες ογκομέτρησης (α) και (β) που ακολουθούν. Παρατηρούμε ότι στην καμπύλη (α) απαιτούνται x ml μέχρι το ισοδύναμο σημείο, ενώ στην καμπύλη (β) απαιτούνται (x/) ml μέχρι το ισοδύναμο σημείο. ph 7 (α) x (ml NaOH) α) Να εξηγήσετε με τη χρήση χημικών εξισώσεων γιατί στο ισοδύναμο σημείο και των δύο ογκομετρήσεων το ph είναι βασικό. β) Να συγκρίνετε: i. Τις συγκεντρώσεις c A και c B του CH 3 COOH στα Α και Β. ii. Τα ph των Α και Β πριν την έναρξη της ογκομέτρησης. iii. Τους βαθμούς ιοντισμού του CH 3 COOH στα διαλύματα Α και Β. γ) Να συγκρίνετε τα ph των: i. (α) και (β) στα ισοδύναμα σημεία. ii. (α) και (β) όταν έχουμε προσθέσει x/ ml και x/4 ml, αντίστοιχα. θ=5 ο C. Ισχύουν οι γνωστές προσεγγίσεις Η αμμωνία (ΝΗ 3 ) περιέχεται σε προϊόντα που χρησιμοποιούνται για τη βαφή των μαλλιών. Το μέγιστο επιτρεπτό όριο στα προϊόντα αυτά είναι περίπου 10% w/v. 10 ml ενός τέτοιου προϊόντος αραιώνεται με νερό μέχρι τελικού όγκου 100 ml. 10 ml από το αραιωμένο διάλυμα ο- γκομετρούνται με διάλυμα HCl 0,1 Μ, παρουσία δείκτη. Παρατηρήθηκε ότι μέχρι το τελικό σημείο απαιτήθηκαν 30 ml του πρότυπου διαλύματος. α) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του αραιωμένου διαλύματος της ΝΗ 3. β) Να εξηγήσετε αν το προϊόν της βαφής είναι σύμφωνο με την προδιαγραφή περιεκτικότητας σε ΝΗ ml διαλύματος NaOH ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 Μ παρουσία φαινολοφθαλεΐνης. Παρατηρείται ότι ο δείκτης αλλάζει χρώμα με την προσθήκη ακριβώς 0 ml πρότυπου διαλύματος. Nα υπολογιστούν: α) Η συγκέντρωση του διαλύματος του NaOH και β) ο όγκος του πρότυπου διαλύματος που έχει προστεθεί όταν ph = Διάλυμα ΗCl όγκου 5 ml ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0, Μ, οπότε μέχρι το ισοδύναμο σημείο απαιτήθηκαν 30 ml από το πρότυπο διάλυμα. α) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του ογκομετρούμενου διαλύματος. β) Σε άλλα 5 ml του διαλύματος HCl προστίθενται 5 ml νερού και το διάλυμα που προκύπτει ογκομετρείται με το παραπάνω πρότυπο διάλυμα NaOH. Ποιος όγκος του πρότυπου διαλύματος απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο; γ) Άλλα 5 ml του αρχικού διαλύματος HCl αραιώνονται με νερό μέχρι να προκύψει διάλυμα όγκου 50 ml. 5 ml από το αραιωμένο διάλυμα ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα Ca(OH) 0,01 Μ. Ποιος όγκος πρότυπου διαλύματος απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο στην περίπτωση αυτή; 7 (β) x/ (ml NaOH)

289 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ Να υπολογίσετε το ph που προκύπτει όταν οι ακόλουθες ποσότητες διαλύματος NaOH 0,1 M έχουν προστεθεί σε 50 ml διαλύματος HCl 0,1 Μ: α) 49 ml, β) 49,9 ml, γ) 50 ml, δ) 50,1 ml, ε) 51 ml. Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρήσετε ότι ο τελικός όγκος είναι περίπου 100 ml Το κυανού της θυμόλης είναι ένας δείκτης με δύο περιοχές χρωματικής αλλαγής, στην όξινη περιοχή σε ph = 1,-,8 (από κόκκινο σε κίτρινο) και στη βασική περιοχή σε ph = 8-9,6 (από κίτρινο σε μπλε). α) Να εξηγήσετε γιατί ο δείκτης αυτός είναι ακατάλληλος για την ογκομέτρηση διαλύματος ΗCl με πρότυπο διάλυμα NaOH στην όξινη περιοχή. Να εξηγήσετε το είδος του σφάλματος (αν θα προσδιοριστεί μεγαλύτερη ή μικρότερη συγκέντρωση για το διάλυμα HCl από την πραγματική). Τι είδος σφάλματος θα έχουμε αν χρησιμοποιήσουμε το δείκτη αυτό στη βασική του περιοχή; β) Φοιτητής χρησιμοποίησε τον δείκτη αυτό για την παραπάνω ογκομέτρηση και σταμάτησε τη διαδικασία στο ph =. Να εξηγήσετε γιατί δεν παρατήρησε απότομη χρωματική αλλαγή. γ) Σταγόνες του δείκτη προστίθενται σε διάλυμα που περιέχει CΗ 3 COOH 1 Μ και CΗ 3 COONa 1 Μ. Τι χρώμα θα πάρει το διάλυμα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Κ a (CΗ 3 COOH) = K w = Η προσθήκη του δείκτη δε μεταβάλλει το ph του διαλύματος ml διαλύματος Ca(OH) ογκομετρούνται με διάλυμα ΗCl 0,1 M, οπότε μέχρι το ισοδύναμο σημείο απαιτήθηκαν 5 ml του πρότυπου διαλύματος. α) Ποια η συγκέντρωση του διαλύματος Ca(OH) ; β) Να σχεδιάσετε κατά προσέγγιση την καμπύλη εξουδετέρωσης, σημειώνοντας το ph πριν την έναρξη της ογκομέτρησης, καθώς και το ισοδύναμο σημείο. γ) Ποιον από τους δείκτες που ακολουθούν θα χρησιμοποιούσατε για την εύρεση του τελικού σημείου; I. Κυανού της βρωμοθυμόλης, K a (HΔ) = 7, II.,4-δινιτροφαινόλη, K a (HΔ) = 1, III. Θυμολοφθαλεΐνη, K a (HΔ) = δ) Να εξηγήσετε τα προβλήματα που θα έχει η επιλογή του δείκτη κυανού της βρωμοφαινόλης (Κ a,hδ = 1, ) Το Ν που περιέχεται σε οργανικές ενώσεις προσδιορίζεται με μετατροπή του σε ΝΗ 3 (μέθοδος Kjeldahl). Με βάση τη μέθοδο αυτή, η ΝΗ 3 που προκύπτει από g δείγματος οργανικής ένωσης συλλέγεται σε περίσσεια διαλύματος HCl 0,1 Μ όγκου 50 ml. H περίσσεια του HCl ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα ΝaOH 0,1 Μ, οπότε μέχρι το ισοδύναμο σημείο απαιτούνται 0 ml. Να προσδιοριστεί η περιεκτικότητα % w/w του δείγματος σε Ν Διάλυμα HCl όγκου V o και συγκέντρωσης c o ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH συγκέντρωσης c β. α) Να αποδειχθεί ότι πριν από το ισοδύναμο σημείο ισχύει: covo cβvβ [H3O ] V V o β όπου V β o όγκος του πρότυπου διαλύματος που έχει προστεθεί. β) Να αποδειχθεί ότι μετά το ισοδύναμο σημείο ισχύει: Vo Vβ [H3O ] Kw cβvβ covo όπου V β o συνολικός όγκος του πρότυπου διαλύματος που έχει προστεθεί Δίνεται η καμπύλη ογκομέτρησης 10 ml διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ, με πρότυπο διάλυμα ΝaΟΗ 0,1 Μ. ph 7 5 A B Δ: ΙΣ Γ 5 10 V NaOH (ml) α) Με βάση την καμπύλη ογκομέτρησης να εξηγήσετε γιατί το οξύ ΗΑ είναι ασθενές οξύ. β) Να υπολογίσετε: i. τη συγκέντρωση του διαλύματος του ΗΑ και ii. τη σταθερά ιοντισμού Κ a του ΗΑ. γ) Σε ποιο ή ποια από τα σημεία Α-Ε που βρίσκονται πάνω στην καμπύλη, i. υπάρχει στη φιάλη ογκομέτρησης μόνο το άλας ΝaA; ii. υπάρχει στη φιάλη ογκομέτρησης το άλας NaΑ και το οξύ ΗΑ; iii. υπάρχει περίσσεια της βάσης; δ) Στο τέλος της ογκομέτρησης η καμπύλη τείνει ασυμπτωτικά προς μια τιμή ph. Ποια είναι αυτή η τιμή ph και γιατί; ε) Δύο δείκτες HΔ 1 και HΔ έχουν σταθερές ιοντισμού 10 4 και 10 9, αντίστοιχα. i. Ποιος από τους δύο δείκτες είναι καταλληλότερος για την παραπάνω ογκομέτρηση και γιατί; ii. Να εξηγήσετε ποιο αποτέλεσμα θα είχε στους υπολογισμούς της συγκέντρωσης του αγνώστου η λανθασμένη επιλογή του δείκτη. iii. O δείκτης HΔ 1 είναι ένα ασθενές οξύ του οποίου το όξινο χρώμα είναι κίτρινο, ενώ το βασικό χρώμα του είναι μπλε. Ποιο χρώμα θα έχει ο δείκτης στο αρχικό διάλυμα του οξέος ΗΑ; ml διαλύματος ΝH 3 0, Μ ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα ΗCl 0, M. α) Να υπολογίσετε τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο και το ph στο σημείο αυτό. Για την ΝΗ 3 : K b = θ=5 ο C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. β) Να εξηγήσετε πως θα μεταβληθούν ο όγκος του πρότυπου διαλύματος που απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο και το ph στο σημείο αυτό: i. αν πριν την έναρξη της ο- γκομέτρησης προστεθούν στο ογκομετρούμενο διάλυμα 50 ml νερού και ii. αν χρησιμοποιηθεί πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 Μ αντί για 0, Μ. Ε 77

290 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ογκομετρούμε 0 ml διαλύματος ασθενούς βάσης Β συγκέντρωσης c με πρότυπο διάλυμα ΗCl 0, Μ λαμβάνοντας την αντίστοιχη καμπύλη ογκομέτρησης. Παρατηρούμε ότι με την προσθήκη 10 ml πρότυπου διαλύματος το ph έχει τιμή 7, ενώ με την προσθήκη επιπλέον 10 ml επέρχεται το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης. α) Ποια η τιμή της σταθεράς ιοντισμού Κ b της βάσης Β; β) i. Ποια η τιμή της συγκέντρωσης c; ii. Ποιο το ph στο ισοδύναμο σημείο; γ) Πόσα ml πρότυπου διαλύματος έχουν προστεθεί συνολικά, όταν ph = ; θ=5 ο C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις σε όλες τις περιπτώσεις Διάλυμα (Υ1) περιέχει το ασθενές μονοπρωτικό οξύ ΗΧ σε συγκέντρωση c. Σε 5 ml του διαλύματος Υ1 προσθέτουμε σταγόνες δείκτη ΗΔ (pk a,hδ = 7) και στη συνέχεια 5 ml διαλύματος ΝaΟΗ 0,1 Μ. Το διάλυμα (Υ) που προκύπτει έχει όγκο 50 ml και σε αυτό ισχύει: [ΗΔ] = 300 [Δ ]. Σε όλη την ποσότητα του Υ προσθέτουμε επιπλέον 5 ml διαλύματος NaOH 0,1 Μ και το διάλυμα που προκύπτει έχει όγκο 75 ml και σε αυτό ισχύει: [ΗΔ] = 100 [Δ ]. Να υπολογιστεί η τιμή της συγκέντρωσης c του διαλύματος Υ1 καθώς και η τιμή της σταθεράς ιοντισμού Κ a του οξέος ΗΧ. Όλα τα διαλύματα έχουν την ίδια θερμοκρασία θ=5 ο C. Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Οι καμπύλες (1) και () παριστάνουν τις καμπύλες ογκομέτρησης ίσων όγκων ενός διαλύματος CH 3 COOH (K a = 10 5 ) 0, Μ και ενός διαλύματος οξέος ΗCOOH με το ίδιο πρότυπο διάλυμα NaOH 0, Μ. α) Ποια καμπύλη αντιστοιχεί στο CH 3 COOH και ποια στο ΗCΟΟΗ; β) Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος του HCOOH καθώς και την τιμή της σταθεράς ιοντισμού του. γ) Να υπολογίσετε το ph στο ισοδύναμο σημείο (IΣ) κατά την ογκομέτρηση του ΗCΟΟΗ. Tα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία θ=5 C όπου K w = Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. ph 4 Καμπύλη (1) ΙΣ 10 0 ml NaOH 0, M ph 5 Καμπύλη () ΙΣ 10 0 ml NaOH 0, M ΕΝΑ ΞΕΧΩΡΙΣΤΟ ΘΕΜΑ Το ξίδι είναι αραιό διάλυμα οξικού οξέος (CH 3 COOH) και παρασκευάζεται με οξική ζύμωση του κρασιού. Η συγκέντρωση του ξιδιού του εμπορίου σε οξικό οξύ εκφράζεται σε βαθμούς που δηλώνουν την % w/v περιεκτικότητά του. Για να προσδιορίσουμε τους βαθμούς ξιδιού του εμπορίου εκτελούμε τα εξής πειράματα. 1. Παρασκευή πρότυπου διαλύματος NaOH 0,1 Μ. Διαθέτουμε διάλυμα NaOH άγνωστης συγκέντρωσης. Ογκομετρούμε 10 ml από το διάλυμα αυτό με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 Μ. Παρατηρούμε ότι μέχρι το ισοδύναμο σημείο απαιτήθηκαν ακριβώς 1,5 ml από το πρότυπο διάλυμα. α) Ποια η συγκέντρωση του διαλύματος NaOH; β) Πόσα ml νερού πρέπει να προστεθούν σε κάποια ποσότητα του διαλύματος NaOH, ώστε να προκύψουν 100 ml διαλύματος NaOH 0,1 Μ;. Προσδιορισμός των βαθμών δείγματος ξιδιού. Παίρνουμε 10 ml ακριβώς από το δείγμα του ξιδιού και τα αραιώνουμε με νερό μέχρι τελικού όγκου 100 ml. 10 ml από το αραιωμένο διάλυμα ογκομετρούνται με το πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 Μ που παρασκευάσαμε στο βήμα 1. Παρατηρούμε ότι μέχρι το ισοδύναμο σημείο απαιτήθηκαν ακριβώς 8 ml από το πρότυπο διάλυμα. γ) Ποια η συγκέντρωση του αραιωμένου δείγματος ξιδιού σε CH 3 COOH; δ) Πόσους βαθμούς είναι το αρχικό δείγμα ξιδιού; Να θεωρήσετε ότι το μόνο οξύ που υπάρχει στο διάλυμα είναι το αιθανικό οξύ. Χημεία και τέρατα: «Πισίνες και... δείκτες» Οι δείκτες χρησιμοποιούνται στις χλωριωμένες πισίνες για τον εύκολο έλεγχο του ph. Το καλύτερο ph είναι περίπου 7,4, έτσι ώστε και να μην ευνοείται η ανάπτυξη μυκήτων και να μην καταστρέφονται τα υδραυλικά μέρη. Χρησιμοποιείται π.χ. το κόκκινο της φαινόλης, που αλλάζει χρώμα μεταξύ 6-8 (από κίτρινο σε κόκκινο). Αν η τιμή του ph ανέβει πάνω από την επιθυμητή τιμή (έντονο κόκκινο χρώμα) ρυθμίζεται με την προσθήκη υδροχλωρικού ή θειικού οξέος, μέχρις ότου το χρώμα να επανέλθει στα επιθυμητά επίπεδα. 78

291 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-11 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (4x11 = 44 μονάδες). 1. Δείκτης ΗΔ έχει σταθερά ιοντισμού Κ a = Σε ph < 4 το χρώμα είναι κόκκινο, ενώ σε ph > 6 το χρώμα του είναι κίτρινο. Τι από τα παρακάτω ισχύει για διαλύματα του δείκτη αυτού; Α) Ο δείκτης εμφανίζει κόκκινο χρώμα όταν [ΗΔ] / [Δ ] = 1/10 Β) Όταν [ΗΔ] / [Δ ] > 100 το διάλυμα θα έχει ph = 4 Γ) Ο δείκτης εμφανίζει κίτρινο χρώμα όταν [HΔ] / [Δ ] > 10 Δ) Δεν ισχύει τίποτε από τα παραπάνω. Ο δείκτης ερυθρό του μεθυλίου έχει: K a (ΗΔ) = Η όξινη μορφή του δείκτη έχει χρώμα κόκκινο, ενώ η βασική μορφή του, κίτρινο. Αν ο δείκτης αυτός προστεθεί σε ά- χρωμο ουδέτερο διάλυμα, το χρώμα το διαλύματος θα: A) παραμείνει άχρωμο B) γίνει κόκκινο Γ) γίνει πορτοκαλί Δ) γίνει κίτρινο 3. Δύο φιάλες A και B περιέχουν δύο διαλύματα της ίδιας συγκέντρωσης. Στη φιάλη Α περιέχονται 5 ml διαλύματος NaOH και στη φιάλη Β, 5 ml διαλύματος NH 3. Τα δύο διαλύματα ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 Μ. Τι από τα παρακάτω ισχύει; Α) Τα δύο διαλύματα Α και Β έχουν το ίδιο αρχικό ph Β) Τα δύο διαλύματα απαιτούν τον ίδιο όγκο του πρότυπου διαλύματος μέχρι το ισοδύναμο σημείο Γ) Στο ισοδύναμο σημείο και των δύο ογκομετρήσεων ι- σχύει: ph = 7 Δ) Στο ισοδύναμο σημείο και των δύο ογκομετρήσεων ι- σχύει: [H 3 O + ] = [OH ] 4. Για να βρούμε με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια το ισοδύναμο σημείο κατά την εξουδετέρωση διαλύματος ΗClΟ 4 με πρότυπο διάλυμα KOH, ποιον από τους παρακάτω δείκτες (Α, Β, Γ, Δ) πρέπει να χρησιμοποιήσουμε; Α) το δείκτη Α με όρια μεταβολής χρώματος, pη = 8,3-10,0 Β) το δείκτη Β με όρια μεταβολής χρώματος, pη = 6,0-7,6 Γ) το δείκτη Γ με όρια μεταβολής χρώματος, pη = 3,9-5,7 Δ) το δείκτη Δ με όρια μεταβολής χρώματος, pη = 9,1-11, 5. Ογκομετρούμε υδατικό διάλυμα CH 3 COOH (με σταθερά ιοντισμού K a ) με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 M, παρουσία δείκτη φαινολοφθαλεΐνης (περιοχή αλλαγής χρώματος 8,-10, από άχρωμο σε κόκκινο), μέχρις ότου εμφανιστεί κόκκινο χρώμα στο διάλυμα. Στο σημείο αυτό το ph είναι: Α) ίσο με pk a Β) πολύ κοντά στην τιμή 7 Γ) ίσο με 10 ή λίγο μεγαλύτερο Δ) ίσο με Διάλυμα HOCl (K a = 10 8 ) συγκέντρωσης 0, Μ ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0, Μ. Ποιος από τους δείκτες που ακολουθούν είναι ο πλέον κατάλληλος για την ογκομέτρηση αυτή (σε παρένθεση η τιμή της σταθεράς pk a του αντίστοιχου δείκτη); A) Θυμολοφθαλεΐνη (9,9) B) Κυανού της βρωμοθυμόλης (7,1) Γ) Πράσινο της βρωμοκρεσόλης (4,7) Δ) Κυανού της βρωμοφαινόλης (3,8) ml διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 Μ. Ποια από τις παρακάτω πληροφορίες δεν μπορούμε να πάρουμε από την καμπύλη ογκομέτρησης που θα προκύψει; A) Την σταθερά pk a του ΗΑ B) Τη σχετική μοριακή μάζα του ΗΑ Γ) Την τιμή της c Δ) Το ph του ρυθμιστικού διαλύματος που θα σχηματιστεί όταν έχει προστεθεί η μισή ποσότητα της βάσης σε σχέση με το ισοδύναμο σημείο 8. Μία ειδική κόλλα stick έχει ροζ χρώμα όταν βρίσκεται στο σωλήνα που περιέχει την κόλλα, αλλά γίνεται άχρωμη όταν εφαρμόζεται σε μία επιφάνεια. Περιέχει το δείκτη φαινολοφθαλεΐνη και μικρή ποσότητα βάσης, ο συνδυασμός των οποίων παράγει το ροζ χρώμα. Σε χαμηλότερα ph ο δείκτης γίνεται άχρωμος. Ποια από τις παρακάτω ουσίες του αέρα είναι πιθανόν να μετατρέπει την κόλλα σε άχρωμη; Α) Ν Β) Ο Γ) He Δ) CO 9. To διάγραμμα που ακολουθεί αντιστοιχεί στην καμπύλη ογκομέτρησης διαλύματος CH 3 COOH με πρότυπο διάλυμα ΝaOH. ph 5 Στο σημείο που απεικονίζεται με το Χ, τι υπάρχει στο διάλυμα της ογκομέτρησης; Α) Μόνο το CH 3 COOH Β) Μόνο το CH 3 COOΝa Γ) CH 3 COONa και ΝaOH Δ) CH 3 COONa και CH 3 COOH 10 Χ V NaOH (ml) 79

292 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 10. Ογκομετρούμε τέσσερα διαφορετικά διαλύματα που περιέχουν τα οξέα ΗΑ, ΗΒ, ΗΓ και ΗΔ ίσου όγκου με το ίδιο πρότυπο διάλυμα NaOH. Λαμβάνουμε έτσι, αντίστοιχα, τις καμπύλες (1), (), (3) και (4). ph (1) () (3) (4) V NaOH (ml) Για τις ογκομετρήσεις αυτές ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν ισχύει; Α) Το πιο ισχυρό είναι το οξύ ΗΔ Β) Σε όλες τις περιπτώσεις στο ισοδύναμο σημείο ισχύει ph = 7 Γ) Σε όλες τις περιπτώσεις το ph στο ισοδύναμο σημείο είναι το ίδιο Δ) Για τις αρχικές συγκεντρώσεις των διαλυμάτων ισχύει: c 1 < c < c 3 < c Στον πίνακα που ακολουθεί δίνονται δεδομένα για τρεις δείκτες, Ι, ΙΙ και ΙΙΙ. Δείκτης Ι: Μπλε της βρωμοθυμόλης Δείκτης ΙΙ: Μπλε της θυμόλης Δείκτης ΙΙΙ: Πορτοκαλί του μεθυλίου Δείκτης Χρωματική αλλαγή Περιοχή ph Ι Κίτρινο - μπλε 6, - 7,6 ΙΙ Κόκκινο - κίτρινο 1, -,8 ΙΙΙ Κόκκινο - κίτρινο 3,1-4,4 Σε ποια από τις παρακάτω τιμές ph και οι τρεις δείκτες εμφανίζουν κίτρινο χρώμα; Α) 1,9 Β),9 Γ) 4,7 Δ) 8,7 1. Κατά τη διάρκεια μιας ογκομέτρησης αλκαλιμετρίας παρατηρήθηκε μικρή απώλεια πρότυπου διαλύματος, λόγω διαρροής του από την προχοΐδα. α) Πώς θα επηρεαστεί το ισοδύναμο και πώς το τελικό σημείο της ογκομέτρησης; β) Η συγκέντρωση του ογκομετρούμενου διαλύματος θα βρεθεί μεγαλύτερη ή μικρότερη της πραγματικής; Να δικαιολογήσετε τις απαντήσεις σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 4 μονάδες 13. Nα αναφέρετε 3 λόγους που μπορεί να προκαλέσουν σφάλμα σε μία ογκομέτρηση. 3 μονάδες 80

293 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ 14. Να χαρακτηριστούν οι προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες. Α) Όσο πιο κοντά είναι το ισοδύναμο σημείο με το τελικό σημείο τόσο πιο ακριβής είναι η ογκομέτρηση. Β) Τόσο σε μία αλκαλιμετρία όσο και σε μία οξυμετρία, το τελικό σημείο θα πρέπει να βρίσκεται στο πεδίο ph αλλαγής χρώματος του πρωτολυτικού δείκτη που χρησιμοποιείται. Γ) Η αλκαλιμετρία και η οξυμετρία είναι ογκομετρήσεις που στηρίζονται σε αντιδράσεις εξουδετέρωσης μεταξύ της όξινης και της βασικής μορφής ενός δείκτη. Δ) Η διαδικασία ποσοτικού προσδιορισμού μιας ουσίας μέσω της μέτρησης του όγκου πρότυπου διαλύματος που αντιδρά πλήρως με την ουσία αυτή ονομάζεται ογκομέτρηση. Ε) Σε μια ογκομέτρηση ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ, το ογκομετρούμενο διάλυμα εμφανίζει στο ισοδύναμο σημείο ph < μονάδες 15. Διάλυμα CH 3 COOH όγκου V ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 Μ. Μέχρι το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης καταναλώθηκε όγκος V 1 (ml) από το πρότυπο διάλυμα και το ph βρέθηκε ίσο με x. Ίσος όγκος V (ml) από το παραπάνω διάλυμα CH 3 COOH αραιώνεται με νερό όγκου V και το διάλυμα που προκύπτει (όγκου 3V) ογκομετρείται με το ίδιο πρότυπο διάλυμα. Μέχρι το ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης αυτής καταναλώθηκε όγκος V (ml) από το πρότυπο διάλυμα και το ph βρέθηκε ίσο με y. Nα συγκρίνετε τον όγκο V 1 με τον όγκο V καθώς και το x με το y. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. 9 μονάδες 81

294 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 16. Δύο μαθητές Α και Β ογκομέτρησαν, χωριστά ο καθένας, 5 ml του ίδιου αγνώστου διαλύματος ΝΗ 3 με πρότυπο διάλυμα ΗCl 0,1 Μ. Ο μαθητής Α χρησιμοποίησε ως δείκτη φαινολοφθαλεΐνη με περιοχή ph αλλαγής χρώματος 8,-10 και προσδιόρισε τη συγκέντρωση της ΝΗ 3 στο ογκομετρούμενο διάλυμα ίση με c A. O μαθητής Β χρησιμοποίησε ως δείκτη κόκκινο του μεθυλίου με περιοχή ph αλλαγής χρώματος 4,7-6, και προσδιόρισε τη συγκέντρωση της ΝΗ 3 στο ογκομετρούμενο διάλυμα ίση με c Β. α) Ποιος μαθητής προσδιόρισε ακριβέστερα τη συγκέντρωση της ΝΗ 3 στο ογκομετρούμενο διάλυμα; β) Ποια από τις συγκεντρώσεις c A και c Β είναι μεγαλύτερη; γ) Να αναφέρετε δύο παράγοντες που γενικότερα επηρεάζουν το κατακόρυφο τμήμα μιας καμπύλης ογκομέτρησης οξυμετρίας ή αλκαλιμετρίας. Να αιτιολογήσετε όλες τις απαντήσεις σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 10 μονάδες 8

295 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ 17. Υδατικό διάλυμα 1 περιέχει ασθενές οξύ ΗΑ. 50 ml του διαλύματος 1 ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα ΝaΟΗ συγκέντρωσης 0, Μ. Στο διπλανό σχήμα δίνεται η καμπύλη της ογκομέτρησης: ph Για την πλήρη εξουδετέρωση του ΗΑ απαιτούνται 50 ml του διαλύματος. Α (ΙΣ) 1. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του οξέος ΗΑ στο διάλυμα α) Στο σημείο Β της καμπύλης ογκομέτρησης έχουν προστεθεί 5 ml του προτύπου διαλύματος και το pη του διαλύματος που προκύπτει είναι 5. Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντι- B 5 σμού Κ a του οξέος ΗΑ. β) Να υπολογίσετε το pη του διαλύματος στο ισοδύναμο σημείο. 3. Υδατικό διάλυμα 3 ασθενούς οξέος ΗΒ 0,1 Μ έχει pη =,5. Ποιο από τα δύο οξέα ΗΑ, ΗΒ είναι το ισχυρότερο; Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία θ=5 o C, όπου Κ w = V NaOH (ml) Τα αριθμητικά δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. 0 μονάδες [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 83

296 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 84

297 13 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟ ph ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Γενικά, όταν αναμιγνύουμε ένα διάλυμα που περιέχει μια διαλυμένη ουσία με ένα άλλο διάλυμα που περιέχει άλλη διαλυμένη ουσία διακρίνουμε βασικές περιπτώσεις: Προσοχή: Η σχέση της ανάμιξης c1 V1 + c V = cτελ Vτελ δεν ισχύει αν οι διαλυμένες ουσίες στα δύο αρχικά διαλύματα είναι διαφορετικές. Στις ενότητες 7-10 συναντήσαμε τις εξής βασικές περιπτώσεις προβλημάτων: Διαλύματα ισχυρών οξέων ή ισχυρών βάσεων (ενότητα 7) Διαλύματα ασθενών οξέων ή ασθενών βάσεων (ενότητα 8) Διαλύματα αλάτων - Αντίδραση εξουδετέρωσης (ενότητα 9). Από την ενότητα 9 και μετά αντιμετωπίσαμε περιπτώσεις στις οποίες αναμιγνύουμε διαλύματα διαφορετικών διαλυμένων ουσιών. Στην ενότητα αυτή θα συνοψίσουμε τις παραπάνω περιπτώσεις. Περίπτωση 1. Οι δύο ουσίες δεν αντιδρούν. Εκτελούμε συνήθως τα εξής βήματα: i. Υπολογίζουμε τις συγκεντρώσεις των διαλυμένων ουσιών στο τελικό διάλυμα (π.χ. με τύπους αραίωσης διαλυμάτων ή με βάση τον ορισμό της συγκέντρωσης). ii. Αναγνωρίζουμε την περίπτωση που έχουμε (Ε.Κ.Ι., ρυθμιστικό διάλυμα, διάλυμα άλατος, διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη). Και φυσικά από εκεί και πέρα στους ιοντισμούς ή τις διαστάσεις θα εργαστούμε, όπως πάντα, με συγκεντρώσεις. Περίπτωση. Οι δύο διαλυμένες ουσίες αντιδρούν, με αντίδραση κατά Arrhenius, δηλαδή εξουδετέρωσης ή διπλής αντικατάστασης. Στις περιπτώσεις αυτές εκτελούμε συνήθως τα εξής βήματα: i. Γράφουμε την εξίσωση της αντίδρασης και υπολογίζουμε ή συμβολίζουμε τις αρχικές ποσότητες σε mol. ii. Εκτελούμε τους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς σε mol. iii. Υπολογίζουμε τις συγκεντρώσεις των σωμάτων που μένουν μετά την αντίδραση διαιρώντας με τον όγκο του τελικού διαλύματος. iv. Αναγνωρίζουμε την περίπτωση που έχουμε (Ε.Κ.Ι., ρυθμιστικό διάλυμα, διάλυμα άλατος, διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη). Από εκεί και πέρα στους ιοντισμούς ή τις διαστάσεις θα εργαστούμε, όπως πάντα, με συγκεντρώσεις. Βασικές περιπτώσεις αντιδράσεων α) Αντιδράσεις εξουδετέρωσης ΗCl + NaOH NaCl + H O HNO 3 + Ca(OH) Ca(NO 3 ) + H O CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H O CH 3 COOH + Ca(OH) (CH 3 COO) Ca + H O RCOOH + NaOH RCOOΝa + H O (R: C ν Η ν+1, ν 0) RCOOH + NH 3 RCOOΝH 4 (R: C ν Η ν+1, ν 0) HA + NaOH NaA + H O NH 3 + HCl NH 4 Cl NH 3 + H SO 4 (NH 4 ) SO 4 CH 3 NH + HCl CH 3 NH 3 Cl RΝΗ + ΗCl RNH 3 Cl (R: C ν Η ν+1, ν 1) B + HNO 3 BHNO 3 CH 3 COOH + CH 3 NH CH 3 COO(CH 3 NH 3 ) 85

298 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Αντιδράσεις διπλής αντικατάστασης CH 3 COONa + HCl CH 3 COOH + NaCl NaA + HCl HA + NaCl (HA: ασθενές οξύ) ΝΗ 4 Cl + NaOH NH 3 + H O + NaCl ΝΗ 4 Cl + Ca(OH) NH 3 + H O + CaCl RNH 3 Cl + NaOH RNH + H O + NaCl (R: C ν Η ν+1, ν 1) Προβλήματα στα οποία απαιτείται διερεύνηση με βάση το ph Υπάρχουν περιπτώσεις ανάμιξης διαλυμάτων κατά τις οποίες υπάρχει αντίδραση μεταξύ των διαλυμένων ουσιών (εξουδετέρωση, διπλή αντικατάσταση κτλ.), αλλά κάποια από τις δύο αρχικές ποσότητες δεν είναι γνωστή. Για να υπολογίσουμε την άγνωστη ποσότητα κάνουμε συνήθως διερεύνηση με βάση τη δοσμένη τιμή του ph του τελικού διαλύματος. Για να μην εξαντληθούμε από τις διάφορες περιπτώσεις θα δούμε μόνο μερικά βασικά παραδείγματα. Κάποια από τις δύο ουσίες που αντιδρούν μπορεί να προστεθεί σε αέρια ή στερεή μορφή σε διάλυμα της άλλης, οπότε η μεταβολή όγκου του διαλύματος θεωρείται συνήθως αμελητέα. Παράδειγμα: Η «εύκολη» περίπτωση! Σε διάλυμα CH 3 COOH 0,1 M, όγκου 100 ml, προσθέτουμε n mol NaOH(s), χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος και το διάλυμα που προκύπτει έχει ph = 5. Θα υπολογίσουμε την ποσότητα του NaOH(s) που προσθέσαμε. θ = 5 ο C. K a (CH 3 COOH) = Έστω n (mol) η ποσότητα του ΝaΟΗ που προσθέσαμε. n(ch 3 COOH) = 0,1 0,1 = 0,01 mol mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά 0,01 n Περίπτωση 1: n = 0,01 mol. Στην περίπτωση αυτή θα έχουμε πλήρη εξουδετέρωση, οπότε στο τελικό διάλυμα θα υπάρχει αποκλειστικά μόνο το άλας (CH 3 COONa) και βέβαια το ph θα είναι βασικό, λόγω της υδρόλυσης των ιόντων CH 3 COO. Καθώς το τελικό διάλυμα έχει ph = 5, η περίπτωση αυτή απορρίπτεται. Καθώς δε γνωρίζουμε ποια από τις δύο αρχικές ποσότητες είναι σε περίσσεια, κάνουμε διερεύνηση με βάση τη γνωστή τιμή ph για το τελικό διάλυμα Περίπτωση : n > 0,01 mol. H βάση είναι σε περίσσεια, οπότε το τελικό διάλυμα θα περιέχει το άλας CΗ 3 COONa, καθώς και την περίσσεια της βάσης, οπότε το ph θα είναι και πάλι βασικό (δεν ισχύει). Δεν απομένει, λοιπόν, παρά η περίπτωση 3: Περίπτωση 3: n < 0,01 mol, δηλαδή να έχουμε περίσσεια του ασθενούς οξέος (σχηματισμός ρυθμιστικού διαλύματος): mol CH 3 COΟΗ + ΝaOΗ CH 3 COONa + Η Ο Αρχικά 0,01 n Μεταβολές n n n Τελικά 0,01 n n Στη συνέχεια υπολογίζουμε τις τελικές συγκεντρώσεις των δύο συστατικών και εργαζόμαστε κατά τα γνωστά (με Ε.Κ.Ι. ή τη γνωστή σχέση των ρυθμιστικών). 86

299 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Στο προηγούμενο παράδειγμα τα πράγματα ήταν σχετικά εύκολα, καθώς η τιμή του ph στο τελικό διάλυμα απέκλειε τις δύο από τις τρεις περιπτώσεις στη διερεύνηση, οπότε ακολουθούμε υποχρεωτικά την τρίτη. Τι θα συνέβαινε, όμως, αν δεν μπορούσαμε με την πρώτη «ματιά» να βγάλουμε άκρη; Παράδειγμα : Η «δύσκολη» περίπτωση! Σε διάλυμα NH 4 Cl 0,1 M όγκου 110 ml, προσθέτουμε ποσότητα NaOH(s), χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Αν γνωρίζουμε ότι το διάλυμα που προκύπτει έχει ph = 10, ποια η ποσότητα του NaOH(s) που προσθέσαμε; θ=5 ο C. Κ b (NH 3 )= n(νh 4 Cl) = 0,1 0,11 = 0,011 mol mol NH 4 Cl + ΝaOΗ NH 3 + NaCl + Η Ο Αρχικά 0,011 n Περίπτωση 1: n = 0,011 mol. Στην περίπτωση αυτή έχουμε πλήρη αντίδραση, οπότε στο τελικό διάλυμα θα υπάρχει μόνο ΝΗ 3 (το NaCl δεν συμμετέχει στον καθορισμό του ph του διαλύματος) και βέβαια το ph θα είναι βασικό. Περίπτωση : n > 0,011 mol. Στην περίπτωση αυτή το NaOH είναι σε περίσσεια, οπότε το τελικό διάλυμα θα περιέχει NH 3, καθώς και την περίσσεια του NaOH, οπότε το ph θα είναι και πάλι βασικό. Περίπτωση 3: n < 0,011 mol. Στην περίπτωση αυτή το τελικό διάλυμα θα περιέχει την περίσσεια του ΝΗ 4 Cl και τη σχηματιζόμενη NH 3 (ρυθμιστικό διάλυμα). Έστω n = 0,011 mol (πλήρης αντίδραση). mol NH 4 Cl + ΝaOΗ NH 3 + NaCl + Η Ο Αρχικά 0,011 0,011 Μεταβολές 0,011 0,011 0,011 Τελικά 0,011 0,011mol c(nh3) 0,1M 0,11L mol/l ΝH 3 + H O ΝΗ OΗ Ισορροπία 0,1 x x x Θεωρώντας την προσέγγιση 0,1 x 0,1, έχουμε κατά τα γνωστά: K b 5 [NH4 ] [OH ] 10, [ΟΗ ] = x = 10 3, poh = 3, ph = 11 [NH ] 3 Δηλαδή, αν προσθέσουμε 0,011 mol NaOH(s) θα προκύψει διάλυμα με ph μεγαλύτερο από αυτό που θέλουμε (11 > 10). Επομένως, θα πρέπει να ισχύει: ω < 0,011 mol. Δηλαδή, ισχύει η περίπτωση 3: mol NH 4 Cl + ΝaOΗ NH 3 + NaCl + Η Ο Αρχικά 0,011 ω Μεταβολές ω ω ω Τελικά 0,011 ω ω Από τη γνωστή σχέση για το ρυθμιστικό διάλυμα που προκύπτει, έχουμε: 87

300 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 [OH ] K ω 0,11 b c c β ο, c c 0,011 ω 10, ω = 0,01 mol 0,11 β ο, c β = 10 c ο ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ 1. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε ένα διάλυμα ΝΗ 3 0, Μ με ένα άλλο διάλυμα HCl 0, M, ώστε να προκύψει διάλυμα με: α) ph = 9 β) ph = 5 γ) ph = 1 Η σταθερά ιοντισμού της NH 3 έχει τιμή K b = K w = θ = 5 o C. Για την απλούστευση των υπολογισμών να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ α) Έστω V 1 ο όγκος του διαλύματος της NH 3 και V ο όγκος του διαλύματος του HCl. Τα mol της NH 3 και του HCl θα είναι: n(νη 3 ) = n 1 = 0, V 1 mol και n(ηcl) = n = 0, V mol mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0, V 1 0, V i. Αν n 1 = n, τότε στο τελικό διάλυμα θα έχουμε μόνο ΝΗ 4 Cl και το ph θα είναι μικρότερο του 7 (απορρίπτεται). ii. Αν n 1 < n, τότε στο τελικό διάλυμα θα έχουμε την περίσσεια του HCl καθώς και την ποσότητα του σχηματιζόμενου ΝΗ 4 Cl. Και στην περίπτωση αυτή, ph < 7 (απορρίπτεται). iii. Επομένως, n 1 > n (σχηματισμός ρυθμιστικού διαλύματος): mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0, V 1 0, V Μεταβολές 0, V 0, V 0, V Τελικά 0, (V 1 V ) 0, V \ Το ρυθμιστικό διάλυμα που προκύπτει περιέχει NH 3 και NH 4 Cl σε συγκεντρώσεις: c 0, (V V ) 1 β (1) V1 V c 0, V o () V1 V Με βάση την εξίσωση Henderson - Hasselbalch και τις (1) και (), έχουμε: cβ ph pka log, c o 0, (V1 V ) 9 9 log 0, V V 0, (V 1 V ) = 0, V, V 1 V = V και επομένως, 1 V β) Υπολογίζουμε το ph του διαλύματος στην περίπτωση που n 1 = n (και άρα V 1 = V ): 88

301 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0, V 1 0, V 1 Μεταβολές 0, V 1 0, V 1 0, V 1 Τελικά 0, V 1 Το τελικό διάλυμα περιέχει μόνο NH 4 Cl σε συγκέντρωση: 0, V c 1 0,1M V1 Με τη διάσταση του άλατος προκύπτουν: [ΝΗ + 4 ] = 0,1 Μ και [Cl ] = 0,1 M. To ιόν + ΝΗ 4 υδρολύεται σύμφωνα με την εξίσωση: ΝH H O ΝH 3 + Η 3 Ο + Ισορροπία 0,1 x x x H σταθερά ιοντισμού Κ a του ιόντος NH 4 + είναι ίση με 10 9 (γιατί;), οπότε θεωρώντας τη γνωστή προσέγγιση, έχουμε: [Η 3 Ο + ] = 10 10, [Η 3 Ο + ] = 10 5, ph = 5 Επομένως, για να προκύψει διάλυμα με ph = 5 θα πρέπει τα δύο διαλύματα να αναμιχθούν με αναλογία όγκων 1 : 1. Γιατί, αν V 1 > V (και άρα n 1 > n ) θα ίσχυε ph > 5, ενώ αν V 1 < V (και άρα n 1 < n ) θα ίσχυε ph < 5. γ) Στην περίπτωση αυτή θα ισχύει: n 1 < n. mol NH 3 + HCl NH 4 Cl Αρχικά 0, V 1 0, V Μεταβολές 0, V 1 0, V 1 0, V 1 Τελικά 0, (V V 1 ) 0, V 1 Στο τελικό διάλυμα θα υπάρχει η περίσσεια του HCl καθώς και το σχηματιζόμενου ΝΗ 4 Cl. Αν οι συγκεντρώσεις τους είναι c 1 και c, αντίστοιχα, θα ισχύει: c 0, (V V ) 1 1 (1) V1 V c 0, V 1 () V1 V mol/l NH 4 Cl NH Cl c c c mol/l HCl + H O Cl + H 3 O + c 1 c 1 c 1 mol/l ΝH H O ΝΗ 3 + H 3 O + c y y y [H 3 O + ] = c 1 + y c 1 = 0,1 M (ph = 1) 0, (V V1 ) 0,1 V V 1, V V

302 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Είδαμε ότι, όταν έχουμε ένα διάλυμα ασθενούς οξέος και πρέπει να υπολογίσουμε την ποσότητα βάσης, π.χ. NaOH, ώστε το ph να πάρει μία ορισμένη τιμή, κάνουμε διερεύνηση. Αν μπορούν να ισχύουν, αρχικά, περισσότερες από μία περιπτώσεις, λύνουμε την περίπτωση της πλήρους αντίδρασης. Τι θα γίνει αν το ph βγει ακριβώς αυτό που θέλουμε; Θα εξετάσουμε και τις άλλες περιπτώσεις; Όχι, βέβαια Και να γιατί!. Ένα διάλυμα του ασθενούς οξέος HA, έχει συγκέντρωση 0,1 M και όγκο 1 L. Να υπολογιστεί η ποσότητα του NaOH(s) (σε mol) που πρέπει να προστεθεί στο διάλυμα αυτό, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε το τελικό διάλυμα να έχει ph = 10. K a (HA) = Η θερμοκρασία των δύο διαλυμάτων είναι θ=5 ο C, όπου K w = Tα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ Με την προσθήκη του στερεού NaOH(s) η συγκέντρωση των ιόντων OH αυξάνεται, οπότε οι ισορροπίες που περιέχουν OH μετατοπίζονται προς την κατεύθυνση που τείνει να εξουδετερώσει την μεταβολή (αρχή Le Châtelier). Καθώς η μεταβολή δεν εξουδετερώνεται πλήρως, η [OH ] παραμένει μεγαλύτερη. Επομένως το ph είναι γνησίως αύξουσα συνάρτηση της συγκέντρωσης του NaOH, άρα υπάρχει μία και μοναδική τιμή της συγκέντρωσης του NaOH για ένα συγκεκριμένο ph. Κατά την προσθήκη του NaOH αρχικά έχουμε περίσσεια HA έως ότου γίνει η πλήρης εξουδετέρωση και κατόπιν περάσουμε σε περίσσεια NaOH. Επομένως το ph του διαλύματος κατά την πλήρη εξουδετέρωση είναι μεγαλύτερο από το ph του διαλύματος με περίσσεια HA και μικρότερο από το ph του διαλύματος με περίσσεια NaOH. Έστω ότι έχουμε προσθέσει την απαιτούμενη για την εξουδετέρωση ποσότητα NaOH. Από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης βλέπουμε ότι για το σκοπό αυτό πρέπει να προσθέσουμε 0,1 mol NaOH: mol ΗΑ + ΝaOΗ NaΑ + Η Ο Αρχικά 0,1 0,1 Μεταβολές 0,1 0,1 0,1 Τελικά 0,1 mol/l ΝaΑ Na + + Α 0,1 M 0,1 M mol/l Α + H O ΗΑ + OH Ισορροπία 0,1 x x x Θεωρούμε την προσέγγιση: 0,1 x 0,1 Μ. [HA] [OH ] x Kb 10 [A ] 0,1 7, [ΟΗ ] = x = 10 4, poh = 4, ph =

303 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Η παραπάνω ποσότητα του NaOH (0,1 mol) που απαιτείται για την πλήρη εξουδετέρωση θα είναι και η ζητούμενη, αφού το ph του διαλύματος είναι 10 και η λύση είναι μοναδική (δηλαδή, δεν είναι απαραίτητο να ελέγξουμε τις περιπτώσεις της περίσσειας HA ή NaOH). Απλά, πρέπει να τονίσουμε ότι αν βάλουμε μεγαλύτερη ποσότητα NaOH, το ph θα είναι μεγαλύτερο, ενώ αν βάλουμε μικρότερη το ph θα βγει μικρότερο! Σημείωση: Βέβαια επειδή η τιμή του ph προέκυψε με προσέγγιση ίσως και να έχουμε μια «ελαχιστότατη» περίσσεια HA ή NaOH, που δεν αλλάζει όμως σημαντικά το τελικό αποτέλεσμα. 3. Σε δύο διαφορετικά δοχεία περιέχονται τα παρακάτω υδατικά διαλύματα στους 5 ο C: Δ 1 : ΝaΟΗ 1 M Δ : ΝΗ 4 Cl 1 M α) Να υπολογίσετε το ph των παραπάνω διαλυμάτων. β) 50 ml του διαλύματος Δ 1 αραιώνονται με προσθήκη νερού, έως τελικού όγκου 00 ml (διάλυμα Δ 3 ). 100 ml του διαλύματος Δ αραιώνονται με προσθήκη νερού, έως τελικού όγκου 800 ml (διάλυμα Δ 4 ). Τα διαλύματα Δ 3 και Δ 4 αναμιγνύονται σχηματίζοντας το διάλυμα Δ 5. Ποιο είναι το ph του Δ 5 ; γ) 0,15 mol NaOH(s) διαλύονται στο διάλυμα Δ 5 χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος, σχηματίζοντας διάλυμα Δ 6. Ποιο είναι το ph του διαλύματος Δ 6 ; Να ληφθούν υπόψη οι γνωστές προσεγγίσεις που επιτρέπονται από τα δεδομένα του προβλήματος. Κ w = 10 14, Κ b (NH 3 ) = θ=5c. ΛΥΣΗ α) mol/l NaOH Na + + OH poh = log1 = 0, ph = mol/l ΝΗ 4 Cl ΝΗ Cl 1 Μ 1 Μ 1 Μ mol/l ΝH H O ΝΗ 3 + H 3 O + 1 x x x Υπολογίζουμε τη σταθερά Κ a του ιόντος NH 4 + : K K w 9 a 10 Kb Θεωρώντας τις γνωστές προσεγγίσεις: K a = [H 3 O + ] = 10 9, [H 3 O + ] = 10 4,5, ph = 4,5 β) Τα 50 ml του Δ 1 (αλλά και τα 00 ml του Δ 3 ) θα περιέχουν: 1.0,05 = 0,05 mol NaOH. Τα 100 ml του διαλύματος Δ (αλλά και τα 800 ml του Δ 4 ) θα περιέχουν: 1 0,1 = 0,1 mol ΝΗ 4 Cl. Με την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων, έχουμε την αντίδραση: 91

304 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 mol NH 4 Cl + NaOH NH 3 + H O + NaCl Αρχικά 0,1 0,05 Μεταβολές 0,05 0,05 0,05 Τελικά 0,05 0,05 Το τελικό διάλυμα περιέχει ΝΗ 4 Cl 0,05 M και NH 3 0,05 Μ και είναι ρυθμιστικό. Έ- τσι, με βάση την εξίσωση Henderson - Hasselbalch, έχουμε: c β ph = pk a + log = = 9 c o γ) Με τη διάλυση της επιπλέον ποσότητας NaOH στο Δ 5, έχουμε την αντίδραση: mol NH 4 Cl + NaOH NH 3 + H O + NaCl Αρχικά 0,05 0,15 0,05 Μεταβολές 0,05 0,05 0,05 Τελικά 0,1 0,1 Το Δ 6, επομένως, θα περιέχει ΝaOH 0,1 M και NH 3 0,1 Μ (επίδραση κοινού ιόντος): mol/l NaOH Na + + OH 0,1 0,1 0,1 mol/l NH 3 + H O NH OH Ισορροπία 0,1 ω ω 0,1 + ω Στο διάλυμα αυτό θα ισχύει: [OH ] = 0,1 + ω 0,1 Μ, poh = log0,1 = 1, ph = Διάλυμα όγκου 500 ml περιέχει δύο ασθενή οξέα, το ΗΑ σε συγκέντρωση 0,4 Μ και το ΗΒ σε συγκέντρωση 0, Μ. Ποιος όγκος διαλύματος ΝaOH 0,6 Μ πρέπει να προστεθεί στο διάλυμα αυτό ώστε το ph του διαλύματος που προκύπτει είναι: α) ph = 11,5. β) ph = 13. Δίνονται οι σταθερές ιοντισμού: Κ a (HA) =, και Κ a (HΒ) = Η θερμοκρασία των διαλυμάτων είναι ίση με 5 ο C, όπου Κ w = Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. ΛΥΣΗ α) Με την προσθήκη του διαλύματος NaOH μπορούν να συμβούν οι εξής περιπτώσεις: 1. Το NaOH δεν επαρκεί για την εξουδετέρωση και των δύο οξέων.. Το NaOH επαρκεί ακριβώς για την εξουδετέρωση και των δύο οξέων. 3. Το NaOH είναι σε περίσσεια (εξουδετερώνει και τα δύο οξέα και περισσεύει). Εξετάζουμε την περίπτωση. 9

305 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ mol ΗΑ + ΝaOΗ NaΑ + Η Ο Αρχικά 0, 0,6 V Μεταβολές 0, 0, 0, 0,6V 0, 0, mol ΗΒ + ΝaOΗ NaΒ + Η Ο Αρχικά 0,1 0,6 V 0, Μεταβολές 0,1 0,1 0,1 0,6V 0,3 0,1 Για την πλήρη εξουδετέρωση και των δύο οξέων θα ισχύει: 0,6V 0,3 = 0, V = 0,5 L. Επομένως το τελικό διάλυμα θα έχει όγκο ίσο με 1 L και θα περιέχει το άλας NaA σε συγκέντρωση 0, Μ και το άλας ΝaB σε συγκέντρωση 0,1 Μ. ΝaΑ Na + + Α ΝaB Na + + B 0, M 0, M 0,1 M 0,1 M mol/l Α + H O ΗΑ + OH 0, x 0, M x x mol/l B + H O ΗB + OH 0,1 y 0,1 M y y Στην ιοντική ισορροπία θα έχουμε: [A ] 0, M, [HA] = x, [OH ] = x + y, [B ] 0,1 M, [HB] = y 10 Kb(A ) 10, K 10 b (B ) [HA] [OH [A ] ] x(x y) 0, 5, x(x y) (1) 10 [HB] [OH [B ] ] y(x y) 0,1 5 6, y(x y) 10 () Από τις εξισώσεις (1) και () με πρόσθεση κατά μέλη προκύπτει: (x + y) = 10 5, x + y = 10,5, poh =,5, ph = 11,5 Επομένως, για να προκύψει ph = 11,5 θα πρέπει να προσθέσουμε 500 ml διαλύματος ΝaOH 0,6 M, καθώς αν προσθέσουμε περισσότερο θα έχουμε ph > 11,5, ενώ αν προσθέσουμε λιγότερο θα έχουμε ph < 11,5. β) Έστω ότι πρέπει να προσθέσουμε V(L) διαλύματος NaOH 0,6 Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 13. Με βάση το προηγούμενο ερώτημα, το NaOH θα πρέπει να είναι σε περίσσεια. 93

306 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 mol ΗΑ + ΝaOΗ NaΑ + Η Ο Αρχικά 0, 0,6 V Μεταβολές 0, 0, 0, 0,6V 0, 0, mol ΗΒ + ΝaOΗ NaΒ + Η Ο Αρχικά 0,1 0,6 V 0, Μεταβολές 0,1 0,1 0,1 0,6V 0,3 0,1 Το τελικό διάλυμα θα περιέχει το άλας NaA, το άλας ΝaB και την περίσσεια του NaOH. Oι συγκεντρώσεις των τριών συστατικών θα είναι, αντίστοιχα: c 1 0, 0,5 V c ΝaΑ Na + + Α c 1 c 1 ΝaB Na + + B c c ΝaOH Na + + OH c 3 c 3 0,1 0,5 V c 3 0,6V 0,3 0,5 V mol/l Α + H O ΗΑ + OH c 1 ω c 1 ω ω mol/l B + H O ΗB + OH c φ c φ φ Στην ιοντική ισορροπία θα έχουμε: [OH ] = c 3 + ω + φ c 3 ph = 13, [OH ] = 0,1 M c 3 0,6V 0,3 0,1, V = 0,7 L ή 700 ml. 0,5 V 94

307 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΜΕ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C (εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά) Πόσα mol NaOH(s) πρέπει να προστεθούν σε 100 ml διαλύματος CH 3 COOH 0,1 Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 5; Με την προσθήκη του NaOH(s) δε μεταβάλλεται αισθητά ο όγκος του διαλύματος. Για το CH 3 COOH, K a = K w = Για την απλούστευση των υπολογισμών να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 o C Πόσα mol αερίου ΗCl πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml διαλύματος NH 3 0,1 Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 9; Με την προσθήκη του ΗCl δε μεταβάλλεται αισθητά ο όγκος του διαλύματος. θ=5 o C. K b (ΝH 3 ) = K w = Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα ΝH 3 (Κ b = 10 5 ) έχει όγκο 110 ml και συγκέντρωση 0,1 M. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε ποσότητα HNO 3, χωρίς αισθητή μεταβολή στον όγκο του διαλύματος. Αν γνωρίζουμε ότι το διάλυμα που προκύπτει έχει ph ίσο με 8, ποιος ο αριθμός mol του HNO 3 που προσθέσαμε; Για την απλούστευση των υπολογισμών να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Τα διαλύματα έχουν θερμοκρασία θ=5 ο C, όπου Κ w = mol CH 3 COOH διαλύονται σε νερό, οπότε προκύπτει διάλυμα Χ όγκου 0 L. α) Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Χ. β) Με πόσα L νερού πρέπει να αραιωθoύν 00 ml το διάλυμα Χ για να μεταβληθεί το ph κατά 0,5; Ποια η σχέση των βαθμών ιοντισμού του CH 3 COOH (α 1 /α ) πριν και μετά την αραίωση; γ) Με ποια αναλογία πρέπει να αναμιχθούν το διάλυμα Χ με διάλυμα ΝaOH 0, Μ, για να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 5; Για τo CH 3 COOH: Κ a = Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θ=5 ο C, όπου Κ w = Να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Διαθέτουμε τρία υδατικά διαλύματα. Ένα διάλυμα ΗCOOH 0,1 Μ (διάλυμα Χ), ένα διάλυμα ΗCOONa 0,1 M (διάλυμα Υ) και ένα διάλυμα NaOH 0,1 Μ (διάλυμα Ζ). α) Να υπολογιστεί το ph των διαλυμάτων Χ, Υ και Ζ. β) Πόσα ml διαλύματος Υ πρέπει να προσθέσουμε σε 500 ml διαλύματος Χ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 5; γ) Πόσα ml διαλύματος Ζ πρέπει να προσθέσουμε σε 500 ml διαλύματος Χ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 5; Για τo ΗCOOH, Κ a = Όλα τα διαλύματα είναι σε θ=5 ο C. Για την απλούστευση των υπολογισμών να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Υδατικό διάλυμα οξέος HA (διάλυμα Δ 1 ) έχει [H 3 O + ] = 10 Μ και όγκο 300 ml. Σε 100 ml από το διάλυμα αυτό προσθέτουμε ποσότητα άλατος ΝaΑ(s), χωρίς μεταβολή όγκου, οπότε προκύπτει νέο διάλυμα (Δ ) που έχει επίσης [H 3 O + ] = 10 Μ. α) i. Nα εξηγήσετε γιατί το ΗΑ είναι ισχυρό οξύ και υπολογίσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος Δ 1. ii. Ποσότητα από το διάλυμα Δ 1 όγκου 100 ml αραιώνεται με νερό, οπότε προκύπτει διάλυμα Δ 3 όγκου 00 ml. Ποια μεταβολή θα παρουσιάσει ο βαθμός ιοντισμού α του ΗΑ; Ποιο το ph του διαλύματος Δ 3 ; β) Άλλα 100 ml από το διάλυμα Δ 1 προστίθενται σε 100 ml διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΒ 0, Μ, οπότε προκύπτει διάλυμα Δ 4. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος αυτού, καθώς και ο βαθμός ιοντισμού α του ΗΒ. γ) Τα 00 ml του Δ 3 αναμιγνύονται με 100 ml διαλύματος του άλατος ΝaΒ 0,04 M. Ποιο το ph του διαλύματος που προκύπτει; Η σταθερά ιοντισμού του ΗΒ έχει τιμή Κ a = Για την απλούστευση των υπολογισμών να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = Υδατικό διάλυμα NH 3 παρουσιάζει ph ίσο με 11 και βαθμό ιοντισμού α = 0,01. α) Να υπολογιστεί η συγκέντρωση και η τιμή της σταθεράς ιοντισμού Κ b της NH 3. β) Πόσα ml αερίου HCl (μετρημένα σε STP) πρέπει να διαλύσουμε σε 500 ml του διαλύματος αυτού, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 9; Με τη διάλυση του HCl δεν παρατηρήθηκε μεταβολή του διαλύματος. γ) Στο παραπάνω ρυθμιστικό διάλυμα προσθέτουμε 50 ml διαλύματος HCl 0,5 Μ και αραιώνουμε σε τελικό όγκο 5 L. Να υπολογιστεί το ph του αραιωμένου διαλύματος. Τα διαλύματα έχουν θερμοκρασία θ=5 ο C, όπου Κ w = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Δίνονται δύο υδατικά διαλύματα 1 και. Διάλυμα 1 : ΗCl 1 M. Διάλυμα : ασθενής βάση Β 0,5 M με ph = 11,5. α) Να υπολογίσετε i. το ph του διαλύματος 1 και ii. τη σταθερά ιοντισμού της βάσης Β. β) Αναμειγνύουμε 100 ml του διαλύματος 1 με 00 ml του διαλύματος και αραιώνουμε με νερό, οπότε προκύπτει διάλυμα 3 όγκου 500 ml. Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος 3. γ) Αναμειγνύουμε 00 ml του διαλύματος 1 με 600 ml του διαλύματος, οπότε προκύπτει διάλυμα 4 όγκου 800 ml. Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος 4. Σε όλα τα διαλύματα ισχύει θ=5 ο C, όπου Κ w = Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Πόσα mol ΗCl πρέπει να προστεθούν σε 100 ml διαλύματος CH 3 COONa 0,1 Μ, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος, ώστε να προκύψει διάλυμα με ίσο με: α) ph = 5 β) ph = 3 γ) ph = 1. K a (CH 3 COOH) = K w = θ=5 o C. Για την α- πλούστευση των υπολογισμών να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. 95

308 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα, ένα διάλυμα NH 4 Cl 0, M (διάλυμα Δ 1 ) και ένα διάλυμα ΝaOH 0, M (διάλυμα Δ ). Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε τα διαλύματα Δ 1 και Δ ώστε να προκύψει διάλυμα (Δ 3 ) με: α) ph = 10. β) ph = 1. Για την ΝΗ 3, K b = θ=5 ο C. Κ w = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε ένα διάλυμα CΗ 3 COOH 0, Μ με ένα διάλυμα NaOH 0, M, ώστε να προκύψει διάλυμα με: α) ph = 5. β) ph = 9. γ) ph = 13. K a (CH 3 COOH) = K w = θ=5 o C. Nα θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα (Δ 1 ) του ασθενούς οξέος ΗΑ έχει ph =,5. Σε ένα άλλο υδατικό διάλυμα ΗCΟΟΗ M (διάλυμα Δ ) ο βαθμός ιοντισμού του ΗCOOH είναι ίσος με 0,01. α) i. Ποια η τιμή της σταθεράς ιοντισμού του ΗCOOH; ii. Ποιος ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Δ 4 που προκύπτει με την προσθήκη 900 ml νερού σε 100 ml του διαλύματος Δ 1 ; iii. Να συγκριθούν ως προς την ισχύ τους τα δύο οξέα ΗΑ και ΗCΟΟΗ. β) Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml του διαλύματος Δ 1 ώστε να μεταβληθεί το ph του κατά 0,5; γ) Πόσα ml διαλύματος NaOH 0,1 Μ πρέπει να προσθέσουμε σε άλλα 110 ml του διαλύματος Δ 1 ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 6; Για το ΗΑ: Κ a = Σε όλες τις περιπτώσεις, για την α- πλούστευση των υπολογισμών να γίνουν οι κατάλληλες προσεγγίσεις που υποδεικνύονται στη θεωρία. θ=5 ο C Υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ ( 1 ) όγκου 00 ml έχει pη = 3. α) Σε 100 ml του διαλύματος 1 προστίθεται νερό μέχρι να προκύψει διάλυμα ( ) δεκαπλάσιου όγκου. Να υπολογίσετε το λόγο α /α 1, όπου α και α 1 ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στα διαλύματα και 1 αντίστοιχα. β) Στα υπόλοιπα 100 ml του 1 προστίθενται 100 ml διαλύματος ΝaOH 0,1 M και το διάλυμα που προκύπτει α- ραιώνεται μέχρι τελικού όγκου 1 L (διάλυμα 3 ). Ποιο το ph του διαλύματος που θα προκύψει; γ) Αναμιγνύονται τα διαλύματα και 3. Να υπολογίσετε το ph του νέου διαλύματος. Κ a (ΗΑ) = Να θεωρήσετε τις γνωστές προσεγγίσεις. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θ=5 o C, όπου K w = Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα CH 3 NH, το 1 και το. Το 1 έχει συγκέντρωση 1 Μ και ph = 1. Για το διάλυμα ισχύει: [ΟΗ ] = 10 8 [Η 3 Ο + ]. α) i. Να υπολογίσετε την Κ b της CH 3 NH. ii. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση της μεθυλαμίνης στο διάλυμα. 96 β) Όγκος V 1 του διαλύματος 1 αναμιγνύεται με όγκο V του διαλύματος και προκύπτει διάλυμα 3 με ph = 11,5. i. Να υπολογίσετε την αναλογία όγκων V 1 /V. ii. Να υπολογίσετε τις συγκεντρώσεις όλων των ιόντων που υπάρχουν στο διάλυμα 3. γ) Να υπολογίσετε τα mol HCl(g) που πρέπει να προστεθούν σε 100 ml του διαλύματος 1 (χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος) ώστε να προκύψει διάλυμα με pη = 5. Για όλα τα διαλύματα θ=5 ο C, όπου Κ w = Να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Διαθέτουμε δύο διαλύματα ΗCOOH, τα 1 και. Το διάλυμα 1 έχει συγκέντρωση 1 Μ και ph =. Το διάλυμα έχει ph = 3. α) i. Να υπολογίσετε i. τη σταθερά Κ a του ΗCOOH και ii. τη συγκέντρωση του ΗCOOH στο διάλυμα. β) Όγκος V 1 του διαλύματος 1 αναμιγνύεται με όγκο V του διαλύματος και προκύπτει διάλυμα 3 με ph =,5. Να υπολογίσετε την αναλογία όγκων V 1 :V. γ) Να υπολογίσετε τα mol NaOH(s) που πρέπει να προστεθούν σε 100 ml του διαλύματος 1 (χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος) ώστε να προκύψει διάλυμα με pη = 9. Δίνεται ότι όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία 5 ο C, όπου Κ w = Για τη λύση του προβλήματος να χρησιμοποιηθούν οι γνωστές προσεγγίσεις Διαθέτουμε διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης c (διάλυμα Δ 1 ). Για την εξουδετέρωση 0 ml από το Δ 1 απαιτήθηκαν 60 ml διαλύματος NaOH 0,1 M. α) i. Ποια η συγκέντρωση c του Δ 1 ; ii. Πόσα ml νερού πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα της εξουδετέρωσης, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 9; β) i. Πήραμε άλλα 0 ml του Δ 1 και σε αυτά προσθέσαμε 0 ml διαλύματος NaOH 0,1 Μ. Ποιο το ph του διαλύματος που θα προκύψει; ii. Πόσα ml διαλύματος NaOH 0,1 Μ πρέπει να προσθέσουμε σε άλλα 0 ml του Δ 1, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 7; γ) Πήραμε άλλα 100 ml του Δ 1 και προσθέσαμε 500 ml διαλύματος NaOH 0,06 Μ. Ποιο το ph του διαλύματος που θα προκύψει; K a (ΗΑ) = θ=5 o C. Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Διάλυμα (Α), περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ και έχει ph = 3. Άλλο διάλυμα (Β) περιέχει το ασθενές οξύ ΗΒ 1 Μ στο οποίο το ΗΒ παρουσιάζει ποσοστό ιοντισμού 1%. α) i. Να υπολογίσετε το ποσοστό ιοντισμού του ΗΑ και τη σταθερά ιοντισμού του ΗΒ. ii. Να συγκρίνετε την ισχύ των οξέων ΗΑ και ΗΒ. β) Πόσα ml του διαλύματος Α πρέπει να αραιωθούν για να παρασκευαστούν 0 L διαλύματος µε ph = 5; Ποιο το ποσοστό ιοντισμού του ΗΑ στο αραιωμένου διάλυμα; γ) Πόσα ml διαλύματος Βa(OH) 0,05 M πρέπει να προστεθούν σε 110 ml του διαλύματος Β, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph = 5; Κ a (ΗΑ) = θ = 5 ο C. K w =

309 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Σε 100 ml διαλύματος οξέος ΗΑ µε ph = 3 ( 1 ) διαλύουμε 0,01 mol άλατος ΝaΑ και παίρνουμε 100 ml διαλύματος με ph = 3. Σε 100 ml διαλύματος οξέος ΗΒ με ph = 3 ( 3 ) διαλύουμε 0,01 mol άλατος ΝaΒ και παίρνουμε 100 ml διαλύματος 4 με ph = 5. α) Να συγκριθεί η ισχύς των οξέων ΗΑ και ΗΒ. β) 50 ml του 3 απαιτούν για την πλήρη εξουδετέρωσή τις 5 ml διαλύματος 5 που περιέχει ΝaΟΗ 0,0 Μ. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση του 3 και η σταθερά ιοντισμού Κ a του ΗΒ. γ) Πόσα ml διαλύματος 5 πρέπει να προσθέσουμε σε 100 ml 3 για να μεταβληθεί το ph του 3 κατά ; Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. [Π.Μ.Δ.Χ.] Υδατικό διάλυμα περιέχει HCl και CH 3 COOH σε άγνωστες συγκεντρώσεις. Ποσότητα από το διάλυμα αυτό όγκου 10 ml ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 M και λαμβάνεται η καμπύλη ογκομέτρησης που ακολουθεί: ph V NaOH (ml) α) Να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις των δύο οξέων στο αρχικό διάλυμα. β) Ποιο το ph στο αρχικό διάλυμα των δύο οξέων; γ) Ποιες οι συγκεντρώσεις όλων των ιόντων στο διάλυμα που προκύπτει με την προσθήκη 0 ml από το πρότυπο διάλυμα; θ=5 ο C, όπου K w = Για το CH 3 COOH, Κ a = Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Η ένωση Μ(OH) x είναι υδροξείδιο μετάλλου Μ και λειτουργεί ως ισχυρή βάση κατά Αrrhenius (x ακέραιος αριθμός μεγαλύτερος ή ίσος με το 1). Διαθέτουμε 100 ml διαλύματος Μ(OH) x, σε συγκέντρωση 0,0 Μ και το αναμειγνύουμε με 100 ml διαλύματος NH 4 Cl συγκέντρωσης 0,0 Μ οπότε προκύπτει διάλυμα όγκου 00 ml με ph = 1. Να προσδιοριστεί η τιμή του x. Για την ΝΗ 3 : Κ b = Τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C, όπου K w = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Σε ορισμένη ποσότητα νερού διαλύονται 0,05 mol του υδροξειδίου Μ(OH) (ισχυρή βάση, Μ: μέταλλο) και 0, mol NH 3 και το διάλυμα αραιώνεται σε όγκο 500 ml (διάλυμα 1 ). α) Να υπολογιστούν: i. η τιμή του ph του 1 στους 5 ο C και ii. o βαθμός ιοντισμού της ΝΗ 3. β) Στο διάλυμα διαβιβάζονται 0,15 mol αερίου HCl, χωρίς μεταβολή όγκου, και προκύπτει τελικά διάλυμα. Να υπολογιστεί η τιμή του ph του στους 5 ο C. γ) Το διάλυμα εξουδετερώνεται πλήρως με διάλυμα HCl 0,5 Μ και στη συνέχεια αραιώνεται με νερό μέχρι τελικού όγκου L. i. Ποιος ο όγκος του διαλύματος HCl που απαιτήθηκε για την εξουδετέρωση; ii. Ποιος από τους παρακάτω δείκτες αλλάζει χρώμα πιο κοντά στο σημείο της πλήρους εξουδετέρωσης; Δίνονται οι σταθερές ιοντισμού των δεικτών: φαινολοφθαλεΐνη, pk a = 9,5, ερυθρό της κρεσόλης, pk a = 8,4, ερυθρό του μεθυλίου, pk a = 5. Να θεωρήσετε ότι όλοι οι δείκτες αλλάζουν χρώμα σε μία περιοχή ph δύο μονάδων. pk b (NH 3 ) = Πόσα ml διαλύματος Ba(OH) συγκέντρωσης 0,0 Μ πρέπει να αναμείξουμε με 100 ml διαλύματος NH 4 Cl συγκέντρωσης 0,0 Μ, ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 1; Για την ΝΗ 3 : Κ b = Τα διαλύματα έχουν θ=5 ο C, όπου K w = Να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις Tο φρέσκο γάλα δεν περιέχει γαλακτικό οξύ. Με την πάροδο του χρόνου, όμως, το γάλα αλλοιώνεται, καθώς το σάκχαρο λακτόζη που υπάρχει σε αυτό μετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ (μονοπρωτικό οξύ που στη συνέχεια θα αναφέρεται ως ΗΑ). Το μέγιστο αποδεκτό όριο γαλακτικού οξέος στο γάλα ph είναι 1,8 g/l. Θα προσδιορίσουμε ογκομετρικά την περιεκτικότητα ενός «ύποπτου» δείγματος γάλακτος σε γαλακτικό οξύ, θεωρώντας ότι το γαλακτικό οξύ είναι το μόνο οξύ που υπάρχει στο γάλα. Για το σκοπό αυτό, ογκομετρούνται 0 ml γάλακτος χρησιμοποιώντας ως πρότυπο διάλυμα NaOH 5 10 Μ. Η καμπύλη στο σχήμα μας δίνει το ph ως συνάρτηση 7 4 του όγκου του πρότυπου διαλύματος. α) i. Να γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης που γίνεται στην ογκομέτρηση. ii. Ποιος όγκος πρότυπου διαλύματος αντιστοιχεί στο ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης; iii. Το 6 1 γαλακτικό οξύ (ΗΑ) είναι ασθενές ή ισχυρό; Αιτιολογήστε την απάντησή σας με βάση τα NaOH 0,05 M (ml) δεδομένα της καμπύλης αντίδρασης. iv. Χωρίς να κάνετε υπολογισμούς, ποια η κατά προσέγγιση τιμή της σταθεράς K a του γαλακτικού οξέος (ΗΑ) που προκύπτει με βάση την παραπάνω καμπύλη; β) i. Ποια η περιεκτικότητα του γάλακτος σε γαλακτικό οξύ (σε g L 1 ); ii. Να εκτιμήσετε την ποιότητα του δείγματος με τη θεώρηση ότι στο φρέσκο γάλα η περιεκτικότητα σε γαλακτικό οξύ δεν πρέπει να υπερβαίνει την τιμή 1,8 g L 1. Για το γαλακτικό οξύ: M r =

310 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Διαθέτουμε διάλυμα (Δ 1 ) ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης 0, Μ με ph = 3,5. Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε διάλυμα άλλου ασθενούς οξέος ΗΒ συγκέντρωσης 0, Μ, ίσου όγκου με το διάλυμα Δ 1, οπότε προκύπτει διάλυμα (Δ ) στο οποίο ισχύει: [Η 3 Ο + ] =, Μ. α) Να υπολογιστούν οι τιμές των σταθερών ιοντισμού των οξέων ΗΑ και ΗΒ. β) Πόσα ml Η Ο πρέπει να προσθέσουμε σε 00 ml του Δ, ώστε το ph του διαλύματος που θα προκύψει να είναι ίσο με 4; γ) Πόσα ml Η Ο πρέπει να προσθέσουμε σε 00 ml του Δ, ώστε ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ να διπλασιαστεί; δ) Πόσα mol Ba(OH) (s) πρέπει να προσθέσουμε σε 00 ml του Δ, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε το ph του διαλύματος που θα προκύψει να είναι ίσο με 1; Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. Η θερμοκρασία όλων των διαλυμάτων είναι 5 ο C, όπου K w = Διάλυμα (Δ) περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ και το άλας του NaA σε συγκεντρώσεις ph ΙΙ c 1 και c, αντίστοιχα. 50 ml από το διάλυμα Δ ογκομετρούνται με πρότυ- πο διάλυμα HCl 0,1 M. Άλλα 50 ml από το διάλυμα Δ ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 M. Λαμβάνονται έτσι oι δύο καμπύλες ογκομέτρησης Ι και ΙΙ που εμφανίζονται στο διπλανό σχήμα. ph B B Να αποδειχθεί ότι για τα ph στα ισοδύναμα σημεία A και Β των δύο ογκομετρήσεων θα ισχύει: ph Β ph Α = 6. Nα θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. ph A A θ=5 ο C. Κ w = Ι Δίνονται τα υδατικά διαλύματα: Διάλυμα Υ1: HA 1 Μ (Κ a = 10 6 ). Διάλυμα Υ: HA 0,01 Μ (Κ a = 10 6 ). Διάλυμα Υ3: M(OH) x 0,005 Μ (ισχυρή βάση κατά Arrhenius). Δ1. α) Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Υ1. β) Να υπολογιστεί ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Υ1. γ) Να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις όλων των ιόντων στο διάλυμα Υ1. 50 V (ml) δ) Ποιος όγκος Η Ο πρέπει να προστεθεί σε 150 ml του διαλύματος Υ1, έτσι ώστε ο βαθμός ιοντισμού του νέου διαλύματος να είναι δεκαπλάσιος από τον βαθμό ιοντισμού του Υ1; Δ. Σε 100 ml του διαλύματος Υ προστίθενται 50 ml του διαλύματος Υ3. Το ρυθμιστικό διάλυμα που προκύπτει έχει ph = 6. α) Να υπολογιστεί η τιμή του x για τη βάση M(ΟΗ) x. β) Να βρείτε τον όγκο του διαλύματος Υ3 που απαιτείται για την πλήρη εξουδετέρωση 50 ml του διαλύματος Υ. γ) Το διάλυμα που προκύπτει από την πλήρη εξουδετέρωση 100 ml του διαλύματος Υ με την απαιτούμενη ποσότητα του διαλύματος Υ3, αραιώνεται με Η Ο μέχρι όγκου 1000 ml. Να υπολογίσετε το ph του αραιωμένου διαλύματος. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία θ=5 ο C. Κ w = Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Δίνονται τα παρακάτω υδατικά διαλύματα: Διάλυμα Υ1: HCl 0,1 Μ. Διάλυμα Υ: CH 3 COOΝa 0,1 Μ με pη = 9. Δ1. α) Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος Υ1. β) Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντισμού K a του CH 3 COOH. Δ. Αναμειγνύονται 100 ml του διαλύματος Υ1 με 100 ml του διαλύματος Υ και το διάλυμα που προκύπτει αραιώνεται μέχρι τελικού όγκου 1 L, οπότε προκύπτει διάλυμα Υ3. Να υπολογίσετε το ph του διαλύματος Υ3. Δ3. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμειχθεί το διάλυμα Υ1 με το διάλυμα Υ, ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα Υ4 με pη = 5; Δ4. Σε 100 ml του διαλύματος Υ4 προστίθενται 100 ml υδατικού διαλύματος NaCl. Ποια θα είναι η επίδραση της παραπάνω προσθήκης στην τιμή του pη του διαλύματος Υ4 (αυξάνεται, μειώνεται ή παραμένει σταθερή); Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία θ=5 ο C. Κ w = Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] 98

311 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΕΩΝ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗ Η αμμωνία (ΝΗ 3 ) παρασκευάζεται σύμφωνα με την αμφίδρομη αντίδραση που περιγράφεται από την εξίσωση: N (g) + 3H (g) NH 3 (g). Σε δοχείο όγκου 8 L, σε θερμοκρασία θ 1 εισάγονται 5 mol Ν και 11 mol H. Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας διαπιστώνεται ότι η ποσότητα της αμμωνίας είναι mol. Δ1. α) Να υπολογίσετε την απόδοση (με μορφή κλασματικού αριθμού) της αντίδρασης σύνθεσης της αμμωνίας. β) Να υπολογίσετε την σταθερά χημικής ισορροπίας K c της αντίδρασης σύνθεσης της αμμωνίας στη θερμοκρασία θ 1. γ) Αν η θερμοκρασία του μίγματος ισορροπίας γίνει θ, όπου θ > θ 1, τότε τα συνολικά mol του μίγματος ισορροπίας γίνονται 15. Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση σχηματισμού της NH 3 ως ενδόθερμη ή εξώθερμη. Να αιτιολογήσετε την απάντηση σας. Δ. Από το παραπάνω μίγμα ισορροπίας λαμβάνονται 0,0 mol ΝΗ 3, τα οποία διαλύονται σε νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα Υ1, όγκου 00 ml, με ph = 11. Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντισμού Κ b της NH 3. Δ3. Πόσα mol HCl πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα Υ1, ώστε να δημιουργηθεί διάλυμα Υ, το ph του οποίου θα διαφέρει από το ph του Υ1 κατά δύο μονάδες; Δ4. Στο διάλυμα Y προστίθενται μερικές σταγόνες του δείκτη ερυθρό της φαινόλης με pk a = 8. Ο ιοντισμός του δείκτη παριστάνεται από την εξίσωση: HΔ + H Ο Δ + Η 3 Ο +. α) Να υπολογίσετε τo λόγο [Δ ] / [ΗΔ]. β) Αν η όξινη μορφή του δείκτη έχει χρώμα κίτρινο και η βασική μορφή έχει χρώμα κόκκινο, τι χρώμα θα αποκτήσει το διάλυμα Υ με τά την προσθήκη του δείκτη; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Όλα τα διαλύματα είναι υδατικά. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία θ=5 ο C, εκτός αν καθορίζεται διαφορετικά στην εκφώνηση. Κ w = Τα δεδομένα του θέματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] ΟΛΟ ΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ! Δίνονται ποσότητες από τα εξής διαλύματα Α, Β, Γ, Δ και Ε που περιγράφονται στη συνέχεια. Διάλυμα Α: ΗΑ (ασθενές οξύ) 0,1 Μ, Κ a (HA) = Διάλυμα B: ΗCl 0, Μ. Διάλυμα Γ: NaOH 0, Μ. Διάλυμα Δ: CH 3 NH 3 Cl 0, Μ. Διάλυμα Ε: CH 3 NH 0, Μ, K b (CH 3 NH ) = α) Να γράψετε την εξίσωση ιοντισμού του ασθενούς οξέος ΗΑ και να εξηγήσετε το ρόλο όλων των σωματιδίων που εμπλέκονται, σύμφωνα με το θεωρία Βrönsted - Lowry. β) Να υπολογίσετε: i. Το ph του διαλύματος Α. ii. Τον όγκο του νερού που πρέπει να προστεθεί σε 100 ml του διαλύματος Α, ώστε το ph να μεταβληθεί κατά 1. iii. Τον όγκο του νερού που πρέπει να προστεθεί σε 100 ml του διαλύματος Γ, ώστε το τελικό ph να γίνει ίσο με 13. γ) Να υπολογιστεί το ph των δύο διαλυμάτων που προκύπτουν ύστερα από τις εξής αναμίξεις: i. 100 ml διαλύματος Δ με 100 ml διαλύματος Γ. ii. 100 ml διαλύματος E με 50 ml διαλύματος B. δ) Σε 5 ml του διαλύματος Β προσθέτονται 5 ml νερό. Το διάλυμα που προκύπτει ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα το Γ και παρουσία δείκτη ΗΔ, για τον οποίο ισχύει: Κ a (ΗΔ) = Να προσδιοριστούν: i. O όγκος του πρότυπου διαλύματος που απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο. ii. Το ph στο ισοδύναμο σημείο. ε) 50 ml του διαλύματος Α ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα το διάλυμα Γ. i. Πόσα ml του Γ απαιτούνται μέχρι το ισοδύναμο σημείο; ii. Ποιο το ph του ογκομετρούμενου διαλύματος, όταν σε αυτό έχουν προστεθεί 1,5 ml του διαλύματος Γ; iii. Να εξηγήσετε αν ο δείκτης ΗΔ είναι κατάλληλος ή όχι για την ογκομέτρηση αυτή. Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία 5 ο C, όπου K w = Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. 99

312 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Χημεία και τέρατα: «Η απόλυτη λύση!» Είδαμε ότι αν σε διάλυμα ασθενούς οξέος προσθέσουμε άγνωστη ποσότητα βάσης, π.χ. NaOH, ώστε να προκύψει συγκεκριμένη τιμή ph, κάνουμε διερεύνηση. Αν με βάση τη διερεύνηση αυτή δεν προκύψει μία μόνο παραδεκτή περίπτωση, εξετάζουμε αρχικά την περίπτωση της πλήρους αντίδρασης (βλέπε λυμένα παραδείγματα στην ενότητα αυτή). Ας δούμε, εδώ, την απόλυτη λύση: Χωρίς διερεύνηση, χωρίς αρχικές προσεγγίσεις. Απολαύστε τη! Άσκηση: Διάλυμα του ασθενούς οξέος HA, έχει συγκέντρωση 0,1 M και όγκο 1 L. Να υπολογιστεί η ποσότητα του NaOH(s) (σε mol) που πρέπει να προστεθεί στο διάλυμα αυτό, χωρίς μεταβολή όγκου, ώστε το τελικό διάλυμα να έχει ph = 10. K a (HA) = Η θερμοκρασία των δύο διαλυμάτων είναι θ=5 ο C, όπου K w = Έστω ότι προστίθεται n mol NaOH. Γράφουμε απλά τη διάσταση του NaOH και τον ιοντισμό του ΗΑ: mol/l NaOH Na + + OH n n n mol/l ΗΑ + H O H 3 Ο + + Α 0,1 y y y Εδώ έχουμε την εξουδετέρωση: Τα Η 3 Ο + από το ΗΑ αντιδρούν με τα ΟΗ από το NaOH (πρακτικά μονόδρομη αντίδραση): mol/l H 3 Ο + + ΟΗ H O y n ω ω K [H O ] [A ] [HA] 3 a, y , y mol 0,1 y 1001 Στο τελικό διάλυμα θα ισχύει: [Η 3 Ο + ] = = y ω και [ΟΗ ] = n ω ( 10 ) mol n ( ) mol 1001 Επομένως: n 0,1 mol. Σημείωση: Επειδή n > 0,1, το NaOH είναι σε μικρή (ασήμαντη) περίσσεια. Περισσότερες ασκήσεις με διερεύνηση χωρίς διερεύνηση, στο site μας: Chemistrytopics.xyz 300

313 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 1ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ: ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Θέμα Α Για τις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α1 - Α4 να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση. Α1. Στην ιοντική ισορροπία: HSeO 4 + NH 3 NH SeO 4, ποιο από τα παρακάτω ζεύγη χαρακτηρίζεται ως συζυγές ζεύγος οξέος - βάσης; Α) NH 4 + and SeO 4 Β) HSeO 4 και NH 3 Γ) NH 4 + και NH 3 Δ) HSeO 4 και NH 4 + [3 μόρια] Α. Σε 1 L διαλύματος HCl 0,1 M προστίθεται 0,1 mol HΒr, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος. Το διάλυμα που θα προκύψει θα έχει: Α) ph = 1 Β) ph = Γ) ph < 1 Δ) 1 < ph < [3 μόρια] Α3. Το μεθανικό οξύ, HCOOH, έχει K a = 1,8 10 4, ενώ το αιθανικό οξύ, CH 3 COOH, έχει K a = 1, Αν διαθέτουμε δύο διαλύματα, ένα CH 3 COOH 0,1 M (διάλυμα Α) και ένα άλλο ΗCOOH 0,1 M (διάλυμα Β) ποιο από τα δύο διαλύματα έχει το μεγαλύτερο ph; A) Tο διάλυμα Β, γιατί το ΗCOOH είναι ισχυρότερο οξύ από το CH 3 COOH B) Tο διάλυμα A, γιατί το ΗCOOH είναι ισχυρότερο οξύ από το CH 3 COOH Γ) Tο διάλυμα Β, γιατί το CH 3 COOH είναι ισχυρότερο οξύ από το ΗCOOH Δ) Tο διάλυμα A, γιατί το CH 3 COOH είναι ισχυρότερο οξύ από το ΗCOOH [3 μόρια] Α4. Η μεθυλαμίνη (CH 3 NH ) είναι ασθενής βάση με K b = 10 4 στους 5 ο C. Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή για ένα διάλυμα CH 3 NH στους 5 ο C; A) Η [H 3 Ο + ] αυξάνεται όσο περισσότερο αραιώνεται το διάλυμα υπό σταθερή θερμοκρασία B) Ο βαθμός ιοντισμού της CH 3 NH μειώνεται όσο περισσότερο αραιώνεται το διάλυμα Γ) Σε ένα διάλυμα CH 3 NH 0,1 M o βαθμός ιοντισμού του είναι μεγαλύτερος από 0,1 Δ) Η σταθερά ιοντισμού του K b μειώνεται, όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του διαλύματος [5 μόρια] Α5. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Δεν απαιτείται αιτιολόγηση. α) Σε θερμοκρασία 5 C, τα υδατικά διαλύματα του ΝΗ 4 Cl έχουν ph μικρότερο από τα υδατικά διαλύματα του ΝaCl. β) Απαιτείται μεγαλύτερη ποσότητα HCl για την εξουδετέρωση διαλύματος ΝΗ 3 με ph = 1 παρά για την εξουδετέρωση διαλύματος NaOH µε το ίδιο ph. γ) Το ουδέτερο ph αυξάνεται με αύξηση της θερμοκρασίας. δ) Η μεθανόλη, CH 3 OH, με τιμή K a < 10 14, δεν αντιδρά με το Η Ο (δεν ιοντίζεται). ε) Διάλυμα που περιέχει Η S και Na S είναι ρυθμιστικό. [5 μόρια] Α6. Τι είναι το φαινόμενο της επίδρασης κοινού ιόντος; Να αναφερθεί ένα παράδειγμα αναφέροντας και τις επιπτώσεις που έχει το φαινόμενο αυτό. [6 μόρια] Θέμα Β Β1. Δύο διαλύματα Δ 1 και Δ περιέχουν, αντίστοιχα, μία ασθενή μονόξινη βάση Β (διάλυμα Δ 1 ) και μία ασθενή μονόξινη βάση Γ (διάλυμα Δ ) σε ίσες συγκεντρώσεις. α) Αν το διάλυμα της Β έχει το μεγαλύτερο ph, τότε η βάση Β είναι ισχυρότερη. Σωστό ή λανθασμένο; β) 1 L από καθένα από τα παραπάνω διαλύματα Δ 1 και Δ εξουδετερώνεται με την απαιτούμενη ποσότητα ΗΝΟ 3, χωρίς μεταβολή όγκου. Από τα δύο διαλύματα εξουδετέρωσης, ποιο παρουσιάζει το μεγαλύτερο ph; Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. Σε όλες τις περιπτώσεις η θερμοκρασία είναι η ίδια. [10 μόρια] 301

314 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Β. Να εξηγήσετε με τη βοήθεια κατάλληλων χημικών εξισώσεων γιατί ένα διάλυμα ΝaHSO 4 παρουσιάζει όξινο ph. [5 μόρια] Β3. Ένα μονοπρωτικό οξύ ΗΑ συγκέντρωσης 0,1 Μ όγκου 5 ml ο- γκομετρείται με πρότυπο διάλυμα ΝaOH 0,1 Μ, με τη βοήθεια δείκτη φαινολοφθαλεΐνη και λαμβάνεται η διπλανή καμπύλη ογκομέτρησης. α) Ποιος όγκος του πρότυπου διαλύματος απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο; β) Να εξηγήσετε αν πρόκειται για ισχυρό ή ασθενές οξύ και γιατί το ph στο ισοδύναμο σημείο είναι μεγαλύτερο του 7. γ) Να περιγράψετε μία μέθοδο προσδιορισμού της σταθεράς K a του οξέος ΗΑ μόνο με βάση την καμπύλη ογκομέτρησης και χωρίς κανένα υπολογισμό. [10 μόρια] ph φαινολοφθαλεΐνη Θέμα Γ Διάλυμα (Δ 1 ) περιέχει ΝΗ 3 1 Μ και ΝΗ 4 Cl 0, Μ. Σε ποσότητα από το 5 όγκος προστιθέμενου NaOH (ml) διάλυμα αυτό όγκου 100 ml προσθέτουμε συνεχώς ένα άλλο διάλυμα (Δ ) που περιέχει ΝΗ 3 0,1 Μ και ΝΗ 4 Cl Μ. Η γραφική παράσταση του ph του διαλύματος που προκύπτει σαν συνάρτηση του όγκου V του διαλύματος Δ απεικονίζεται στο διπλανό διάγραμμα. ph α ph 9 Γ1. Να υπολογιστούν: ph α) Το ph του διαλύματος Δ 1 (ph α ). o β) Ο όγκος V του διαλύματος Δ που έχει προστεθεί στο Δ 1 ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 9. γ) Η οριακή τιμή του ph (ph o ) του διαλύματος που προκύπτει με την συνεχή προσθήκη διαλύματος Δ στο διάλυμα Δ 1. Γ. Ποιος όγκος διαλύματος HCl 0,1 M πρέπει να προστεθεί σε 100 ml του Δ 1 ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 9; Γ3. Ποιος όγκος διαλύματος ΝaOH 0,1 M πρέπει να προστεθεί σε άλλα 100 ml του Δ 1 ώστε να προκύψει διάλυμα με ph = 1; Για την ΝΗ 3, K b = Όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θ=5 ο C, όπου Κ w = Να χρησιμοποιηθούν V V οι γνωστές προσεγγίσεις. [5 μόρια] Θέμα Δ Διαθέτουμε τα παρακάτω διαλύματα Δ 1 και Δ. Διάλυμα Δ 1 : ΗCOOH 1 M. Διάλυμα Δ : CΗ 3 COOH 1 M. Σε 100 ml του διαλύματος Δ 1 προσθέτονται 0,1 mol NaOH και το διάλυμα που προκύπτει α- ραιώνεται με νερό ώστε τελικά να προκύψει διάλυμα (Δ 3 ) όγκου 1 L με ph = 8,5. Επίσης, σε 100 ml του διαλύματος Δ προσθέτονται 0,1 mol NaOH και προκύπτει διάλυμα όγκου 100 ml (διάλυμα Δ 4 ) το οποίο στη συνέχεια αραιώνεται με νερό ώστε τελικά να προκύψει διάλυμα (Δ 5 ) όγκου 1 L με ph = 9. Δ1. Να υπολογιστούν οι τιμές των σταθερών ιοντισμού των οξέων ΗCOOH και CΗ 3 COOH καθώς και τα ph των διαλυμάτων Δ 1 και Δ. Δ. Ποσότητες από τα διαλύματα Δ 3 και Δ 4 όγκων V (L) και V (L), αντίστοιχα, αναμιγνύονται και προκύπτει διάλυμα (Δ 6 ) με ph = 9. Ποια η τιμή του λόγου (V /V); Να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. Κ w = [5 μόρια] 30

315 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ: ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Θέμα Α Για τις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α1 - Α4 να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση. Α1. Η συζυγής βάση και το συζυγές οξύ του ιόντος HSO 4 είναι, αντίστοιχα: A) H 3 O + και OH B) H 3 O + και SO 4 Γ) H SO 4 και OH Δ) SO 4 και H SO 4 [3 μόρια] Α. Για ένα υδατικό διάλυμα με ph = 9, ισχύει ότι: Α) [Η 3 Ο + ] = 10 4 [ΟΗ ] Β) [Η 3 Ο + ] = 10 4 [ΟΗ ] Γ) [Η 3 Ο + ] = 10 [ΟΗ ] Δ) [Η 3 Ο + ] = 10 [ΟΗ ] [4 μόρια] Α3. Πέντε οξέα ταξινομούνται κατά σειρά μειούμενης ισχύος στα υδατικά τους διαλύματα: HCl > CH 3 COOH > HCN > H O. Ποια από τις ισορροπίες που ακολουθούν είναι περισσότερο μετατοπισμένη προς τα αριστερά; A) HCl + H O H 3 O + + Cl B) CH 3 COO + HCl CH 3 COOH + Cl Γ) CH 3 COOH + OH CH 3 COO + H O Δ) HCN + CH 3 COO CH 3 COOH + CN [4 μόρια] Α4. Κατά τη διαδικασία της ογκομέτρησης ενός ασθενούς οξέος με πρότυπο διάλυμα ΝaOH, ο δείκτης που θα χρησιμοποιηθεί θα πρέπει να αλλάζει χρώμα: A) σε ph μικρότερα από 7 B) γύρω από τη περιοχή ph ίσο με το pk a του ασθενούς οξέος Γ) σε ph μεγαλύτερα από 7 Δ) σε ph κοντά με εκείνο του πρότυπου διαλύματος [4 μόρια] Α5. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Δεν απαιτείται αιτιολόγηση. α) O ιοντισμός του Η Ο είναι ενδόθερμο φαινόμενο και επομένως, η τιμή της σταθεράς του γινομένου των ιόντων του, K w, αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. β) Ο βαθμός ιοντισμού μιας ασθενούς βάσης αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης του διαλύματος υπό σταθερή θερμοκρασία. γ) Στα υδατικά τους διαλύματα, το KOH διίστανται και το ΗΒr ιοντίζεται. δ) Αν δύο υδατικά διαλύματα Δ 1 και Δ ίδιας θερμοκρασίας περιέχουν αντίστοιχα NH 3 και CH 3 NH της ίδιας συγκέντρωσης c και το Δ 1 έχει ph = 11, ενώ το Δ έχει ph = 11,5, τότε στην ίδια θερμοκρασία θα ισχύει: K a (NH 4+ ) > K a (CH 3 NH 3+ ). ε) Προσθήκη στερεού ΚΟΗ σε διάλυμα ΝΗ 3, χωρίς μεταβολή του όγκου και της θερμοκρασίας του διαλύματος, προκαλεί μείωση της συγκέντρωσης του ΝΗ 4+. [5 μόρια] Α6. Να αναφερθούν οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται ο βαθμός ιοντισμού ενός α- σθενούς οξέος. [5 μόρια] Θέμα Β Β1. Διαθέτουμε τα εξής δύο διαλύματα των ασθενών οξέων ΗΑ και ΗΒ: Διάλυμα Α: ΗΑ 0,1 Μ, όγκου 100 ml Διάλυμα Β: ΗΒ 0,01 Μ όγκου 1 L. Στα δύο διαλύματα Α και Β τα οξέα ΗΑ και ΗΒ παρουσιάζουν το ίδιο βαθμό ιοντισμού α. α) Να συγκρίνετε την ισχύ των δύο οξέων. β) Να συγκρίνετε τα ph των δύο διαλυμάτων Α και Β. γ) Σε όλη τη ποσότητα των δύο διαλυμάτων Α και Β προσθέτουμε ακριβώς την απαιτούμενη ποσότητα NaOH(s) για την πλήρη εξουδετέρωση, χωρίς μεταβολή όγκου και χωρίς μεταβολή της θερμοκρασίας. Να συγκρίνετε τα ph των δύο διαλυμάτων που θα προκύψουν. 303

316 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 δ) Αν είχαμε στα δύο διαλύματα είχαμε προσθέσει ακριβώς τη μισή ποσότητα NaOH(s) από αυτή που απαιτείται για την πλήρη εξουδετέρωση καθενός διαλύματος, να συγκρίνετε τα ph των διαλυμάτων που θα προέκυπταν. Να αιτιολογήσετε πλήρως τις απαντήσεις σας. Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρήσετε τις κατάλληλες προσεγγίσεις. θ = 5 ο C. [14 μόρια] Β. Δίνονται τρία υδατικά διαλύματα ΝΗ 3, HCl, NH 4 Cl. α) Πώς μπορείτε να παρασκευάσετε ρυθμιστικό διάλυμα με δυο διαφορετικούς τρόπους, χρησιμοποιώντας δύο μόνο από τα διαλύματα κάθε φορά. Σε όποιες περιπτώσεις απαιτείται να αναγραφούν οι κατάλληλες χημικές εξισώσεις των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα. β) Να γράψετε τη σχέση που εκφράζει την [ΟΗ ] του ρυθμιστικού διαλύματος σε συνάρτηση με τη σταθερά K b της βάσης και τις συγκεντρώσεις (c ο, c β ) των ουσιών του διαλύματος. [5 μόρια] Β3. Για ένα πρωτολυτικό δείκτη ΗΔ ισχύουν τα εξής: i. Όταν [ΗΔ] > 10 [Δ ], τότε επικρατεί το όξινο χρώμα του δείκτη. ii. Όταν [Δ ] > 10 [HΔ], τότε επικρατεί το βασικό χρώμα του δείκτη. + [HΔ] [Η Ο ] α) Για το δείκτη αυτό να δείξετε ότι: 3 = [Δ ] Κa(HΔ) β) Για τον ίδιο δείκτη να αποδείξετε ότι η περιοχή αλλαγής χρώματος του δείκτη είναι μονάδες της κλίμακας του ph. [6 μόρια] Θέμα Γ Σε τρία δοχεία περιέχονται τα παρακάτω υδατικά διαλύματα, τα οποία όλα έχουν την ίδια συγκέντρωση (c). Δ 1 : Διάλυμα HCl με ph = 0. Δ : Διάλυμα ασθενούς οξέος ΗΑ με ph = 3. Δ 3 : Διάλυμα άλατος ΚΑ. Γ1. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση των διαλυμάτων Δ 1, Δ και Δ 3 και το ph του διαλύματος Δ 3. Γ. Αναμιγνύουμε 100 ml από το διάλυμα Δ και 100 ml από το διάλυμα Δ 3, οπότε προκύπτει διάλυμα Δ 4. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Δ 4. Γ3. Στο διάλυμα Δ 4 προσθέτουμε 50 ml από το διάλυμα Δ 1. Να υπολογιστεί η συγκέντρωση όλων των ιόντων στο διάλυμα που προκύπτει. Δίνεται ότι όλα τα διαλύματα βρίσκονται σε θερμοκρασία 5 o C, Κ w = Τα δεδομένα του προβλήματος επιτρέπουν τις γνωστές προσεγγίσεις. [5 μόρια] Θέμα Δ Δ1. Διάλυμα Δ όγκου 50 ml έχει ph = 5 και περιέχει το ασθενές οξύ ΗΑ σε συγκέντρωση c 1 και το άλας του NaA σε συγκέντρωση 0,1 Μ. To διάλυμα ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 Μ οπότε μέχρι το ισοδύναμο σημείο καταναλώθηκαν 50 ml του πρότυπου διαλύματος. Να υπολογιστούν: α) Η συγκέντρωση του ΗΑ και η τιμή της σταθεράς ιοντισμού K a του ΗΑ. β) Το ph στο ισοδύναμο σημείο της παραπάνω ογκομέτρησης. γ) Ο όγκος του πρότυπου διαλύματος που είχε προστεθεί όταν ph = 6. δ) Ο όγκος του πρότυπου διαλύματος που πρέπει να προστεθεί ώστε να προκύψει ph = 1. Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. θ=5 ο C. [0 μόρια] Δ. Ποσότητα οξέος του τύπου ΗClO x μάζας 10,05 g διαλύεται σε νερό και σχηματίζει διάλυμα όγκου 500 ml. 5 ml από το διάλυμα απαιτούν για την εξουδετέρωση 50 ml διαλύματος ΚΟΗ 0,1 Μ. Nα προσδιοριστεί ο τύπος του οξέος (η τιμή του x). Ποιο το ph του διαλύματος της ογκομέτρησης στο ισοδύναμο σημείο; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. θ=5 ο C. [5 μόρια] 304

317 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 3ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ: ΧΗΜΙΚΗ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Θέμα Α Για τις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α1 - Α5 να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση. Α1. Σε δοχείο εισάγουμε mol H και 1 mol I. Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας: H (g) + I (g) HI(g), η ποσότητα του HI θα είναι: A) ίση με 1 mol B) ίση με mol Γ) μικρότερη από mol Δ) μεγαλύτερη από mol αλλά μικρότερη από 4 mol [4 μόρια] Α. Η σταθερά K c μιας συγκεκριμένης χημικής ισορροπίας: Α) μεταβάλλεται με μεταβολή των συγκεντρώσεων Β) μεταβάλλεται με μεταβολή του όγκου του δοχείου Γ) μεταβάλλεται με μεταβολή της θερμοκρασίας Δ) έχει σταθερή τιμή και επομένως δεν μεταβάλλεται [4 μόρια] Α3. Ποια από τα παρακάτω ιόντα ή μόρια είναι η συζυγής βάση του ιόντος H PO 4 ; A) OH B) H O Γ) HPO 4 Δ) H 3 PO 4 [4 μόρια] Α4. Στο χημικά καθαρά νερό στους 5 o C ισχύει: [ΟΗ ] = M. Η σταθερά K w και το ph του νερού στους 5 o C θα έχουν τιμές, αντίστοιχα: A) και 7 B) και 6,6 Γ) 1, και 7,4 Δ) 1, και 7 [5 μόρια] Α5. Στα υδατικά τους διαλύματα το υδροκυάνιο, HCN, λειτουργεί ως ασθενές οξύ (K a = ), ενώ η αμμωνία, NH 3, ως ασθενής βάση (K b = 10 5 ). Σύμφωνα με τα δεδομένα αυτά, ένα διάλυμα του άλατος NH 4 CN, στους 5 ο C, θα έχει ph: A) όξινο, βασικό ή ουδέτερο, ανάλογα με τη συγκέντρωσή του B) όξινο Γ) ουδέτερο Δ) βασικό [4 μόρια] Α6. Να περιγράψετε τους όρους: α) δυναμική χημική ισορροπία και β) ετερογενής χημική ι- σορροπία. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε κατάλληλα παραδείγματα. [5 μόρια] Θέμα Β Β1. Σε δοχείο έχει αποκατασταθεί η ισορροπία που περιγράφεται από την εξίσωση: 3NO (g) + H O(g) HNO 3 (g) + NO(g), ΔΗ = 38 kj Να προβλέψετε την επίδραση που θα έχουν οι παρακάτω μεταβολές στην ποσότητα του σχηματιζομένου ΗΝΟ 3. α) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας υδρατμών. β) Απομάκρυνση ποσότητας ΝΟ από το δοχείο της ισορροπίας. γ) Μείωση του όγκου του δοχείου, υπό σταθερή θερμοκρασία. δ) Μείωση της θερμοκρασίας, υπό σταθερή πίεση. ε) Προσθήκη καταλύτη. στ) Εισαγωγή αδρανούς αερίου, π.χ. He(g), υπό σταθερό όγκο και υπό σταθερή θερμοκρασία. Να αιτιολογήσετε σύντομα τις απαντήσεις σας. [1 μόρια] 305

318 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Β. Το γαλακτικό οξύ, ένα οργανικό οξύ που υπάρχει στο γάλα, έχει τύπο CH 3 CH(OH)COOH και σχετική μοριακή μάζα Μ r = 90. Για να είναι κατάλληλο το γάλα δεν πρέπει το γαλακτικό οξύ να είναι σε συγκέντρωση μεγαλύτερη από,4 10 M. Δείγμα όγκου 0 ml από ένα γάλα ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0,05 Μ με τη χρήση της συσκευής που απεικονίζεται στο διπλανό σχήμα. α) Να χαρακτηρίσετε την ογκομέτρηση ως οξυμετρία ή αλκαλιμετρία και να ονομάσετε τα γυάλινα σκεύη Α και Β. Nα γράψετε την εξίσωση της αντίδρασης που συμβαίνει κατά τη διαδικασία της ογκομέτρησης. Κατά την παραπάνω ογκομέτρηση λαμβάνεται η καμπύλη ογκομέτρησης που ακολουθεί. Α ph Β 8 ΙΣ ml NaOH 0,05 M β) Να δώσετε τον ορισμό του ισοδύναμου σημείο και να γράψετε τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που απαιτείται μέχρι το ισοδύναμο σημείο της παραπάνω ογκομέτρησης. γ) Από την καμπύλη ογκομέτρησης να προσδιορίσετε γραφικά (χωρίς υπολογισμούς) την τιμή της σταθεράς K a του γαλακτικού οξέος. δ) Να προσδιορίσετε την περιεκτικότητα του γάλατος (σε g/l) σε γαλακτικό οξύ και να εξηγήσετε αν είναι κατάλληλο ή όχι. ε) Επαναλαμβάνουμε την παραπάνω ογκομέτρηση αφού αραιώσουμε την ποσότητα του γάλατος με νερό ώστε ο τελικός όγκος να γίνει 00 ml. Αυτή τη φορά προσδιορίζουμε το τελικό σημείο της ογκομέτρησης με τη βοήθεια δείκτη. Ποιος από τους δείκτες που ακολουθούν είναι ο καταλληλότερος για την περίπτωση αυτή; Δείκτης Περιοχή ph χρωματικής Χρωματική αλλαγή αλλαγής Ηλιανθίνη 3,1-4,0 κόκκινο - κίτρινο Ναφθολοφθαλεΐνη 7,5 8,6 ροζ - πράσινο Φαινολοφθαλεΐνη 8, - 10 άχρωμο - κόκκινο Ποιο το χρώμα του (καταλληλότερου) δείκτη: i. Στην έναρξη της ογκομέτρησης και ii. στο τελικό σημείο; [13 μόρια] Θέμα Γ Γ1. Η αμμωνία (ΝΗ 3 ) παρασκευάζεται σύμφωνα με την αμφίδρομη αντίδραση που περιγράφεται από την παρακάτω χημική εξίσωση: N (g) + 3H (g) NH 3 (g). Σε δοχείο όγκου 8 L, σε θερμοκρασία θ 1 εισάγονται 5 mol Ν και 11 mol H. Στην κατάσταση χημικής ισορροπίας διαπιστώνεται ότι η ποσότητα της ΝΗ 3 είναι mol. α) Να υπολογίσετε την απόδοση (με μορφή κλασματικού αριθμού) της αντίδρασης σύνθεσης της αμμωνίας. β) Να υπολογίσετε την σταθερά χημικής ισορροπίας K c της αντίδρασης σύνθεσης της αμμωνίας στη θερμοκρασία θ 1. γ) Αν η θερμοκρασία του μίγματος ισορροπίας γίνει θ, όπου θ > θ 1, τότε τα συνολικά mol του μίγματος ισορροπίας γίνονται 15 mol. Να χαρακτηρίσετε την αντίδραση σχηματισμού της αμμωνίας ως ενδόθερμη ή εξώθερμη. Να αιτιολογήσετε την απάντηση σας. [0 μόρια] 306

319 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Γ. Σε διάλυμα ΗΑ συγκέντρωσης c = 0,1 M βρέθηκε ότι στην κατάσταση ισορροπίας ισχύει: [ΗΑ] = 4 [Α ]. Να υπολογίσετε το ποσοστό ιοντισμού του οξέος ΗΑ καθώς και την τιμή της σταθεράς ιοντισμού του. [5 μόρια] Θέμα Δ Σε 40 ml διαλύματος ΝaOH 1 Μ (διάλυμα Δ 1 ) προσθέτονται 110 ml Η Ο, οπότε προκύπτει διάλυμα Δ. Σε όλη την ποσότητα του Δ προσθέτουμε συγχρόνως 5 ml διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ 0,8 Μ (διάλυμα Δ 3 ) και 5 ml διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΒ 0,8 Μ (διάλυμα Δ 4 ), οπότε προκύπτει διάλυμα Δ 5. Δ1. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Δ 1, καθώς και το ph του διαλύματος Δ 4. Δ. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος Δ 5. Δ3. Στο διάλυμα Δ 5 προσθέτουμε 0,06 mol HCl, χωρίς μεταβολή όγκου του διαλύματος. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος μετά την προσθήκη του HCl. Δίνονται: Κ a (HA) = , K a (HB) = 1,5 10 5, θ=5 o C, Κ w = Σε όλες τις περιπτώσεις να θεωρηθούν οι κατάλληλες προσεγγίσεις. [5 μόρια] 307

320 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 308

321 ΜΕΡΟΣ Γ (Κεφάλαιο 6 Σχολικού) Ηλεκτρονιακή Δομή των Ατόμων και Περιοδικός Πίνακας

322

323 14 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ - ΜΕΡΟΣ Α: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. Ποιες θεωρίες εξηγούν τη φύση του φωτός; Η θεωρία της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (Μaxwell, 1865), δέχεται ότι το φως διαδίδεται ως ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό κύμα οι εντάσεις των οποίων μεταβάλλονται χρονικά με τη μορφή ημιτονοειδών συναρτήσεων σε επίπεδα κάθετα μεταξύ τους. Η θεωρία ερμηνεύει πολλές ιδιότητες της ακτινοβολίας, δεν εξηγεί όμως την επίδραση του φωτός πάνω στην ύλη (π.χ. το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Κάθε φωτόνιο συμπεριφέρεται ως σωματίδιο, δηλαδή παρουσιάζει μάζα και ορμή. Το φως έχει διπλή φύση, την κυματική και την σωματιδιακή, χωρίς η μία να αναιρεί την άλλη. Η κυματική θεωρία του φωτός. Σύμφωνα με την κυματική θεωρία, το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διαδίδεται με σταθερή ταχύτητα (c = m s 1, στο κενό). Τα είδη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ακτίνες γ, ακτίνες Χ, υπεριώδης, ορατή, υπέρυθρη, ραδιοκύματα κτλ.) διαφοροποιούνται με βάση το μήκος κύματος (λ) και τη συχνότητά τους (ν ή f). Τα δύο αυτά μεγέθη συνδέονται με το θεμελιώδη νόμο της κυματικής: c = λ ν Η κβαντική θεωρία του φωτός. Αν και πολλά από τα φαινόμενα που παρουσιάζει το φως μπορούσαν να εξηγηθούν με βάση την κυματική θεωρία, υπήρχαν και άλλα που δεν μπορούσαν να εξηγηθούν με τη θεωρία αυτή. Η θεώρηση ότι το φως έχει και σωματιδιακές ιδιότητες διατυπώθηκε το 1900 από τον Planck, σύμφωνα με την κβαντική θεωρία: «Η ακτινοβολία εκπέμπεται ή απορροφάται όχι κατά τρόπο συνεχή, αλλά κατά «πακέτα» ενέργειας (κβάντα), κατά ορισμένες δηλαδή τιμές». Με τον τρόπο αυτό η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία περιγράφεται ως ροή μικροσκοπικών σωματιδίων (φωτονίων) καθένα από τα οποία κινείται με την ταχύτητα του φωτός, μεταφέροντας ένα πακέτο ενέργειας (κβάντο) ανάλογο με τη συχνότητά του. Η ε- νέργεια εντός τέτοιου φωτονίου δίνεται από τη σχέση: Ε = h ν όπου h η σταθερά του Planck με τιμή h = 6, J s και ν (ή f) η συχνότητα της α- κτινοβολίας (σε s 1 ή Hz).. Το ατομικό πρότυπο του Bohr Το πρώτο σημαντικό ατομικό πρότυπο που συμφωνεί με τις σημερινές αντιλήψεις μας προτάθηκε από τον Rutherford το Σύμφωνα με το πρότυπο αυτό, όλη σχεδόν η μάζα του ατόμου και πάντως όλο το θετικό φορτίο είναι συγκεντρωμένο στον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω του, καταλαμβάνοντας τον υπόλοιπο χώρο του ατόμου (πλανητικό μοντέλο). Όμως, το ατομικό αυτό πρότυπο δεν εξηγεί τα γραμμικά φάσματα εκπομπής των ατόμων, ούτε και τη σταθερότητά τους. 309

324 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Το 1913 ο Δανός φυσικός Niels Bohr προσπάθησε να διορθώσει τις ατέλειες του ατομικού προτύπου του Rutherford στηριζόμενος στην κλασσική Φυσική και τη νεαρή τότε κβαντική θεωρία. Θεώρησε δύο συνθήκες, τη μηχανική και την οπτική. 1η συνθήκη (μηχανική συνθήκη): Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα σε ορισμένες μόνο επιτρεπόμενες κυκλικές τροχιές. Κάθε μία από τις τροχιές αυτές έχει καθορισμένη ενέργεια, με άλλα λόγια η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι κβαντισμένη. Οι καθορισμένες τιμές ενέργειας που μπορεί να πάρει το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου αποδεικνύεται ότι δίνονται από τη σχέση:,1810 = n En 18 (J) O ακέραιος αριθμός n = 1,, 3 κτλ. λέγεται (κύριος) κβαντικός αριθμός και αντιστοιχεί στις διάφορες επιτρεπόμενες κυκλικές τροχιές του ηλεκτρονίου. Για n = 1 αντιστοιχεί η πλησιέστερη τροχιά στον πυρήνα, που συμβολίζεται με το γράμμα Κ και διαθέτει τη χαμηλότερη ενέργεια (θεμελιώδη ή βασική κατάσταση του ηλεκτρονίου). Οι επόμενες τροχιές (στιβάδες ή φλοιοί) χαρακτηρίζονται με n =, 3, 4, 5 κτλ. και συμβολίζονται, αντίστοιχα, με L, Μ, Ν, Ο κτλ. Στις τροχιές αυτές το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η διαθέτει όλο και μεγαλύτερη ενέργεια, λέμε δε ότι βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι αρνητική, καθώς έλκεται από τον πυρήνα και, επομένως, απαιτείται ενέργεια για την απόσπασή του. Με την αύξηση της τιμής του n, η ε- νέργεια του ηλεκτρονίου μεγαλώνει καθώς γίνεται λιγότερο αρνητική. Θεωρητικά, για n η ενέργεια του ηλεκτρονίου παίρνει την τιμή μηδέν, που είναι η μέγιστη δυνατή και αντιστοιχεί στην απελευθέρωση του ηλεκτρονίου από την έλξη του πυρήνα. Το φαινόμενο χαρακτηρίζεται ως ιοντισμός, καθώς έχει ως αποτέλεσμα του σχηματισμό του ιόντος H +. Κβάντωση και διακριτότητα. Ένα φυσικό μέγεθος Μ λέμε ότι είναι κβαντωμένο όταν παίρνει τιμές που είναι όλες τους ακέραια πολλαπλάσια μιας στοιχειώδους ποσότητας μ (Μ = Ν μ). Όταν πάλι λέμε ότι ένα φυσικό μέγεθος παίρνει διακριτές τιμές εννοούμε ότι οι τιμές αυτές δεν είναι συνεχείς, αλλά αποτελούν μέλη μιας ακολουθίας. Π.χ. το φορτίο q = N e είναι κβαντωμένο ενώ η ενέργεια του ηλεκτρονίου στο άτομο του Η παίρνει διακριτές τιμές: Ε E = n 1 η συνθήκη (οπτική συνθήκη): To ηλεκτρόνιο ενός ατόμου εκπέμπει ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας, μόνον όταν μεταπηδήσει από τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας Ε i σε τροχιά μικρότερης ενέργειας Ε f. Η διαφορά ενέργειας ΔΕ = Ε i E f (Ε i > E f ) μεταξύ των δύο τροχιών εκπέμπεται με τη μορφή ενός φωτονίου. Από τις σχέσεις ΔΕ = h ν και c = λ ν, προκύπτει: h c Ei Ef =, όπου λ το μήκος κύματος και h η σταθερά του Planck. λ Αντίθετα, η μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από τροχιά μικρότερης ενέργειας σε τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας απαιτεί απορρόφηση ενέργειας, ΔΕ = h ν, όπου ΔΕ = Ε i E f (στην περίπτωση αυτή E f > E i ): Το ατομικό πρότυπο του Bohr βοήθησε στη μετάβαση από την κλασσική θεώρηση στην κβαντομηχανική. 310

325 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ n=1 n= n=3 n=4 Ε 3 - E = h ν Εκπομπή ακτινοβολίας συχνότητας ν Ε - E 1 = h ν Εκπομπή ακτινοβολίας συχνότητας ν Σχήμα 1. Όταν το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η μεταπηδά από εξωτερική στιβάδα σε στιβάδα πλησιέστερα στον πυρήνα (π.χ. από την M στην L ή από την L στην Κ) χάνει ενέργεια εκπέμποντας φωτόνιο κατάλληλου μήκους κύματος. Όσο μεγαλύτερη η διαφορά ενέργειας ΔΕ μεταξύ των δύο στιβάδων, τόσο μεγαλύτερη η συχνότητα (μικρότερο μήκος κύματος) του φωτονίου που εκπέμπεται (v > v). 3. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της θεωρίας του Bohr Στο συνεχές φάσμα εκπομπής (που παράγει π.χ. μία κοινή ηλεκτρική λάμπα πυράκτωσης) παράγεται μία ταινία (περιοχή) με όλα τα ενδιάμεσα μήκη κύματος και όχι α- κτινοβολία που αποτελείται από συγκεκριμένα μόνο μήκη κύματος. Το ατομικό πρότυπο του Bohr αποτελεί ένα απλό πρότυπο για το άτομο του υδρογόνου και ερμηνεύει με επιτυχία τα φάσματα εκπομπής όχι μόνο του ατόμου του Η, αλλά και όλων των υδρογονοειδών ιόντων (π.χ. He +, 3 Li + κτλ.), των ιόντων, δηλαδή, που διαθέτουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Τα φάσματα αυτά είναι όλα γραμμικά, αποτελούνται δηλαδή από συγκεκριμένες φασματικές γραμμές, και όχι συνεχή. Κάθε φασματική γραμμή διαθέτει συγκεκριμένη ενέργεια, μήκος κύματος (λ) και συχνότητα (ν) και α- ντιστοιχεί σε συγκεκριμένη μετάπτωση του ηλεκτρονίου από μία εξωτερική τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας σε εσωτερική τροχιά μικρότερης ενέργειας. Το φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου στην ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος απεικονίζεται στο σχήμα που ακολουθεί. 410 nm: από PL 434 nm: από OL 486 nm: από NL 656 nm: από ML λ (nm) Σχήμα. Οι γραμμές του φάσματος εκπομπής του ατόμου του Η που αντιστοιχούν στην ορατή ακτινοβολία (από nm, περίπου) αποτυπωμένες σχηματικά σε φωτογραφική πλάκα. Το σύνολο των ακτινοβολιών του ορατού φάσματος λέγεται σειρά Balmer και αντιστοιχεί σε μεταπτώσεις από ανώτερες στιβάδες στη στιβάδα L (n = ). Παρά τη σημαντική του επιτυχία στην εξήγηση του φάσματος εκπομπής για το άτομο του Η, το ατομικό πρότυπο του Bohr αποτυγχάνει να εξηγήσει τα φάσματα εκπομπής των πολυηλεκτρονιακών ατόμων καθώς και το σχηματισμό των χημικών δεσμών. Έτσι, σταδιακά, το ατομικό πρότυπο του Bohr εγκαταλείφθηκε. Πάντως, το πρότυπο του Bohr αποτέλεσε την αφετηρία για το νέο μοντέλο του ατόμου που στηρίζεται σε έναν επαναστατικό κλάδο της φυσικής, την κβαντομηχανική. 311

326 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4. Η κυματική θεωρία της ύλης του de Broglie Είδαμε στην κβαντική θεωρία ότι η ακτινοβολία παρουσιάζει και σωματιδιακές ιδιότητες, αποτελείται δηλαδή από φωτόνια. Το 194 ο Γάλλος Louis de Broglie παρατήρησε ότι και τα μικροσκοπικά κινούμενα σωματίδια παρουσιάζουν και κυματική συμπεριφορά (υλικά κύματα). Διατύπωσε επομένως την αρχή: Το φωτόνιο, όπως και κάθε κινούμενο μικροσκοπικό σωματίδιο (π.χ. ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο) παρουσιάζει διττή φύση, σωματίδιου (κβάντου) και ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Σύμφωνα με τον de Broglie, το μήκος κύματος ενός σωματιδίου μάζας m και ταχύτητας υ συνδέεται με την ορμή του p = m υ και τη σταθερά του Planck, σύμφωνα με τη σχέση: h h λ = = p m υ Με άλλα λόγια τα υλικά σωματίδια συμπεριφέρονται και ως κύματα (υλικά κύματα), όπως και τα κύματα συμπεριφέρονται ως υλικά σώματα. Πρέπει να σημειωθεί ότι για να εκδηλωθεί ο κυματικός χαρακτήρας ενός σωματιδίου θα πρέπει αυτό να έχει πολύ μικρή μάζα και σχετικά μεγάλη ταχύτητα. Έτσι, τα υλικά κύματα είναι ανιχνεύσιμα μόνο στην περίπτωση υποατομικών σωματιδίων ή ελαφρών σχετικά πυρήνων ή ατόμων. 5. Αρχή αβεβαιότητας (απροσδιοριστίας) του Heisenberg O Louis de Broglie (προφέρεται Λουί ντε Μπρέιγ) περιέγραψε τα υλικά κύματα με μαθηματικούς όρους, η θεωρία του όμως αποδείχθηκε και πειραματικά το 197 με τη βοήθεια δέσμης ηλεκτρονίων που διαθλάται και περιθλάται, όπως ακριβώς η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η διαπίστωση αυτή οδήγησε στην ανακάλυψη του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Οι δύο «όψεις» ενός σωματιδίου, υλική και κυματική, αλληλοσυμπληρώνονται αλλά δεν γίνονται αντιληπτές ταυτόχρονα με το ίδιο πείραμα. Το 197 ο Γερμανός φυσικός Werner Heisenberg κατέληξε στο συμπέρασμα ότι: Είναι αδύνατο να προσδιορίσουμε με ακρίβεια συγχρόνως τη θέση και την ορμή (p = m υ) ενός μικρού σωματιδίου π.χ. ηλεκτρονίου (αρχή αβεβαιότητας ή απροσδιοριστίας του Heisenberg). Αυτό σημαίνει ότι αν ξέρουμε πως κινείται ένα σωματίδιο (γνωρίζοντας την ορμή του) δε μπορούμε να γνωρίζουμε που ακριβώς είναι, ενώ αντίστροφα αν γνωρίζουμε τη θέση του δεν γνωρίζουμε ακριβώς από πού έχει έλθει ή που ακριβώς πάει. Με άλλα λόγια, η έννοια της τροχιάς σωματιδίου χάνει πια τη σημασία της όπως την ξέρουμε στην κλασική φυσική. Εφόσον, λοιπόν, δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε επακριβώς τη θέση ενός ηλεκτρονίου, θα πρέπει να μας ενδιαφέρει μόνο η πιθανότητα παρουσίας του σε στοιχειώδη περιοχή του χώρου (ΔV) και όχι ο ταυτόχρονος προσδιορισμός της θέσης και της ορμής του. Δεν μπορώ να βρω τα κλειδιά μου. Ίσως γιατί ξέρεις πολύ καλά την ορμή τους. Αν και ο Einstein ασχολήθηκε στην αρχή με την κβαντική θεωρία, ποτέ δεν δέχτηκε την αρχή της αβεβαιότητας του Heinsenberg. Κάποτε είπε: «Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν». O δε Bohr φέρεται ότι είπε: «Αlbert, σταμάτα να λες στο Θεό τι να κάνει!». Η μαθηματική διατύπωση της αρχής της αβεβαιότητας είναι: Δx Δp h/4π, όπου Δx η αβεβαιότητα στη θέση και Δp η αβεβαιότητα στην ορμή ενός σωματιδίου που κινείται στον άξονα x. To «κρύο» ανέκδοτο της ημέρας! 31

327 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ ΜΕΡΟΣ Β: ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ 6. Η θεωρία του Schrödinger για το άτομο του υδρογόνου Το 196 ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger επινόησε μία εξίσωση που περιγράφει το ηλεκτρόνιο ως (στάσιμο) κύμα με σωματιδιακές ιδιότητες, συνδυάζοντας όλες τις επιμέρους υποθέσεις που είχαν γίνει για την ερμηνεία της συμπεριφοράς του μικρόκοσμου. Η υπόθεση αυτή διατυπωμένη σε μια πολύπλοκη μαθηματική έκφραση αποτελεί την περίφημη κυματική εξίσωση του Schrödinger, που άνοιξε το δρόμο της κβαντομηχανικής (ή κυματομηχανικής). H εξίσωση του Schrödinger δεν προκύπτει από βασικές αρχές της φυσικής, αλλά αποτελεί αξίωμα για την κβαντομηχανική. Οι τρεις κβαντικοί αριθμοί δεν εισάγονται αυθαίρετα αλλά προκύπτουν κατά τη διαδικασία επίλυσης της εξίσωσης ως συνέπεια των απαιτήσεων που πρέπει να πληρούν οι κυματοσυναρτήσεις. Η πλήρης λύση της εξίσωσης του Schrödinger για το άτομο του Η οδηγεί σε ένα σύνολο κυματοσυναρτήσεων (ψ), που κάθε μία αντιστοιχεί στην ενέργεια του ηλεκτρονίου, Ε n και την πιθανότητα εύρεσής του στο χώρο. Το κβαντομηχανικό μοντέλο για το άτομο αντί για την έννοια της τροχιάς εισάγει την έννοια του ατομικού τροχιακού που απαιτεί για την περιγραφή του τρεις ακέραιους κβαντικούς αριθμούς, n, l, m l που προκύπτουν κατά τη διαδικασία επίλυσης της εξίσωσης του Schrödinger και οι οποίοι καθορίζουν μια συγκεκριμένη κατάσταση του ηλεκτρονίου. Κάθε μία από τις συναρτήσεις - λύσεις της εξίσωσης του Schrödinger αντιστοιχεί σε μία τριάδα κβαντικών αριθμών (n, l, m l ), που με τη σειρά της αντιστοιχεί σε ένα τρισδιάστατο χώρο ορισμένου σχήματος και προσανατολισμού, στον οποίο μπορεί να βρεθεί το η- λεκτρόνιο. Ένας τέτοιος χώρος ονομάζεται ατομικό τροχιακό. Κάθε ατομικό τροχιακό έχει χαρακτηριστική ενέργεια και σχήμα και αντιστοιχεί στην πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου σε κάθε στοιχειώδες τμήμα του χώρου (ΔV) γύρω από τον πυρήνα. Κυματική εξίσωση Schrodinger για το άτομο του Η επίλυση ψ 1, ψ, ψ 3. ψ n (κυματοσυναρτήσεις) πιθανότητα παρουσίας του e στο χώρο γύρω από τον πυρήνα (n, l, m l ) τροχιακό Ε (ενέργεια) Η ακριβής επίλυση της εξίσωσης του Schrödinger είναι δυνατή μόνο για το άτομο του H και οδηγεί σε ένα συγκεκριμένο σύνολο τιμών ενέργειας, που είναι το ίδιο με αυτό που προβλέπει η θεωρία του Bohr. Δηλαδή, για το άτομο του Η και η θεωρία του Schrödinger κατέληξε στο συμπέρασμα:,1810 = n En 18 (J) Στα άλλα άτομα, τα λεγόμενα πολυηλεκτρονιακά, η επίλυση της εξίσωσης του Schrödinger είναι δυνατή μόνο με πολύπλοκες προσεγγιστικές μεθόδους. 313

328 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 7. O κύριος κβαντικός αριθμός (n) Ο κύριος κβαντικός αριθμός n καθορίζει την ενέργεια του ηλεκτρονίου και είναι ενδεικτικός της μέσης απόστασης του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα. Παίρνει ακέραιες θετικές τιμές: n = 1,, 3, 4 και σε κάθε τιμή του n αντιστοιχεί ένα σύνολο τροχιακών που περιέχει n τροχιακά. Π.χ. για n = 1 έχουμε μόνο 1 τροχιακό, για n = έχουμε συνολικά = 4 τροχιακά, ενώ για n = 3 έχουμε συνολικά 3 = 9 τροχιακά κτλ. Τα σύνολα των τροχιακών που αντιστοιχούν στον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό n αντιστοιχούν σε στιβάδες ή φλοιούς (για λόγους αναλογίας με τη θεωρία του Bohr) και συμβολίζονται με τα γράμματα Κ, L, M κτλ. κύριος κβαντικός αριθμός στιβάδα Κ L M N 8. O αζιμουθιακός (δευτερεύων) κβαντικός αριθμός (l) Ο δευτερεύων ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός συμβολίζεται με το γράμμα l και παίρνει τις τιμές: l = 0, 1,, 3,, (n 1) Έτσι, για τις διάφορες τιμές του n έχουμε τις εξής τιμές για τον l: n l 1 0 0, 1 3 0, 1, 4 0, 1,, 3 n 0, 1,, 3,, (n 1) Ο δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός καθορίζει το σχήμα των τροχιακών, καθώς τροχιακά με διαφορετικές τιμές του l έχουν και διαφορετικά σχήματα. Με βάση τις τιμές του l καθορίζεται ένα υποσύνολο τροχιακών που λέμε ότι αποτελούν τις υποστιβάδες μιας δεδομένης ενεργειακής στιβάδας. Τα τροχιακά αυτά, αλλά και οι αντίστοιχες υποστιβάδες καθορίζονται με τα γράμματα s, p, d, f, g κτλ. l τροχιακά s p d f g υποστιβάδες s p d f g Παραδείγματα Για n = 1 προκύπτει μόνο l = 0. Επομένως, η πρώτη στιβάδα περιέχει μόνο μία υ- ποστιβάδα, που χαρακτηρίζεται σαν 1s (1 για τον κύριο κβαντικό αριθμό και s για τον δευτερεύοντα). Τον ίδιο συμβολισμό, 1s, χρησιμοποιούμε και για το τροχιακό που αντιστοιχεί στην υποστιβάδα αυτή. Οι συμβολισμοί των τροχιακών s, p, d, f σχετίζονται με τα αρχικά λέξεων που σχετίζονται με τις φασματικές γραμμές: sharp, principal, diffuse, fundamental. 314

329 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ H ερώτηση της ημέρας: Από ποιες υποστιβάδες αποτελείται η στιβάδα Ν; Για n = o δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός μπορεί να πάρει τις τιμές l = 0, 1, οπότε προκύπτουν δύο υποστιβάδες, η s και η p. Για n = 3 o δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός μπορεί να πάρει τις τιμές l = 0, 1,, οπότε προκύπτουν τρεις υποστιβάδες, η 3s, η 3p και η 3d. 9. O μαγνητικός κβαντικός αριθμός (m l ) O μαγνητικός κβαντικός αριθμός συμβολίζεται με m l και καθορίζει τους δυνατούς προσανατολισμούς των τροχιακών στο χώρο, ενώ σε κάθε τιμή του m l αντιστοιχεί και ένα τροχιακό. Αποδεικνύεται ότι μπορεί να πάρει τις τιμές: l,,, 1, 0, +1, +,,+l δηλαδή συνολικά (l + 1) τιμές. Τα πέντε d τροχιακά συμβολίζονται ως εξής: d,dxy,dxz,dyz, d z x y αλλά οι συμβολισμοί αυτοί είναι έξω από τα πλαίσια του βιβλίου αυτού. p τροχιακά m l συμβολισμός τροχιακών p x p z p y 10. Στιβάδες, υποστιβάδες και τροχιακά Τελικά και με βάση την κβαντομηχανική, οι δυνατές καταστάσεις του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου διακρίνονται σε στιβάδες, υποστιβάδες και τροχιακά. Κάθε (ενεργειακή) στιβάδα καθορίζεται μόνο από τον κύριο κβαντικό αριθμό (n) και διακρίνεται σε υποστιβάδες που καθεμία χαρακτηρίζεται από τη διαφορετική τιμή για τον δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό (l). Κάθε υποστιβάδα αποτελείται από τροχιακά καθένα από τα οποία διαθέτει διαφορετική τιμή για το μαγνητικό κβαντικό αριθμό (m l ). Έτσι, π.χ.: Για n = 1 ισχύει l = 0, m l = 0 και επομένως αντιστοιχεί μόνο ένα τροχιακό με τριάδα κβαντικών αριθμών (1,0,0). Το τροχιακό αυτό συμβολίζεται ως 1s. Για n = προκύπτει l = 0 ή 1. Για l = 0 (υποστιβάδα s), m l = 0. Για l = 1, m l = 1, 0, 1. Οι δυνατές επομένως τριάδες είναι: (,0,0), (,1,1), (,1,0) και (,1, 1). Η πρώτη τριάδα αντιστοιχεί στο τροχιακό s, ενώ οι τρεις επόμενες τριάδες στα τροχιακά p x, p z, p y. Με άλλα λόγια, η στιβάδα L (n = ) περιέχει μία υποστιβάδα τύπου s (1 τροχιακό) και μία υποστιβάδα τύπου p (3 τροχιακά). Επομένως, για n =, το πλήθος των τροχιακών είναι 4 ( = 4). Για n = 3 προκύπτει l = 0 ή 1 ή. Για l = 0, (υποστιβάδα s) m l = 0. Για l = 1 (υποστιβάδα p), m l = 1, 0, 1. Τέλος, για l = (υποστιβάδα d), m l =, 1, 0, 1,. Προκύπτει έτσι ένα τροχιακό 3s που αντιστοιχεί στην τριάδα (3,0,0), τρία τροχιακά 3p με τριάδες (3,1, 1), (3,1,0), (3,1,1) καθώς και πέντε τροχιακά 3d με τριάδες (3,, ), (3,, 1), (3,,0), (3,,1), (3,,). Ο συνολικός αριθμός των τροχιακών για n = 3 είναι 9 (3 = 9). 315

330 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 n l Χαρακτηρισμός υποστιβάδας m l Αριθμός τροχιακών στην υποστιβάδα 1 0 1s s p 1, 0, s p 1, 0, 1 3 3d, 1, 0, 1, 5 0 4s p 1, 0, 1 3 4d, 1, 0, 1, 5 3 4f 3,, 1, 0, 1,, 3 7 Mε βάση τα προηγούμενα προκύπτουν οι κανόνες που ακολουθούν: Ο συνολικός αριθμός τροχιακών σε μία υποστιβάδα είναι l + 1. Έτσι, π.χ. μία υποστιβάδα p έχει l = 1 και αποτελείται από l + 1 = 3 τροχιακά, καθώς οι δυνατές τιμές για τον m l είναι τρεις: 1, 0, 1. O συνολικός αριθμός των τροχιακών σε μία στιβάδα είναι n. Π.χ. η στιβάδα Ν με n = 4 διαθέτει συνολικά 4 = 16 τροχιακά, ένα τροχιακό στην υποστιβάδα 4s, τρία τροχιακά στην 4p, πέντε στην 4d και επτά τροχιακά στην 4f. Στιβάδα είναι ένα σύνολο τροχιακών με την ίδια τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού ενώ υποστιβάδα μιας στιβάδας είναι ένα σύνολο τροχιακών με την ίδια τιμή του δευτερεύοντα κβαντικού αριθμού (και του κύριου κβαντικού αριθμού) Οι δυνατές καταστάσεις για το άτομο του Η Στο σχήμα που ακολουθεί αναπαριστάνει όλα τα τροχιακά για το άτομο του Η μέχρι n = 3 (κάθε «κουτάκι» παριστάνει ένα τροχιακό). n = n = 3 l = 0 l = 1 l = ml = 0 3py 3pz 3px ml = 1 ml = 0 ml = 1 ml = ml = 1 ml = 0 ml = 1 ml = 3s 3p 3d Στο άτομο του υδρογόνου και στα υδρογονοειδή ιόντα οι ενέργειες των υποστιβάδων μιας δεδομένης στιβάδας είναι ίσες! py pz px E n = n = 1 ml = 0 ml = 1 ml = 0 ml = 1 s ml = 0 1s p Σχήμα 3. Οι διάφορες ενεργειακές στάθμες στο άτομο του υδρογόνου. Κάθε στιβάδα χαρακτηρίζεται από τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό n και διαθέτει υποστιβάδες που διαφέρουν ως προς τον δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό l. Τα τροχιακά μιας υποστιβάδας διαφέρουν ως προς το μαγνητικό κβαντικό αριθμό m l. 316

331 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ Παρατηρούμε ότι για το άτομο του Η όλα τα τροχιακά της ίδιας στιβάδας έχουν την ίδια ενέργεια. Όπως ήδη έχουμε δει, κάθε στιβάδα διαιρείται σε αριθμό υποστιβάδων ίσο με τον κύριο κβαντικό αριθμό της στιβάδας. Έτσι, η στιβάδα Κ (n = 1) διαθέτει μόνο μία υποστιβάδα την 1s, η στιβάδα L (n = ) αποτελείται από δύο υποστιβάδες, την s και την p, η στιβάδα M (n = 3) αποτελείται από 3 υποστιβάδες, την 3s την 3p και την 3d, κτλ. Κάθε υποστιβάδα αποτελείται από τροχιακά. Κάθε s υποστιβάδα αποτελείται από 1 τροχιακό, κάθε p υποστιβάδα από 3 τροχιακά, κάθε d υποστιβάδα από 5 τροχιακά, ενώ κάθε f υποστιβάδα από 7 τροχιακά. Στη θεμελιώδη κατάσταση το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει το τροχιακό 1s, λαμβάνοντας όμως την απαιτούμενη ενέργεια μπορεί να βρεθεί σε οποιοδήποτε άλλο τροχιακό μιας άλλης στιβάδας, π.χ. στο s ή το στο τροχιακό 3p (διεγερμένες καταστάσεις). 1. O κβαντικός αριθμός του spin (m s ) Το 195 προτάθηκε ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν και να αυτοπεριστρέφονται, όπως η γη στρέφεται γύρω από τον άξονά της. Η υπόθεση αυτή γέννησε έναν τέταρτο κβαντικό αριθμό, το μαγνητικό κβαντικό αριθμό του spin, που συμβολίζεται με m s. Οι μοναδικές δυνατές τιμές του είναι είτε ½ (κίνηση σύμφωνα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού) είτε +½ ανεξάρτητα από τους προηγούμενους τρεις κβαντικούς αριθμούς. Η φυσική σημασία των δύο αυτών τιμών του m s είναι ότι η ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου παράγει γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο που μπορεί να είναι παράλληλο (m s = +1/) ή αντιπαράλληλο (m s = 1/) με τη διεύθυνση ενός εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. m s = +1/ m s = 1/ Σχήμα 4. Ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου. Οι δύο κατευθύνσεις περιστροφής αντιστοιχούν σε δύο τιμές του μαγνητικού κβαντικού αριθμού spin, +1/ και 1/ (η φορά αυτοπεριστροφής σύμφωνα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού αντιστοιχεί σε m s = 1/). Όταν έχουμε ζεύγος ηλεκτρονίων τα δύο μαγνητικά πεδία αλληλοαναιρούνται με αποτέλεσμα τη μη ύπαρξη μαγνητικού πεδίου. 13. Γραφικές παραστάσεις τροχιακών Ηλεκτρονιακά νέφη Με τις αντιλήψεις της κβαντομηχανικής δεν θεωρούμε κίνηση του ηλεκτρονίου σε μια ορισμένη τροχιά, αλλά για την πιθανότητα να βρίσκεται σε μια ορισμένη θέση στο χώρο γύρω από τον πυρήνα. Οι κυματοσυναρτήσεις είναι συναρτήσεις θέσης του ηλεκτρονίου στο άτομο π.χ. είναι της μορφής ψ(x, y, z), όπου x, y, z είναι οι συντεταγμένες της θέσης του ηλεκτρονίου στο χώρο γύρω από τον πυρήνα. Αν και οι κυματοσυναρτήσεις δεν έχουν ιδιότητες πιθανοτήτων, το τετράγωνό τους, ψ, μας δίνει την πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε στοιχειώδη περιοχή του χώρου γύρω από τον πυρήνα (συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας). Έτσι ψ = 0 σημαίνει απαγορευτική θέση για το ηλεκτρόνιο της δεδομένης ενεργειακής κατάστασης, ενώ όταν ψ 0 σημαίνει ότι υπάρχει μία συγκεκριμένη περιοχή του χώρου γύρω από τον πυρήνα που μπορεί να καταληφθεί από το ηλεκτρόνιο. Εφαρμογή: Για το άτομο του υδρογόνου η τιμή της κυματοσυνάρτησης ψ στις θέσεις Α και Β έχει τιμές ψ 1 = 10 4 και ψ = 10 3, αντίστοιχα. Σε ποια από τις δύο θέσεις Α ή Β το ηλεκτρόνιο παρουσιάζει μεγαλύτερη πιθανότητα παρουσίας; ψ (Α) = (10 4 ) = 10 8, ψ (Β) = ( 10 3 ) =

332 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Ισχύει: ψ (Α) < ψ (Β) και επομένως η πιθανότητα παρουσίας στη θέση Β είναι μεγαλύτερη από την πιθανότητα παρουσίας στη θέση Α. Το ψ εκφράζει την πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε στοιχειώδη περιοχή (ΔV) του χώρου γύρω από τον πυρήνα, ενώ το eψ, ( e το φορτίο του ηλεκτρονίου) εκφράζει την κατανομή ή την πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους στο χώρο γύρω από τον πυρήνα. Έτσι, π.χ. το τροχιακό 1s μπορεί να αναπαρασταθεί: α) με τη μορφή της γραφικής παράστασης της ψ 1s, που αντιστοιχεί στην πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου σε στοιχειώδη όγκο ΔV σε απόσταση r από τον πυρήνα, β) με τη μορφή ηλεκτρονιακού νέφους, όπου πυκνότερες κουκκίδες αντιστοιχούν σε μεγαλύτερη πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα, γ) ως σφαιρική επιφάνεια που περικλείει π.χ. το 90-95% της πιθανότητας εύρεσης του ηλεκτρονίου στο τροχιακό αυτό. Μεγάλη ηλεκτρονιακή πυκνότητα σε μία περιοχή του χώρου όγκου ΔV σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο βρίσκεται για περισσότερο χρόνο στην περιοχή αυτή σε σχέση με άλλη περιοχή με μικρότερη ηλεκτρονιακή πυκνότητα. Αν το ηλεκτρόνιο του ατόμου του υδρογόνου πάρει ενέργεια και μεταπηδήσει σε μία υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, θα περνά το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου του όλο και μακρύτερα από τον πυρήνα, σχηματίζοντας ηλεκτρονιακό νέφος μεγαλύτερου μεγέθους και ίσως διαφορετικού σχήματος. Οι τρόποι αυτοί αναπαράστασης για το τροχιακό 1s φαίνονται στο σχήμα που ακολουθεί. Με βάση υπολογισμούς πιθανότητας για διάφορα σημεία γύρω από τον πυρήνα προκύπτουν εικόνες που αναπαριστούν τα τροχιακά πολύ πιο εύκολα από μαθηματικές συναρτήσεις. Στην κβαντομηχανική η έννοια της τροχιάς του ηλεκτρονίου αντικαθίσταται από το ηλεκτρονιακό νέφος. Περιοχές του ηλεκτρονιακού νέφους με μεγάλη πυκνότητα κουκκίδων εμφανίζουν μεγαλύτερη πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου από άλλες με μικρότερη πυκνότητα. 95% πιθανότητα παρουσίας του e ψ 1s r Σχήμα 5. Τρόποι αναπαράστασης του τροχιακού 1s του ατόμου του Η. α) Με τη μορφή του γραφήματος της eψ 1s = f(r), όπου r η απόσταση από τον πυρήνα (και e το φορτίο του ηλεκτρονίου) που εκφράζει την κατανομή ή την πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους στο χώρο γύρω από τον πυρήνα, β) Με τη μορφή ηλεκτρονιακού νέφους και γ) σαν σφαιρική επιφάνεια, που περικλείει το 95% της πιθανότητας της παρουσίας του ηλεκτρονίου. Συμπεράσματα Για το τροχιακό 1s η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου είναι μέγιστη κοντά στον πυρήνα και τείνει στο μηδέν σε μεγάλες αποστάσεις γύρω από αυτόν, χωρίς όμως ποτέ να μηδενίζεται, τουλάχιστον θεωρητικά (πρακτικά, η πιθανότητα εύρεσης μηδενίζεται από κάποια απόσταση και μετά). Το τροχιακό 1s παρουσιάζει σφαιρική συμμετρία με αυθαίρετη ακτίνα r που περικλείει συγκεκριμένη πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου π.χ. 95%. Το ακριβές μέγεθος του τροχιακού είναι αδύνατον να σχεδιαστεί, αφού η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου μηδενίζεται θεωρητικά μόνο σε άπειρη απόσταση από τον πυρήνα. Το ηλεκτρονιακό νέφος είναι πυκνότερο κοντά στον πυρήνα, όπου το ψ είναι μέγιστο. Έτσι, η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου σε δοσμένο στοιχειώδες τμήμα του χώρου για το τροχιακό 1s είναι μέγιστη κοντά στον πυρήνα. 318 Η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου σε στοιχειώδη σφαιρικό φλοιό πάχους Δr σε απόσταση r από τον πυρήνα προκύπτει από το διάγραμμα: r Η πιθανότητα αυτή παρουσιάζει μέγιστο στο α ο, που αντιστοιχεί στην ακτίνα της θεμελιώδους τροχιάς του προτύπου του Bohr, ενώ για r = 0 η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου σε στοιχειώδη σφαιρικό φλοιό πάχους Δr είναι 0. Για μεγάλες τιμές του r η συνάρτηση τείνει επίσης στο 0.

333 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ 14. Σχήματα των s και p τροχιακών Αναφέραμε ήδη ότι στα s ατομικά τροχιακά ισχύει l = 0 και άρα m l = 0. Τα τροχιακά αυτά παρουσιάζουν σφαιρική συμμετρία και παριστάνονται με σφαίρες που στο εσωτερικό τους υπάρχει σημαντικό μέρος (π.χ. το 95%) της πιθανότητας παρουσίας του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα. Γενικά, το μέγεθος των σφαιρών που παριστάνουν τα s τροχιακά εξαρτάται από τον κύριο κβαντικό αριθμό n. Όσο αυξάνει η τιμή του n αυξάνεται και το μέγεθος της σφαίρας, όπως φαίνεται και στο σχήμα που ακολουθεί. 1s s 3s Σχήμα 6. Το 1s τροχιακό του ατόμου του Η έχει ακτίνα περίπου 00 pm, ενώ το s και το 3s τροχιακό έχουν ακτίνα περίπου 500 pm και 1000 pm, αντίστοιχα. Με τo σχήμα των d τροχιακών, αλλά και των f τροχιακών δεν θα ασχοληθούμε στα πλαίσια αυτού του βιβλίου. Τα τροχιακά τύπου p είναι αυτά για τα οποία ισχύει l = 1 και διακρίνονται σε p x, p y, p z (m l = 1, 0, 1, αντίστοιχα). Τα σχήματά τους είναι τα εξής: z z z m l = 0 m l = 1 m l = 1 x y x y x y p z p x p y Σχήμα 7. Τα τροχιακά p x, p y, p z διαφέρουν μόνο στον μαγνητικό κβαντικό αριθμό m l και δεν εμφανίζουν σφαιρική συμμετρία. Οι δύο λοβοί τους χωρίζονται από ένα επίπεδο στο οποίο η πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου είναι 0. Τα p τροχιακά έχουν το ίδιο σχήμα, διαφέρουν όμως ως προς το μέγεθός τους, που ε- ξαρτάται από την τιμή του κβαντικού αριθμού n. Τα τροχιακά p x, p y, p z διαφέρουν (για κάποια ορισμένη τιμή του n) μόνο ως προς τον προσανατολισμό τους στο χώρο. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Να διατυπώσετε τη συνθήκη της θεωρίας του Bohr που είναι υπεύθυνη για την εξήγηση του γραμμικού φάσματος εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Το γραμμικό φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου εξηγείται με τη θεώρηση της οπτικής συνθήκης: «To ηλεκτρόνιο ενός ατόμου εκπέμπει ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας, μόνον όταν μεταπηδήσει από τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας Ε i σε τροχιά μικρότερης ενέργειας Ε f». Καθώς οι ενέργειες των διαφόρων στιβάδων είναι συγκεκριμένες οι δυνατές μεταπτώσεις είναι επίσης συγκεκριμένες με αποτέλεσμα να παράγονται φωτόνια ορισμένων μόνο μηκών κύματος και το φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου να είναι γραμμικό και όχι συνεχές. 319

334 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1. Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου βρίσκεται στη στιβάδα Μ. α) Να εξηγήσετε γιατί δεν είναι δυνατή η παραμονή του ηλεκτρονίου στην κατάσταση αυτή. β) Ποιες μεταπτώσεις μπορούν να οδηγήσουν στην αποδιέγερση του ατόμου; γ) Να συγκρίνετε τις τιμές για όλα τα δυνατά μήκη κύματος των φωτονίων που μπορούν να παραχθούν από τις μεταπτώσεις αυτές. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση καθώς εμφανίζει ενέργεια μεγαλύτερη από αυτή της θεμελιώδους. Η κατάσταση αυτή είναι ασταθής και σχεδόν ακαριαία (μέσα σε s) μεταπίπτει στη θεμελιώδη κατάσταση είτε απευθείας είτε μέσω λιγότερο διεγερμένων καταστάσεων. β) Το ηλεκτρόνιο μπορεί είτε να μεταπέσει απευθείας στη στιβάδα Κ (θεμελιώδης κατάσταση) είτε αρχικά στην L και στη συνέχεια στην Κ. Έτσι υπάρχει η δυνατότητα εκπομπής 3 φωτονίων διαφορετικής συχνότητας που αντιστοιχούν στις δυνατές μεταπτώσεις, Μ L, L K και Μ K. γ) Οι ενέργειες που αντιστοιχούν στις στιβάδες Μ, L και Κ δίνονται από τις σχέσεις: ,18 10,18 10,18 10 = (J) EL = (J) E (J) K = 3 1 EM ΔΕ 1 = Ε Μ Ε L = h ν 1, ΔΕ = Ε L Ε K = h ν, ΔΕ 3 = Ε Μ Ε Κ = h ν 3 (όπου ν 1, ν, ν 3 οι συχνότητες των αντίστοιχων φωτονίων). Για τις μεταπτώσεις αυτές, ισχύει η σχέση: ΔΕ 3 > ΔΕ > ΔΕ 1 και επομένως: ν 3 > ν > ν 1. Από τη σχέση της κυματικής, c = λ ν, προκύπτει τελικά: λ 3 < λ < λ Να παραστήσετε γραφικά την ενέργεια του ηλεκτρονίου του ατόμου του Η, ως συνάρτηση του κύριου κβαντικού αριθμού n: E = f(n). Για ευκολία να εκφράσετε την ενέργεια σε υποπολλαπλάσια της ποσότητας R =, J. Ποιο διαδοχικό ζεύγος στιβάδων χωρίζεται από το μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα; Τι σημαίνει αυτό για την ενέργεια που απαιτείται για την απόσπαση του ηλεκτρονίου από το άτομο του Η; ΑΠΑΝΤΗΣΗ Η ενέργεια στιβάδας με κύριο κβαντικό αριθμό n, αν θέσουμε R =, , δίνεται από τη σχέση: R E n = n H γραφική παράσταση της E = f(n) φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Παρατηρούμε ότι το μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα είναι μεταξύ των στιβάδων Κ (n = 1) και L (n = ), όπου η διαφορά ενέργειας είναι: ΔΕ = E,18 10, E1 = + =,

335 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ Η τιμή της Ε 1 αντιπροσωπεύει και την ενέργεια ιοντισμού του ατόμου του Η, την ενέργεια δηλαδή, που απαιτείται, ώστε το ηλεκτρόνιο για να αποκτήσει ενέργεια ίση με το μηδέν και να ξεφύγει από την έλξη του πυρήνα. 4. Στον πίνακα που ακολουθεί, οι αριθμοί της στήλης (Ι) αποτελούν μία τετράδα τιμών των κβαντικών αριθμών του ηλεκτρονίου ενός ατόμου Η σε διεγερμένη κατάσταση. Να αντιστοιχήσετε τον κάθε κβαντικό αριθμό της στήλης (ΙΙ) με μία από τις τιμές που μπορεί να πάρει (στήλη Ι), καθώς και με την πληροφορία που μας παρέχει και η οποία αναφέρεται στη στήλη (ΙΙΙ). Ι ΙΙ (ΙΙΙ) Α. 1. l α. προσανατολισμός ατομικού τροχιακού Β. 1/. m l β. σχήμα ατομικού τροχιακού Γ. 3. n γ. φορά ιδιοπεριστροφής ηλεκτρονίου Δ m s δ. μέγεθος ατομικού τροχιακού ΑΠΑΝΤΗΣΗ Ο κύριος κβαντικός αριθμός n έχει την τιμή 3 (θετικός αριθμός μεγαλύτερος από τον αζιμουθιακό) και καθορίζει το μέγεθος του τροχιακού. Ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός (l) έχει την τιμή (θετικές τιμές μικρότερες του κύριου κβαντικού αριθμού) και καθορίζει το σχήμα του τροχιακού. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός (m l ) έχει την τιμή και καθορίζει τον προσανατολισμό του τροχιακού. Τέλος, ομαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin (m s ) έχει τιμή 1/ (δυνατές τιμές +1/, 1/) και καθορίζει τη φορά ιδιοπεριστροφής ηλεκτρονίου. 5. Nα χαρακτηριστούν οι προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Στην περίπτωση λανθασμένων προτάσεων να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. α) Το μήκος κύματος κατά De Broglie που αντιστοιχεί σε ένα κινούμενο ιόν εξαρτάται από το φορτίο του. β) Η ενέργεια της υποστιβάδας 1s στο ιόν He + είναι ίση με την ενέργεια της υποστιβάδας 1s του ατόμου του Η. γ) Αν ένα ατομικό τροχιακό έχει m l = 1 θα ανήκει σε p υποστιβάδα. δ) Για το χαρακτηρισμό ενός ατομικού τροχιακού απαιτούνται οι κβαντικοί αριθμοί n, l και m l. ε) Για την πληρέστερη δυνατή περιγραφή ενός ηλεκτρονίου χρειάζονται μόνο οι τρεις πρώτοι κβαντικοί αριθμοί. στ) Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η βρίσκεται πάντα σε τροχιακό 1s. ζ) Η πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η σε μεγάλη απόσταση από τον πυρήνα στη θεμελιώδη κατάσταση είναι πρακτικά ίση με το 0. η) Όταν σε ένα ατομικό τροχιακό ισχύει m l = 0 αυτό θα είναι τύπου s. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Λ. To μήκος κύματος ενός κινούμενου σωματιδίου εξαρτάται από την από την ορμή του (p = m υ) και όχι από το φορτίο του. 31

336 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Λ. Η ενέργεια της υποστιβάδας 1s στο ιόν He + είναι μικρότερη (πιο αρνητική) από την ενέργεια της υποστιβάδας 1s του ατόμου του Η καθώς ο πυρήνας στο He + έχει φορτίο + και άρα απαιτείται μεγαλύτερη ενέργεια για την απομάκρυνσή του ηλεκτρονίου. γ) Λ. Μπορεί να ανήκει σε οποιαδήποτε υποστιβάδα εκτός από s, όπου m l = 0. Έτσι, π.χ. σε d υποστιβάδα l = και επομένως m l =, 1, 0, 1,. δ) Σωστό. ε) Λ. Χρειάζεται και ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin (m s ). στ) Λ. Η κατάσταση που αντιστοιχεί στο τροχιακό 1s χαρακτηρίζεται ως θεμελιώδης. Όμως, το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρεθεί και σε τροχιακά μεγαλύτερης ενέργειας (διεγερμένες καταστάσεις). ζ) Σ. Θεωρητικά η πιθανότητα δεν μηδενίζεται ποτέ, αλλά σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις από τον πυρήνα είναι πρακτικά ίση με το μηδέν. η) Λ. Η δυνατότητα για m l = 0 ισχύει σε τροχιακά s, p, d, f κτλ. Ένα ατομικό τροχιακό χαρακτηρίζεται από 3 κβαντικούς αριθμούς (n, l, ml), μία ενεργειακή υποστιβάδα από (n, l), ενώ μία στιβάδα από έναν (n)! 6. Να θεωρήσετε την ενεργειακή στιβάδα Ν στο άτομο του Η. α) Ποια η τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού n και ποιες οι δυνατές τιμές του δευτερεύοντα κβαντικού αριθμού l; β) Πως συμβολίζεται η υποστιβάδα της Ν με l = ; Πόσα τροχιακά διαθέτει η υποστιβάδα αυτή; Ποιες οι δυνατές τιμές του μαγνητικού αριθμού για την ίδια υποστιβάδα; γ) Πόσα από τα τροχιακά της στιβάδας Ν χαρακτηρίζονται από m l = 1; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Η στιβάδα Ν χαρακτηρίζεται από n = 4, οπότε l = 0, 1,, 3. β) Η υποστιβάδα με l = χαρακτηρίζεται ως 4d και διαθέτει 5 τροχιακά, καθώς οι δυνατές τιμές του m l είναι:, 1, 0, 1 και. γ) Τροχιακά με m l = 1 διαθέτουν οι υποστιβάδες με l > 0, δηλαδή η υποστιβάδα 4p (l = 1, m l = 1, 0, 1), η υποστιβάδα 4d (l =, m l =, 1, 0, 1, ) και η υποστιβάδα 4f (l = 3, m l = 3,, 1, 0, 1,, 3). Επομένως, τα συνολικά τροχιακά της στιβάδας Ν με m l = 1 είναι τρία. 7. Πόσα ατομικά τροχιακά αντιστοιχούν: α) Στις υποστιβάδες s, 5s, 3p, 3d και 4f. β) Στις στιβάδες L και Μ; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Το πλήθος των τροχιακών μιας υποστιβάδας καθορίζεται από τις δυνατές τιμές του l (l + 1). Έτσι στην υποστιβάδα s αντιστοιχεί ένα μόνο τροχιακό (l = 0), στην υποστιβάδα 5s (l = 0) επίσης ένα τροχιακό, στην 3p (l = 1) τρία τροχιακά, στην 3d, (l = ) πέντε τροχιακά και στην υποστιβάδα 4f (l = 3) επτά τροχιακά. β) Το πλήθος των τροχιακών μιας στιβάδας δίνεται από τον αριθμό n, οπότε η στιβάδα L (n = ) διαθέτει = 4 συνολικά τροχιακά, ενώ η στιβάδα Μ (n = 3) διαθέτει 3 = 9 συνολικά τροχιακά (ένα στην υποστιβάδα 3s, τρία στην 3p και 5 στην 3d. 3

337 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ 8. Να δείξετε ότι ο αριθμός των ατομικών τροχιακών της στιβάδας με κύριο κβαντικό αριθμό n είναι ίσος με n. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Oι δυνατές τιμές του l είναι 0, 1,, (n 1). Για l = 0 έχουμε m l = 0 και άρα ένα μόνο τροχιακό. Για l = 1, m l = 1, 0, 1 και άρα 3 τροχιακά, Για l = n 1 αντιστοιχούν l + 1 = (n 1) + 1 = n 1 τροχιακά. Επομένως, ο συνολικός αριθμός των τροχιακών στις υποστιβάδες μιας στιβάδας είναι: (n 1) = n (σχέση από τα μαθηματικά). 9. Για τα τροχιακά s και p x ενός ατόμου υδρογόνου να αναφέρετε δύο ομοιότητες και δύο διαφορές. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Τα τροχιακά s και p x ενός ατόμου υδρογόνου έχουν την ίδια ενέργεια και την ίδια τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού (n = ). Τα τροχιακά s και p x ενός ατόμου υδρογόνου έχουν διαφορετικό σχήμα και διαφορετική τιμή του δευτερεύοντα κβαντικού αριθμού: l = 0 και l = 1, αντίστοιχα. 10. Για το άτομο του Η, να συγκρίνετε το πρότυπο του Rutherford, το πρότυπο του Bohr και την κβαντομηχανική του περιγραφή κατά Schrödinger. ΑΠΑΝΤΗΣΗ To ατομικό πρότυπο του Rutherford είναι μία προκβαντική θεωρία που ανέφερε ότι τα ηλεκτρόνια εκτελούσαν κυκλικές κινήσεις γύρω από τον πυρήνα (πλανητικό μοντέλο), χωρίς όμως να μπορεί να εξηγήσει το γραμμικό φάσμα εκπομπής του ατόμου του υδρογόνου. O Bohr εισήγαγε την κβαντική θεωρία θεωρώντας τα ηλεκτρόνια ως σωματίδια που ε- κτελούν κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα με καθορισμένες ενέργειες και ακτίνες (μηχανική συνθήκη) ενώ οι μεταπτώσεις τους από τροχιές μεγαλύτερης ενέργειας σε τροχιές μικρότερης ενέργειας έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή ακτινοβολιών με συγκεκριμένα μήκη κύματος (οπτική συνθήκη). Η κατάσταση του ηλεκτρονίου για το άτομο του Bohr περιγράφεται με τη θεώρηση του κύριου κβαντικού αριθμού (n). Στην κβαντομηχανική το ηλεκτρόνιο περιγράφεται ως (στάσιμο) κύμα και παράλληλα ως σωματίδιο με τη θεώρηση δυναμικής και κινητικής ενέργειας. Η έννοια της τροχιάς αντικαθίσταται με την έννοια της πιθανότητας παρουσίας στο χώρο γύρω από τον πυρήνα ενώ η κατάσταση του ηλεκτρονίου περιγράφεται με την έννοια του τροχιακού που απαιτεί τη θεώρηση τριών κβαντικών αριθμών (n, l, m l ). Οι δύο κβαντικές θεωρίες συμφωνούν ότι οι δυνατές ενεργειακές καταστάσεις δίνονται από τη σχέση: 18,18 10 En = (J) n Το γραμμικό φάσμα εκπομπής του ατόμου του Η εξηγείται και στις δύο περιπτώσεις με ηλεκτρονιακές μεταπτώσεις από καταστάσεις υψηλότερης σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας, οπότε η διαφορά ενέργειες αντιστοιχεί στην παραγωγή ενός φωτονίου ορισμένης συχνότητας. 33

338 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Σε όποιες από τις παρακάτω ασκήσεις και προβλήματα απαιτείται, να θεωρήσετε: c = m s 1, και h = 6, J s. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το γραμμικό φάσμα εκπομπής του H επιβεβαιώνει: Α) την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg Β) το ότι οι ενέργειες των στιβάδων του ατόμου του υδρογόνου είναι κβαντισμένες Γ) την υλοκυματική θεωρία του de Broglie Δ) την κυματική φύση του φωτός 14.. Ποιο από τα παρακάτω ενεργειακά διαγράμματα I-ΙV αποδίδει καλύτερα τις 5 πρώτες δυνατές ενεργειακές καταστάσεις του ηλεκτρονίου του ατόμου του H; Ε 0 Α) Tο Ι Β) Tο ΙΙ Γ) Tο ΙΙΙ Δ) Tο ΙV Κατά τις μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου από τις τροχιές με n > στην τροχιά με n = εκπέμπεται ακτινοβολία στην ορατή περιοχή του φάσματος ( nm). Το γραμμικό φάσμα εκπομπής του υδρογόνου στην ορατή περιοχή έχει 4 μόνο φασματικές γραμμές: 34 Ι Ε 0 ΙI Ε 0 ΙII Μετάπτωση Ακτινοβολία 6 ιώδης 5 μπλε 4 πράσινη 3 κόκκινη Για τα μήκη κυμάτων των ακτινοβολιών αυτών θα ισχύει: A) Η ιώδης ακτινοβολία έχει το μικρότερο μήκος κύματος Β) Η πράσινη ακτινοβολία έχει μεγαλύτερη συχνότητα από την μπλε Γ) Η ιώδης ακτινοβολία έχει τη μικρότερη συχνότητα Δ) Η κόκκινη ακτινοβολία έχει μικρότερο μήκος κύματος από την πράσινη Ποια από τις ακόλουθες μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου στο άτομο του H συνοδεύεται από εκπομπή φωτονίου μικρότερου μήκους κύματος λ; Α) Ο L Β) Ν Κ Γ) Ο Κ Δ) Ρ L Στο άτομο του H κατά τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου από την Μ στην Κ εκπέμπεται ακτινοβολία συχνότητας ν 1 και μήκους κύματος λ 1, από την Μ στην L εκπέμπεται ακτινοβολία με ν και λ, ενώ από την L στην Κ εκπέμπεται ακτινοβολία με ν 3 και λ 3. Ισχύει η σχέση: Α) ν 1 = ν + ν 3 Β) ν 1 > ν + ν 3 Γ) λ 3 = λ 1 + λ Ε 0 ΙV Δ) 1 1 = λ3 λ λ Ένα πρωτόνιο κινείται με τετραπλάσια ταχύτητα από 4 + ένα σωματίδιο α ( He ). Αν για τη μάζα του σωματιδίου α (m α ) και τη μάζα του πρωτονίου (m p ) ισχύει η σχέση: m α = 4m p, ποια θα είναι η σχέση των αντιστοίχων μηκών κύματος λ α και λ p, σύμφωνα με την κυματική θεωρία της ύ- λης; Α) λ α = λ p Β) λ p = 4 λ a Γ) λ α = 4 λ p Δ) λ α λ p = Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι λανθασμένη; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Α) Σύμφωνα με το ατομικό πρότυπο του Βohr το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η στη θεμελιώδη του κατάσταση εκτελεί κυκλική κίνηση ορισμένης ακτίνας και ενέργειας Β) Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η μπορεί να βρεθεί και στη στιβάδα L Γ) Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει Ε = 0 Δ) Αν στο άτομο του Η το ηλεκτρόνιο εκτελέσει τις μεταπτώσεις Μ L και μετά L Κ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας κατά την 1η μετάπτωση θα είναι μεγαλύτερο από το μήκος κύματος της ης μετάπτωσης Να εξετάστε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές ή όχι. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας στην περίπτωση των λανθασμένων προτάσεων. Α) Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, η ενέργεια μιας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συχνότητας ν δίνεται από τη σχέση: Ε = h ν. Β) Το μήκος κύματος λ κατά De Broglie ενός κινούμενου ηλεκτρονίου αυξάνεται με την αύξηση της ταχύτητάς του. Γ) Στο άτομο του Η η ενέργεια του ηλεκτρονίου μεγαλώνει όσο μεγαλώνει η τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού (n). Δ) Στο ατομικό πρότυπο του Bohr για το άτομο του υδρογόνου η ενέργεια της στιβάδας L είναι μικρότερη από την ενέργεια της στιβάδας K. E) Κατά τη μετάπτωση Μ Κ του ηλεκτρονίου ενός ατόμου Η εκπέμπεται ακτινοβολία μικρότερου μήκους κύματος σε σχέση με τη μετάπτωση Μ L. ΣΤ) Αν ένα κινούμενο ηλεκτρόνιο και ένα κινούμενο πρωτόνιο εμφανίζουν το ίδιο μήκος κύματος κατά de Broglie θα διαθέτουν και την ίδια ταχύτητα Κατά τις μεταπτώσεις Μ Κ, Ν Μ, Μ L, L K, N K του ηλεκτρονίου στο άτομο του Η εκπέμπονται ακτινοβολίες με συχνότητες ν 1 = α, ν = β, ν 3 = γ, ν 4 = δ, ν 5 = ε Hz, αντίστοιχα και μήκη κύματος λ 1 = φ, λ = χ, λ 3 = ψ, λ 4 = ω, λ 5 = z nm, αντίστοιχα. α) Να διατάξετε τους αριθμούς α, β, γ, δ και ε κατ αύξουσα σειρά. β) Να διατάξετε τους αριθμούς φ, χ, ψ, ω και z κατ αύξουσα σειρά.

339 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ Κατά τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου ατόμου του Η από τη στιβάδα με κύριο κβαντικό αριθμό n στην αμέσως προηγούμενή της στιβάδα εκπέμπεται ακτινοβολία συχνότητας ν και μήκους κύματος λ. Να εξετάσετε πως μεταβάλλονται τα μεγέθη ν και λ, όταν αυξάνεται η τιμή του n Το ηλεκτρόνιο ατόμου Η μεταπίπτει διαδοχικά από τη στιβάδα Μ στην L και μετά στην Κ, οπότε εκπέμπονται δύο φωτόνια με μήκη κύματος λ 1 και λ, αντίστοιχα. α) Σε ποια από τις δύο μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου εκπέμπεται φωτόνιο μεγαλύτερης συχνότητας; β) Ποια η τιμή του λόγου λ 1 /λ των μηκών κύματος λ 1 και λ των φωτονίων που παράγονται κατά την πρώτη και τη δεύτερη μετάπτωση; Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου Η βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση. α) Ποια ελάχιστη ενέργεια απαιτείται ώστε το ηλεκτρόνιο να διαφύγει από την έλξη του πυρήνα; β) Ποια η τιμή της αντίστοιχης ενέργειας για 1 mol ατόμων Η; γ) Αν το ηλεκτρόνιο ήταν στη στιβάδα L ποια η ελάχιστη ενέργεια που θα χρειαζόταν, ώστε το ηλεκτρόνιο να διαφύγει από την έλξη του πυρήνα; Αριθμός Avogadro: N A = 6, α) Ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο δίνουν το ίδιο μήκος κύματος κατά De Broglie. Να εξηγήσετε ποιο σωματίδιο κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα. β) Ένα ηλεκτρόνιο (e) και ένα πρωτόνιο (p) έχουν την ίδια κινητική ενέργεια (Κ) και μάζες αντίστοιχα m και 1836 m. Να προσδιορίσετε τη σχέση των μηκών κύματος λ e και λ p, σύμφωνα με τη θεωρία του de Broglie Να εξηγήσετε την ισχύ των προτάσεων που ακολουθούν. α) Η συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αποτελεί το μέτρο της ενέργειας των φωτονίων της. β) Η αποδοχή της αρχής της αβεβαιότητας οδηγεί αυτομάτως στην κατάρριψη όλων των πλανητικών προτύπων, συμπεριλαμβανομένου και του ατομικού πρότυπου Bohr. γ) Κατά την αποδιέγερση του ηλεκτρονίου του ατόμου του υδρογόνου που βρίσκεται αρχικά στη στιβάδα Μ μπορούν να προκύψουν 3 φωτόνια με διαφορετικά μήκη κύματος Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου Η βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση. Το ηλεκτρόνιο απορροφά φωτόνιο κατάλληλης συχνότητας, οπότε η ενέργειά του έχει τιμή: 18,18 10 E = (J) 16 Στη συνέχεια εκπέμπει φωτόνιο και η ενέργειά του γίνεται: 18 ',18 10 E = (J) 4 Από εκεί επιστρέφει πάλι στη θεμελιώδη κατάσταση. α) Σε ποιες στιβάδες βρέθηκε το ηλεκτρόνιο; β) Σε πόσες γραμμές του φάσματος εκπομπής του ατόμου του Η αντιστοιχούν οι παραπάνω μεταπτώσεις; Ποια ή ποιες από τις γραμμές αυτές αντιστοιχούν στην ορατή περιοχή (μεταπτώσεις από ανώτερες στιβάδες στη στιβάδα L) Θεωρούμε ότι σε 1000 άτομα Η και τα 1000 ηλεκτρόνιά τους βρίσκονται στη στιβάδα Μ. Κατά την αποδιέγερση των ατόμων αυτών εκπέμπονται συνολικά 1600 φωτόνια με 3 μήκη κύματος λ 1, λ και λ 3 (λ 1 < λ < λ 3 ). Να προσδιοριστεί ο αριθμός των φωτονίων με μήκος κύματος λ 1 καθώς και οι αριθμοί των φωτονίων με μήκη κύματος λ και λ Η σειρά Balmer στο φάσμα εκπομπής του ατόμου του Η αντιστοιχεί σε μεταπτώσεις από στιβάδες με n > στη στιβάδα L. α) Ποια μετάπτωση δίνει το μεγαλύτερο μήκος κύματος στη σειρά Balmer; Υπολογίστε αυτό το μήκος κύματος σε nm. β) Ποια η συχνότητα σε Hz της ακτινοβολίας για n = 5; γ) Ποιο το μήκος κύματος της ακτινοβολίας για n = 7; δ) Ποια η τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού n που αντιστοιχεί στο μήκος κύματος των 486 nm; ε) Ποια ηλεκτρονιακή μετάπτωση αντιστοιχεί στη σύγκλιση των γραμμών της σειράς; H χλωροφύλλη β είναι πολύπλοκο οργανικό μόριο που λαμβάνει μέρος στη φωτοσύνθεση. Κατά τη διαδικασία αυτή η χλωροφύλλη β διεγείρεται με απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας μήκους κύματος λ 1 και στη συνέχεια αποδιεγείρεται εκπέμποντας ακτινοβολία μήκους κύματος λ (λ 1 < λ ). Να δείξετε ότι κατά τη συνολική διαδικασία απορρόφησης - εκπομπής 1 mol φωτονίων απαιτείται ενέργεια Ε, που δίνεται από τη σχέση: 1 1 E = N A h c λ 1 λ όπου Ν Α ο αριθμός του Avogadro. KBANTIKOI ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ Τι πρωτοποριακό εισήγαγε ο Schrödinger για το ατομικό πρότυπο; Α) Τις ηλεκτρονιακές στιβάδες Β) Την πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου Γ) Την εκπομπή ή απορρόφηση φωτονίων Δ) Το ότι η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι κβαντισμένη Ποιος κβαντικός αριθμός συμβολίζεται με τα γράμματα s, p, d, f, αντί με αριθμούς; Α) O κύριος κβαντικός αριθμός Β) Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός Γ) Ο δευτερεύοντας ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός Δ) Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin i. Για n = 3, ο αριθμός l μπορεί να πάρει τις τιμές: A) 0, 1,, 3 B) 0, 1, Γ) 1, Δ) 1,, 3 ii. Η υποστιβάδα που αντιστοιχεί στους κβαντικούς αριθμούς n = 3, l = είναι η: Α) 3d Β) 3f Γ) 3p x Δ) 3s 35

340 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ένα ατομικό τροχιακό με n = 3 και m l = 0 θα έχει: Α) l = 0, 1 ή Β) l = 1 Γ) l = Δ) m s = +1/ Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός m l παίρνει τις τιμές: Α) 0, ±1, ±,..., ±l Β) 0, ±1, ±,, ±n Γ) 0, ±1, ±,., ±(l 1) Δ) 0, ±1, ±,.., ±(n 1) Με τον όρο «ηλεκτρονιακό νέφος» εννοούμε: Α) ένα χώρο στον οποίο μπορεί να βρεθούν ηλεκτρόνια Β) ένα πλήθος ηλεκτρονίων που κινούνται σε ένα χώρο Γ) το σύνολο των σημείων ενός χώρου στα οποία μπορεί να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο και για τα οποία η πυκνότητά τους αντιπροσωπεύει την πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου Δ) το χώρο που καταλαμβάνει ένα άτομο Ο αριθμός των p τροχιακών σε δοσμένη ενεργειακή στιβάδα είναι ίσος με: Α) Β) 3 Γ) 5 Δ) Το πλήθος των ατομικών τροχιακών που περιέχονται στις στιβάδες Κ και L είναι, αντίστοιχα: Α) 1 και Β) 1 και 4 Γ) και 8 Δ) 1 και Τα τροχιακά s και 3s διαφέρουν: Α) κατά το μέγεθός τους Β) κατά το σχήμα τους Γ) κατά τον προσανατολισμό τους Δ) σε όλα τα παραπάνω Τα ατομικά τροχιακά 3s και 3p στο άτομο του Η: Α) έχουν την ίδια ενέργεια Β) έχουν ίδιο σχήμα Γ) έχουν ίδιο προσανατολισμό Δ) διαφέρουν σε όλα τα παραπάνω Σε κάποιο ατομικό τροχιακό η τιμή του κβαντικού αριθμού l αντιστοιχεί: Α) στον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιέχονται στο ατομικό τροχιακό Β) στο σχήμα του ατομικού τροχιακού Γ) στο μέγεθος του τροχιακού Δ) στον προσανατολισμό του στο χώρο Ένα τροχιακό s αντιστοιχεί σε: Α) l = 0 με n = 1 Β) l = 0 με n 1 Γ) l = 1 Δ) m l = Ο συνδυασμός n =, l = 1, m l = 0 χαρακτηρίζει: A) μία στιβάδα B) μία υποστιβάδα Γ) ένα ατομικό τροχιακό Δ) ένα ηλεκτρόνιο Ποιες από τις υποστιβάδες που ακολουθούν έχει l = ; Α) s Β) 5p Γ) 4f Δ) 5d O αριθμός των τροχιακών σε μία υποστιβάδα f είναι: Α) 4 Β) 5 Γ) 7 Δ) O ολικός αριθμός τροχιακών για συγκεκριμένες τιμές των n και l είναι: A) n B) l + 1 Γ) l 1 Δ) n Ποιο από τα παρακάτω σύνολα κβαντικών αριθμών μπορεί να καθορίζει το τροχιακό 4p x ; Α) n = 4, l =, m l = 0 Β) n = 4, l = 1, m l = 1 Γ) n =, l = 1, m l = 1 Δ) n = 3, l = 0, m l = 0 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Σε ποια μετάπτωση του ηλεκτρονίου του ατόμου του Η εκπέμπεται φωτόνιο μικρότερου μήκους κύματος; Α) 1s p Β) 3s s Γ) p 1s Δ) s 3s Αν η επίλυση της εξίσωσης Schrödinger για ένα ηλεκτρόνιο έχει τιμή ψ = 0,1 σε μία θέση Α και ψ = 0,3 σε μία θέση Β, τότε η πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο στη θέση Α είναι: Α) τριπλάσια από ότι στη θέση Β Β) υποτριπλάσια από ότι στη θέση Β Γ) εξαπλάσια από ότι στη θέση Β Δ) υποεννεαπλάσια από ότι στη θέση Β Να εξηγήσετε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές ή όχι. Α) Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η βρίσκεται πάντα στην κατάσταση που ορίζεται ως 1s ατομικό τροχιακό. Β) Το άτομο του 1 Η έχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο και άρα για το άτομο αυτό υπάρχει μόνο το 1s τροχιακό. Γ) Ο κβαντικός αριθμός του spin δεν συμμετέχει στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας του ηλεκτρονίου, ούτε στον καθορισμό του τροχιακού. Δ) Στις τιμές n = 3 και l = 0 αντιστοιχεί ένα μόνο ατομικό τροχιακό. Ε) Δεν είναι ποτέ δυνατό το μοναδικό ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η να βρεθεί σε τροχιακό s ή p. ΣΤ) Η υποστιβάδα 3d διαθέτει περισσότερα τροχιακά από την 5s. Ζ) Στο άτομο του Η οι ενέργειες των υποστιβάδων 3s, 3p και 3d είναι ίσες. Η) Στο ιόν 3 Li + το ηλεκτρόνιο σε τροχιακό με n = και l = 0 έχει μικρότερη ενέργεια από ότι σε τροχιακό με n = και l = 1. Θ) Ο κύριος κβαντικός αριθμός (n) καθορίζει το σχήμα του τροχιακού. Ι) Ο δευτερεύοντας ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός l παίρνει τιμές: n,, 0, n. Κ) Στο τροχιακό p x η πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου είναι μέγιστη στα σημεία του άξονα x. Λ) Στο τροχιακό p z η πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου στο επίπεδο xy είναι ίση με το μηδέν. Μ) Όλα τα τροχιακά της ίδιας στιβάδας έχουν το ίδιο σχήμα.

341 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ Ν) Ο προσανατολισμός ενός τροχιακού 3p καθορίζεται αποκλειστικά από τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό του spin. Ξ) Για ένα ηλεκτρόνιο σε s τροχιακό η τιμή του ψ είναι η ίδια για όλα τα σημεία που ισαπέχουν από τον πυρήνα Ποιες από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές για ένα ηλεκτρόνιο με n = 4 και m l = ; Α) Το ηλεκτρόνιο είναι στην στιβάδα Ν. Β) Το ηλεκτρόνιο μπορεί να είναι σε d τροχιακό. Γ) Το ηλεκτρόνιο είναι σε p τροχιακό. Δ) Το ηλεκτρόνιο πρέπει να έχει m s = +1/ Ποια χαρακτηριστικά ενός τροχιακού σχετίζονται με καθέναν από τους τρεις κβαντικούς αριθμούς n, l και m l ; α) Ποιες οι ομοιότητες και οι διαφορές των τριών τροχιακών p σ ένα άτομο Η; β) Ποιες οι ομοιότητες και οι διαφορές του τροχιακού s σε ένα το άτομο Η και σε ένα ιόν 3 Li + ; Σύμφωνα με το πρότυπο του Bohr για το άτομο του Η στη θεμελιώδη του κατάσταση, το ηλεκτρόνιο εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση σε τροχιά ακτίνας r = 5, cm. Είναι αυτό σωστό και στην κβαντομηχανική εικόνα του ατόμου του Η; Να εξηγήσετε την απάντησή σας Για n = 5, ποιες είναι οι δυνατές τιμές, α) του l, β) του m l, γ) του m s ; Ένα τροχιακό διαθέτει m l = 3. Ποια η μικρότερη δυνατή τιμή για τον κύριο κβαντικό αριθμό n; Εξηγείστε Ποιες οι δυνατές τιμές του κβαντικού αριθμού που λείπει σε κάθε περίπτωση; α) n = 3, l =.., m l =, m s = +1/ β) n >.., l =, m l = 1, m s = 1/ γ) n = 4, l =, m l = 0, m s = δ) n.., l = 0, m l =., m s = Στην εικόνα που ακολουθεί «συνυπάρχουν» μια νεαρή και μία ηλικιωμένη γυναίκα. Ποια θεωρία που βοήθησε στη θεμελίωση της κβαντομηχανικής περιγραφής των ατόμων θυμίζει η εικόνα αυτή; Να αναφέρετε τα βασικά σημεία της θεωρίας καθώς και μία σημαντική εφαρμογή της Να θεωρήσετε την ενεργειακή στιβάδα Ο στο άτομο του Η. α) Ποια η τιμή του n και ποιες οι δυνατές τιμές του l; β) Πως συμβολίζεται η υποστιβάδα με l = ; Πόσα τροχιακά διαθέτει; γ) Ποιες οι δυνατές τιμές για τον m l για την παραπάνω υ- ποστιβάδα; δ) Πόσα από τα τροχιακά της στιβάδας O διαθέτουν m l = 1; Άτομο Η βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση και απορροφά φωτόνιο συχνότητας ν 1 (μήκους κύματος λ 1 ), οπότε το ηλεκτρόνιό του αποκτά ενέργεια: 18,18 10 E = (J) 9 α) Ποιος ο κύριος κβαντικός αριθμός της στιβάδας διέγερσης; β) Ποια η τιμή της συχνότητας ν 1 ; γ) Ποιες οι δυνατές τιμές των άλλων κβαντικών αριθμών του ηλεκτρονίου στην παραπάνω διεγερμένη κατάσταση; δ) Στη συνέχεια το ηλεκτρόνιο μεταπίπτει στη στιβάδα L με σύγχρονη εκπομπή φωτονίου μήκους κύματος λ. Να συγκρίνετε τα λ 1 και λ. ε) Ποια η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να βρεθεί το ηλεκτρόνιο από τη στιβάδα L εκτός του ατόμου; Να δώσετε τις δυνατές τιμές των κβαντικών αριθμών n, l και m l : α) Για κάθε τροχιακό στην υποστιβάδα 4d, β) Για κάθε τροχιακό στη στιβάδα με n = 3 και γ) Για κάθε τροχιακό στην υποστιβάδα 4f Να σχολιάσετε την παράγραφο που ακολουθεί. «Είναι εύκολο να απεικονίσουμε ένα ηλεκτρόνιο ως να εκτείνεται για να σχηματίσει ένα νέφος. Θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε αυτό το νέφος σαν ένα είδος θολής φωτογραφίας του ταχέως κινουμένου ηλεκτρονίου. Το σχήμα του νέφους είναι το σχήμα του τροχιακού. Το νέφος δεν είναι ομοιόμορφο, αλλά είναι πυκνότερο σ εκείνες τις περιοχές που η πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο είναι μεγαλύτερη, δηλαδή όπου το μέσο αρνητικό φορτίο ή η ηλεκτρονιακή πυκνότητα είναι μεγαλύτερη.» (Morrison και Boyd, Οργανική Χημεία, τόμος 1). 37

342 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Χημεία και τέρατα: «Πως το φαντάστηκε» Η σχέση που δίνει το μήκος κύματος που αντιστοιχεί σε ένα κινούμενο σωματίδιο μάζας m και ταχύτητας υ (σχέση De Broglie) μπορεί να παραχθεί συνδυάζοντας την περίφημη εξίσωση του Einstein με την ενέργεια του φωτονίου κατά Planck. Έτσι, σύμφωνα με τον Planck, φωτόνιο συχνότητας ν έχει ενέργεια: E = h ν (1). Σύμφωνα με τον Einstein, η μάζα και η ενέργεια συνδέονται με τη σχέση: E = m c (). Από τις σχέσεις αυτές προκύπτει: h ν = m c. Αν αντικαταστήσουμε τη συχνότητα ν = c/λ, τότε προκύπτει: h h λ = = p m c Η εξίσωση αποδείχθηκε για το φωτόνιο. Ο De Broglie απλά πρότεινε ότι αντικαθιστώντας τη μάζα m του σωματιδίου και την ταχύτητά του υ στη θέση της ταχύτητας c του φωτός η εξίσωση μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλα κινούμενα μικρά σωματίδια και όχι μόνο για τα φωτόνια! [Από Tutorvista.com] Χημεία και τέρατα: «Ε, λοιπόν, βρήκα μία» «Κάποτε, στο τέλος μίας διάλεξης, άκουσα τον Debye να λέει περίπου τα εξής: «Schrödinger, μια και δεν ασχολείσαι αυτή τη στιγμή με πολύ σημαντικά προβλήματα, γιατί δεν μιλάς καμιά φορά γι αυτή τη θέση του De Broglie, που φαίνεται να έχει προσελκύσει κάποια προσοχή τελευταία;». Έτσι σε μία από τις επόμενες διαλέξεις ο Schrödinger έκανε μία διαυγέστατη παρουσίαση του πως ο De Broglie συνέδεσε ένα κύμα με ένα σωμάτιο και πως μπόρεσε να βγάλει τις συνθήκες κβάντωσης του Bohr, απαιτώντας να ταιριάζει ένας ακέραιος αριθμός κυμάτων πάνω σε μία στάσιμη τροχιά. Όταν τελείωσε, ο Debye παρατήρησε ότι ένας τέτοιος τρόπος περιγραφής του φαινόταν μάλλον παιδιάστικος. Αυτός, σαν μαθητής του Sommerfeld, είχε μάθει ότι για να μιλήσει κανείς σωστά για κύματα πρέπει να έχει μία κυματική εξίσωση [ ]. Ύστερα από μερικές εβδομάδες ο Schrödinger έδωσε μία άλλη ομιλία στο σεμινάριο την οποία άρχισε ως εξής: «Ο συνάδελφος Debye είπε ότι πρέπει να έχει κανείς μια κυματική εξίσωση. Ε, λοιπόν βρήκα μία!». [FELIX BLOCH] 38

343 ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 14 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-15 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. (4x15 = 60 μονάδες) 1. Πόσες φασματικές γραμμές στο φάσμα εκπομπής του Η αντιστοιχούν σε όλες τις πιθανές ηλεκτρονιακές μεταπτώσεις των πέντε πρώτων ενεργειακών στιβάδων του; Α) 4 Β) 5 Γ) 8 Δ) 10. Η μάζα του πρωτονίου (m p ) είναι 1836 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου (m e ). Αν τα δύο αυτά σωματίδια κινούνται με την ίδια ταχύτητα, ποια είναι η σχέση των αντιστοίχων μηκών κύματος λ p και λ e, σύμφωνα με την κυματική θεωρία της ύλης του De Broglie; Α) λ e =1836 λ p Β) λ e = λ p /1836 Γ) λ e = λ p Δ) λ e λ p = 1836 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 3. Ποιος από τους επιστήμονες που ακολουθούν θεώρησε πρώτος ότι ένα κινούμενο ηλεκτρόνιο εμφανίζει και κυματική συμπεριφορά; Α) Schrödinger Β) Heisenberg Γ) Bohr Δ) De Broglie 4. Ο κύριος κβαντικός αριθμός καθορίζει: Α) το σχήμα του ηλεκτρονιακού νέφους Β) την ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου Γ) τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους Δ) το μέγεθος του ηλεκτρονιακού νέφους [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] 5. Αν για ένα τροχιακό m l = 1, τότε ο l δεν μπορεί να πάρει την τιμή: Α) 0 Β) 1 Γ) 0 ή 1 Δ) 6. Πόσα ατομικά τροχιακά αντιστοιχούν σε μια ενεργειακή στιβάδα με κύριο κβαντικό αριθμό n; Α) n Β) l 1 Γ) n Δ) n + 1 Ε) n 7. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός m l ενός ηλεκτρονίου σε τροχιακό 4f μπορεί: Α) να πάρει οποιαδήποτε ακέραια τιμή μεταξύ 3 και +3 Β) να είναι ίσος με 4 Γ) να πάρει τις τιμές +1/ ή 1/ Δ) να πάρει οποιαδήποτε ακέραια τιμή μεταξύ 0 και 4 8. Το πλήθος των ατομικών τροχιακών στις στιβάδες L και Μ είναι αντίστοιχα: A) 4 και 9 Β) 4 και 10 Γ) 8 και 18 Δ) 4 και 8 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 9. Ποια από τις παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών (n, l, m l, m s ) δεν είναι επιτρεπτή για ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο; A) (4,,, +1/) B) (4, 1, 0, 1/) Γ) (4,, 3, +1/) Δ) (4, 3,, 1/) [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 10. Ποιος τύπος ατομικού τροχιακού αντιστοιχεί στην τριάδα n = 3, l = 0 και m l = 0; [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] A) 3p x B) 3p y Γ) 3s Δ) 3p z 11. Ποιο από τα παρακάτω τροχιακά δεν μπορεί να υπάρχει; [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Α) 5s Β) 3p Γ) 4f Δ) d 1. O ελάχιστος κύριος κβαντικός αριθμός (n) που μπορεί να έχει ένα ατομικό τροχιακό d είναι: Α) n = 1 Β) n = Γ) n = 3 Δ) n = Πόσα τροχιακά υπάρχουν με n = 3 και επίσης m l = 1; Α) 1 Β) Γ) 3 Δ) Ο συμβολισμός p x καθορίζει τις τιμές: Α) του δευτερεύοντος κβαντικού αριθμού Β) του μαγνητικού κβαντικού αριθμού Γ) του αζιμουθιακού και του μαγνητικού κβαντικού αριθμού Δ) του κύριου και του δευτερεύοντος κβαντικού αριθμού [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 15. Ο κβαντικός αριθμός l καθορίζει: Α) τον προσανατολισμό του ηλεκτρονιακού νέφους Β) την ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου Γ) το σχήμα του ηλεκτρονιακού νέφους Δ) το μέγεθος του ηλεκτρονιακού νέφους [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 16. Με βάση τις δυνατές τιμές των κβαντικών αριθμών l και m l να εξηγήσετε γιατί η στιβάδα Ν αποτελείται από 16 τροχιακά. (5 μονάδες) 17. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λανθασμένες. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας μόνο στην περίπτωση των λανθασμένων προτάσεων. (15 μονάδες) Α) Τα τροχιακά με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό n συγκροτούν μια υποστιβάδα. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 39

344 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Β) Η επίλυση της εξίσωσης Schrödinger οδηγεί στις κυματοσυναρτήσεις ψ, οι οποίες περιγράφουν την κατάσταση του ηλεκτρονίου με ορισμένη ενέργεια (Ε n ) και ονομάζονται ατομικά τροχιακά. Γ) Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα του ατόμου. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Δ) Αν ένα τροχιακό έχει m l = 0, θα είναι οπωσδήποτε τροχιακό τύπου s. Ε) Το τροχιακό p x είναι αυτό για το οποίο ισχύει: m l = 1. ΣΤ) Η κυματική εξίσωση του Schrödinger για το άτομο του Η συσχετίζει με μαθηματικό τρόπο τη σωματιδιακή και την κυματική συμπεριφορά του ηλεκτρονίου περιγράφοντας το ηλεκτρόνιο ως κύμα στο οποίο όμως αντιστοιχεί κινητική και δυναμική ενέργεια. Ζ) Ο κβαντικός αριθμός του spin δε συμμετέχει στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας του ηλεκτρονίου και κατά συνέπεια στο καθορισμό του ατομικού τροχιακού. 18. α) Για το άτομο του υδρογόνου η τιμή της κυματοσυνάρτησης ψ στις θέσεις Α και Β έχει τιμές ψ 1 = 10 3 και ψ = 10, αντίστοιχα. Να εξηγήσετε σε ποια από τις δύο θέσεις Α ή Β το ηλεκτρόνιο παρουσιάζει μεγαλύτερη πιθανότητα παρουσίας. (3 μονάδες) β) Να διατυπώσετε ην αρχή της απροσδιοριστίας ή αβεβαιότητας του Heisenberg. (3 μονάδες) 19. Να αναφέρετε τρεις ομοιότητες και δύο διαφορές ανάμεσα στα τροχιακά p x και p z ενός ατόμου υδρογόνου. (5 μονάδες) 0. Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου βρίσκεται στην στιβάδα Μ και μεταπίπτει διαδοχικά στη στιβάδα L και στη συνέχεια στην Κ. Κατά τις δύο αυτές μεταπτώσεις εκπέμπονται δύο φωτόνια με μήκη κύματος λ 1 και λ, αντίστοιχα. Να υπολογιστεί ο λόγος λ 1 /λ. (9 μονάδες) 330

345 15 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Οι ενέργειες των υποστιβάδων στα πολυηλεκτρονιακά άτομα Στην περίπτωση των πολυηλεκτρονιακών ατόμων, εκτός από την έλξη των ηλεκτρονίων από τον πυρήνα, εμφανίζεται και η άπωση μεταξύ των ηλεκτρονίων. Το άτομο του Η και τα υδρογονοειδή ιόντα διαθέτουν ένα μόνο ηλεκτρόνιο, με αποτέλεσμα να μην εμφανίζονται ηλεκτρονιακές απώσεις και ο δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός (l) δεν επηρεάζει την ενέργεια των τροχιακών της ίδιας στιβάδας. Στα πολυηλεκτρονιακά άτομα οι απώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων έχουν ως αποτέλεσμα την ενεργειακή διαφοροποίηση των υποστιβάδων της ίδιας στιβάδας. Όσο αυξάνεται η τιμή του l αυξάνεται η ενέργεια της υποστιβάδας μιας στιβάδας. Αν και τα τροχιακά είναι του ίδιου τύπου με τα τροχιακά του ατόμου του υδρογόνου, στα πολυηλεκτρονιακά συστήματα εμφανίζονται δύο σημαντικές διαφοροποιήσεις: Οι ελκτικές δυνάμεις από τον πυρήνα για ένα δοσμένο ηλεκτρόνιο αυξάνονται, καθώς αυξάνεται το φορτίο του πυρήνα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι ενέργειες όλων των τροχιακών να μειώνονται, να γίνονται δηλαδή περισσότερο αρνητικές, με την αύξηση του ατομικού αριθμού Ζ. Οι ενέργειες των υποστιβάδων μίας στιβάδας εξαρτώνται και από το είδος τους, δηλαδή από τον δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό l, οπότε οι ενέργειες των υποστιβάδων της ί- διας στιβάδας δεν είναι πια ίσες. Μάλιστα, σε μια δοσμένη στιβάδα (δοσμένος n), όσο μεγαλώνει η τιμή του l, τόσο μεγαλώνει και η ενέργεια της υποστιβάδας. Για παράδειγμα στην στιβάδα Μ (n = 3) ισχύει: E 3s < E 3p < E 3d. Η τιμή του l αποτελεί μέτρο της άπωσης μεταξύ των ηλεκτρονίων.. Σύγκριση των ενεργειών των διαφόρων υποστιβάδων Λόγω των ηλεκτρονιακών απώσεων, τα ηλεκτρόνια σε τροχιακά εσωτερικά (πιο κοντά στον πυρήνα) ελαττώνουν την ελκτική επίδραση του πυρήνα σε ένα ηλεκτρόνιο, που βρίσκεται σε τροχιακό μακρύτερα από τον πυρήνα. Η αποτελεσματικότητα της προστασίας από την έλξη του πυρήνα ενός συγκεκριμένου ηλεκτρονίου από τα εσωτερικά του ηλεκτρόνια, εξαρτάται από το είδος του τροχιακού που βρίσκεται το εν λόγω ηλεκτρόνιο. Ηλεκτρόνιο σε τροχιακό s «σπαταλά» περισσότερο χρόνο κοντά στον πυρήνα από ότι ηλεκτρόνιο σε τροχιακό p. Άρα, το ηλεκτρόνιο σε τροχιακό s δεν προστατεύεται τόσο όσο το ηλεκτρόνιο σε τροχιακό p. Αποτέλεσμα; Εμφανίζεται ενεργειακή διάσχιση μεταξύ των τροχιακών s και p. Γενικότερα, στα πολυηλεκτρονιακά άτομα οι ενέργειες των υποστιβάδων μιας δοσμένης στιβάδας ακολουθεί τη σειρά: s < p < d < f, δηλαδή ακολουθεί την αύξηση του δευτερεύοντα κβαντικού αριθμού. Έτσι, π.χ. για τις υποστιβάδες της στιβάδας Μ ισχύει η εξής ενεργειακή σειρά: Ε 3s < E 3p < E 3d. 331

346 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Σε κάποιες περιπτώσεις, παρατηρείται αναστροφή της ενεργειακής σειράς, καθώς μία υποστιβάδα με μικρότερο n να παρουσιάζει μεγαλύτερη ενέργεια από μία υποστιβάδα με μεγαλύτερο n. Θα φανεί καλύτερα στη συνέχεια τι ακριβώς εννοούμε. Ε 3s 3p 3d 4s 3d 3p s p 3s p s 1s Η Νa Σχήμα 1. Συγκριτικό διάγραμμα των διαφόρων υποστιβάδων για το άτομο του Η (αριστερά) και ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο, π.χ. το άτομο του Na (δεξιά). Στο άτομο του Η οι υποστιβάδας της ίδιας στιβάδας έχουν την ίδια ενέργεια. Στο πολυηλεκτρονιακό άτομο δεν έχουν πια την ίδια ενέργεια, καθώς όσο αυξάνεται ο l αυξάνεται και η ενέργεια της υποστιβάδας. 1s 3. Οι αρχές δόμησης στα πολυηλεκτρονιακά άτομα (aufbau) aufbau: Γερμανική λέξη που σημαίνει δόμηση. Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα διάφορα τροχιακά που όπως και στην περίπτωση του ατόμου του υδρογόνου οργανώνονται σε υποστιβάδες και σε στιβάδες. Η συμπλήρωση των τροχιακών με ηλεκτρόνια αναφέρεται ως ηλεκτρονιακή δόμηση και ακολουθεί τους εξής κανόνες (αρχές), που αναπτύσσονται στη συνέχεια: Την απαγορευτική αρχή του Pauli. Την αρχή της ελάχιστης ενέργειας. Τον κανόνα του Hund. 4. Η απαγορευτική αρχή του Pauli Το 196 o Wolfgang Pauli πρότεινε το εξής: «Είναι αδύνατο να υπάρχουν στο ίδιο άτομο δύο ηλεκτρόνια με ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών (n, l, m l, m s ).» Ξέρουμε ότι οι τρεις πρώτοι κβαντικοί n, l και m l καθορίζουν ένα συγκεκριμένο τροχιακό. Δύο ηλεκτρόνια ενός τροχιακού μπορούν να έχουν τους τρεις αυτούς κβαντικούς αριθμούς ίδιους, αλλά στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να διαφέρουν στον τέταρτο κβαντικό αριθμό του spin, m s. Επειδή οι δυνατές τιμές του m s είναι μόνο δύο (1/, 1/) αυτό σημαίνει ότι: 33

347 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ Ένα τροχιακό μπορεί να είναι κενό ή να διαθέτει ένα μόνο ηλεκτρόνιο ή και δύο ηλεκτρόνια αλλά με αντίθετο spin. Αν παραστήσουμε με ( ) και ( ) τα ηλεκτρόνια με spin +1/ και 1/ οι δυνατές δομές για ένα συγκεκριμένο τροχιακό, σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli είναι: πλήρες «Μόνο δύο ηλεκτρόνια μπορούν να καταλάβουν το ίδιο τροχιακό και τα δύο αυτά ηλεκτρόνια θα πρέπει να έχουν αντίθετο spin.» Έτσι μία υποστιβάδα τύπου p (p, 3p, 4p κτλ.) που αποτελείται από τρία τροχιακά, θα «χωράει» το πολύ 3 = 6 ηλεκτρόνια. Ανάλογα, μία d υποστιβάδα «χωράει» 10 ηλεκτρόνια, μία f υποστιβάδα 14 ηλεκτρόνια, ενώ μία υποστιβάδα τύπου s «χωράει» δύο μόνο ηλεκτρόνια, καθώς διαθέτει ένα μόνο τροχιακό. Με βάση, λοιπόν, την απαγορευτική αρχή του Pauli μπορούμε να προσδιορίσουμε το μέγιστο αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα τροχιακό, σε μία υποστιβάδα και τελικά σε μία στιβάδα, σύμφωνα με τον πίνακα που ακολουθεί: ημισυμπληρωμένο κενό ΣΤΙΒΑΔΑ ΤΡΟΧΙΑΚΑ ΠΛΗΘΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ είδος πλήθος υποστιβάδας στιβάδας Κ 1s 1 L s p M 3s 3p 3d N 4s 4p 4d 4f Παρατηρούμε ότι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε μία στιβάδα ακολουθεί τον τύπο n, όπου n ο κύριος κβαντικός αριθμός της στιβάδας. 5. Αρχή ελάχιστης ενέργειας Αναφέραμε ήδη ότι στα πολυηλεκτρονιακά άτομα οι ε- νέργειες των υποστιβάδων εξαρτώνται και τον δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό l. Έχει διαπιστωθεί δε ότι ανάμεσα σε δύο υποστιβάδες, τη χαμηλότερη ενέργεια έχει αυτή με το μικρότερο άθροισμα (n + l). Με βάση τον κανόνα αυτό έχουμε π.χ.: Για την 4s: n 1 + l 1 = = 4 Για την 3d: n + l = 3 + = 5 > 4 E 4s < E 3d Στην περίπτωση που για δύο υποστιβάδες ισχύει: n 1 + l 1 = n + l, τη μικρότερη ενέργεια έχει αυτή που έχει μικρότερο n, καθώς η έλξη από τον πυρήνα είναι περισσότερο σημαντικός παράγοντας σε σχέση με τις διηλεκτρονιακές απώσεις. Π.χ.: E4s > E3p γιατί n < n1 Για την 4s: n 1 + l 1 = = 4 Για την 3p: n + l = = 4 Γενικά, κατά τη συμπλήρωση των τροχιακών ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου με ηλεκτρόνια ακολουθείται η αρχή της ελάχιστης ενέργειας, σύμφωνα με την οποία: 333

348 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 «Κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου, τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τροχιακά με τη μικρότερη ενέργεια, ώστε να αποκτήσουν τη μεγαλύτερη σταθερότητα στη θεμελιώδη τους κατάσταση». Με βάση τον κανόνα (n + l), η σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων απομνημονεύεται εύκολα, σύμφωνα με το διπλανό διάγραμμα. Βλέπουμε π.χ. ότι μετά την συμπλήρωση της υποστιβάδας 3p (με 6 ηλεκτρόνια) γεμίζει η υποστιβάδα 4s (που έχει μικρότερη ε- νέργεια) και όχι η 3d. Με άλλα λόγια η τοποθέτηση ηλεκτρονίων στη στιβάδα Ν (n = 4) αρχίζει προτού συμπληρωθεί η στιβάδα Μ (n = 3)! 6. Ο κανόνας του Hund Σύμφωνα με τον κανόνα του Hund: «Ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν τροχιακά της ίδιας ενέργειας (της ίδιας υποστιβάδας), έχουν κατά προτίμηση παράλληλα spin, ώστε τα ηλεκτρόνια να αποκτούν το μέγιστο ά- θροισμα των κβαντικών αριθμών spin». Έτσι, στην περίπτωση τροχιακών της ίδιας υποστιβάδας, πρώτα καταλαμβάνονται όλα από ένα ηλεκτρόνιο (με παράλληλα spin) και στη συνέχεια, αν υπάρχουν διαθέσιμα ηλεκτρόνια, θα αρχίσουν να συμπληρώνονται ζεύγη ηλεκτρονίων με αντιπαράλληλα spin. Ας πάρουμε το παράδειγμα του 7 Ν. Τα δύο πρώτα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν το τροχιακό 1s και τα δύο επόμενα το τροχιακό s. Στη συνέχεια, αρχίζει η συμπλήρωση της p υποστιβάδας, που αποτελείται από τρία τροχιακά της ίδιας ενέργειας. Τα τρία ηλεκτρόνια κατανέμονται στα τροχιακά αυτά «κατά μόνας» με παράλληλα spin: Friedrich Hund ( ): Γερμανός θεωρητικός φυσικός. 7Ν: 1s s p 3 s p 3 Με βάση τον κανόνα του Hund, η ηλεκτρονιακή δομή του 7Ν γράφεται αναλυτικότερα ως εξής: 1s s px 1 py 1 pz 1. 1s Η προηγούμενη ηλεκτρονιακή δομή εξασφαλίζει άθροισμα των κβαντικών αριθμών spin ίσο με 3/ (1/ + 1/ + 1/ = 3/). Aς δούμε τώρα ένα άλλο παράδειγμα, την ηλεκτρονιακή δομή του 8 Ο. Η ηλεκτρονιακή του δομή είναι η εξής: 1s s p 4. Οι δύο παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές είναι δεκτές με βάση την απαγορευτική του Pauli, όμως μόνο η αριστερή είναι και σύμφωνη και με τον κανόνα του Hund: Η εξήγηση που δίνεται για τον κανόνα του Hund είναι ότι τα ηλεκτρόνια φέρουν ομώνυμο φορτίο και επομένως απωθούνται. Όταν, επομένως, ψάχνουν για τροχιακά της ίδιας ενέργειας προτιμούν να καταλάβουν άδειο τροχιακό, παρά να «συγκατοικήσουν» με άλλο ηλεκτρόνιο (με αντιπαράλληλο spin). Να σημειωθεί ότι μία δομή της μορφής, είναι επίσης σύμφωνη με τον κανόνα του Hund. 334

349 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ 7. Η διαδικασία της ηλεκτρονιακής δόμησης Με βάση τους τρεις κανόνες της ηλεκτρονιακής δόμησης μπορούμε να γράψουμε τις ηλεκτρονιακές δομές των διαφόρων ατόμων στη θεμελιώδη τους κατάσταση. Ας θεωρήσουμε π.χ. την περίπτωση του 16 S. Τοποθετούμε κατά σειρά και με βάση τη σειρά πλήρωσης: e στην υποστιβάδα 1s, e στην s, 6e στην υποστιβάδα p, e στην 3s και 4e στην 3p (η τελευταία υποστιβάδα δεν συμπληρώνεται, καθώς δεν υπάρχουν διαθέσιμα ηλεκτρόνια). Έτσι η ηλεκτρονιακή δομή του 16 S έχει ως εξής: 1s s p 6 3s 3p 4 (Κ L 8 M 6 ). Η δομή αυτή απεικονίζεται στο διάγραμμα που ακολουθεί: 3s s 1s 1s s p 6 3s 3p p 16S Σε περιπτώσεις κατά τις οποίες συμπληρώνονται πολλές υποστιβάδες, μπορούμε να γράψουμε την δομή ενός ατόμου με βάση το προηγούμενό του ευγενές αέριο και τις ε- πιπλέον υποστιβάδες που διαθέτει: 16S: 1s s p 6 3s 3p 4 ή [ 10 Νe] 3s 3p 4 8Νi: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 8 4s ή [ 18 Ar] 3d 8 4s Αν σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο μας ζητούν να συγκρίνουμε τις ενέργειες των διαφόρων υποστιβάδων μετά την πλήρωση, θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας ότι η ενέργεια της εξωτερικής στιβάδας είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια οποιασδήποτε εσωτερικής. Θα παρατηρήσατε ότι στη δομή αυτή γράψαμε την υποστιβάδα 3d πριν την 4s παρότι συμπληρώνεται μετά. Πραγματικά, όταν η 4s συμπληρωθεί και αρχίσει να συμπληρώνεται η 3d, η 4s αποκτά υψηλότερη ενέργεια, καθώς η ενέργεια της εξωτερικής στιβάδας είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια οποιασδήποτε εσωτερικής. Έτσι, π.χ. στο άτομο του Ti με δομή: [ 18 Ar] 3d 4s η ενέργεια των ηλεκτρονίων της 4s είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια των ηλεκτρονίων της 3d (άσχετα αν το τελευταίο ηλεκτρόνιο «μπήκε» στην υποστιβάδα 3d, σύμφωνα με τη σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων!). Απόδειξη; Βλέπε το επόμενο θέμα για την απόσπαση ηλεκτρονίων! 8. Ηλεκτρονιακές δομές των κατιόντων και των ανιόντων Η ερώτηση της ημέρας: Ποια η ηλεκτρονιακή δομή του ιόντος Mg + ; Γενικά, οι ηλεκτρονιακές δομές των κατιόντων προκύπτουν από τα αντίστοιχα άτομα με αφαίρεση ανάλογων ηλεκτρονίων από την τελευταία υποστιβάδα που διαθέτει ηλεκτρόνια. Έτσι, π.χ. η ηλεκτρονιακή δομή του 11 Na είναι 1s s p 6 3s 1, ενώ του 11 Νa + είναι 1s s p 6 (αφαίρεση ηλεκτρονίου από την υποστιβάδα 3s). Για να δούμε όμως τι συμβαίνει με τα άτομα που συμπληρώνουν μία d υποστιβάδα. Κατά τη διαδικασία της δόμησης η υποστιβάδα 4s βρίσκεται χαμηλότερα ενεργειακά από την 3d και για το λόγο αυτό συμπληρώνεται κατά προτεραιότητα. Όμως στα άτομα που διαθέτουν ένα η περισσότερα ηλεκτρόνια στην 3d, η 4s διαθέτει μεγαλύτερη ενέργεια, οπότε η αποβολή ηλεκτρονίων γίνεται από την υποστιβάδα αυτή. Δηλαδή: 335

350 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Κατά το σχηματισμό ενός κατιόντος, «αποσπώνται» ηλεκτρόνια κατά προτεραιότητα από στιβάδες με το μεγαλύτερο κύριο κβαντικό αριθμό (ηλεκτρόνια εξωτερικής στιβάδας ή ηλεκτρόνια σθένους). Παραδείγματα Ti: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 4s 6Fe: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 4s Ti + : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6Fe + : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 Ti 3+ : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 1 6Fe 3+ : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 Ανιόντα σχηματίζουν βασικά τα αμέταλλα που, όπως θα δούμε, συμπληρώνουν μία p υποστιβάδα. Κατά το σχηματισμό, λοιπόν, ενός ανιόντος γενικά προστίθενται ηλεκτρόνια σε υποστιβάδα τύπου p (μέχρι και τη συμπλήρωσή της). Π.χ.: 8Ο: 1s s p 4 8Ο : 1s s p 6 Γενικά, ως ηλεκτρόνια σθένους χαρακτηρίζουμε τα ηλεκτρόνια όλων των υποστιβάδων με το μεγαλύτερο κύριο κβαντικό αριθμό και είναι υπεύθυνα για το σχηματισμό δεσμών. Π.χ. το 9F: 1s s p 5 διαθέτει 7 ηλεκτρόνια σθένους. Σε κάποιες περιπτώσεις στο σχηματισμό δεσμών συμμετέχουν και «εσωτερικά» ηλεκτρόνια, π.χ. τα ηλεκτρόνια d υποστιβάδων στα στοιχεία μετάπτωσης, αλλά με την περίπτωση αυτή δε θα ασχοληθούμε. 9. Αποκλίσεις από τη σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων Η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων 4 Cr και 9 Cu έχει ως εξής: 4Cr: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s 1 9Cu: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 1 To 4 Cr σύμφωνα με τη συμπλήρωση της 3d υποστιβάδας θα έπρεπε να είχε ηλεκτρονιακή δομή: [ 18 Ar] 3d 4 4s. Αντί για αυτή εμφανίζει τη δομή: [ 18 Ar] 3d 5 4s 1. Ανάλογη διαφοροποίηση εμφανίζει και ο χαλκός, που από αναμενόμενη δομή: [ 18 Ar] 3d 9 4s εμφανίζει τελικά: [ 18 Ar] 3d 10 4s 1. Οι εξαιρέσεις αυτές εξηγούνται με την ειδική σταθερότητα που εμφανίζει η ημισυμπληρωμένη (d 5 ) και η συμπληρωμένη (d 10 ) υποστιβάδα 3d, αλλά και από το γεγονός ότι η διαφορά ενέργειας ανάμεσα στις υποστιβάδες 3d και 4s για την πρώτη σειρά των στοιχείων μετάπτωσης είναι μικρή. Πέρα από τις παραπάνω, υπάρχουν και άλλες αποκλίσεις στις οποίες όμως δεν θα αναφερθούμε. Ανάλογες αποκλίσεις παρατηρούνται και σε άλλες περιπτώσεις, ιδιαίτερα σε στοιχεία που συμπληρώνουν υποστιβάδες τύπου f. 10. Θεμελιώδεις, διεγερμένες και αδύνατες καταστάσεις Για το άτομο του 9 F και σύμφωνα με τις τρεις αρχές της ηλεκτρονιακής δόμησης έχουμε την εξής ηλεκτρονιακή δομή: 1s s p 5. Η κατάσταση αυτή λέγεται θεμελιώδης καθώς εξασφαλίζει τη μικρότερη δυνατή ενέργεια στο σύστημα (μεγαλύτερη σταθερότητα). Κάθε άλλη κατάσταση που δεν υπακούει στην αρχή της ελάχιστης ενέργειας, αλλά είναι συμβατή με την απαγορευτική αρχή του Pauli και με τον κανόνα του Hund λέγεται διεγερμένη κατάσταση. Π.χ.: 9 F: 1s s 1 p 6. Τέλος, μία κατάσταση η οποία δεν είναι συμβατή με τον κανόνα του Hund ή/και με την απαγορευτική αρχή του Pauli λέγεται αδύνατη κατάσταση, π.χ. η δομή 9 F: 1s p 7 είναι αδύνατη καθότι παραβιάζει την απαγορευτική αρχή του Pauli. Επίσης, π.χ. η δομή, 336 1s p είναι αδύνατη, καθώς παραβιάζει τον κανόνα του Hund.

351 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Να αναφερθούν τρεις ομοιότητες και τρεις διαφορές ανάμεσα στις υποστιβάδες ενός ατόμου Η και ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Ομοιότητες: Kαι στις δύο περιπτώσεις οι ενέργειες των υποστιβάδων είναι i. αρνητικές, ii. κβαντισμένες και iii. έχουν τον ίδιο συμβολισμό ανάλογα με τις τιμές των κβαντικών αριθμών n και l. Διαφορές: Οι ενέργειες των υποστιβάδων σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο i. είναι πιο αρνητικές, λόγω του μεγαλύτερου πυρηνικού φορτίου, ii. έχουν διαφορετική ενέργεια ακόμα και όταν ανήκουν στην ίδια στιβάδα ενώ στο άτομο του Η έχουν την ίδια ενέργεια όταν ανήκουν στην ίδια στιβάδα και iii. οι ενέργειες των υποστιβάδων εξαρτώνται από τις τιμές των κβαντικών αριθμών n και l ενώ στο άτομο του Η μόνο από την τιμή του n.. Θεωρούμε την υποστιβάδα p ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου. α) i. Ποιοι κβαντικοί αριθμοί περιγράφουν την υποστιβάδα p; ii. Από πόσα τροχιακά αποτελείται; iii. Ποιες τριάδες κβαντικών αριθμών αντιστοιχούν στα τροχιακά αυτά; β) i. Ποιος ο μέγιστος αριθμός των ηλεκτρονίων που διαθέτει η υποστιβάδα αυτή; ii. Ποιες τετράδες κβαντικών αριθμών αντιστοιχούν στα ηλεκτρόνια αυτά; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) i. n =, l = 1. ii. Oι δυνατές τιμές του m l είναι: 1, 0, 1 και επομένως η υποστιβάδα p αποτελείται από τρία τροχιακά. iii. (,1, 1), (,1,0) και (,1,1). β) i. Σύμφωνα με την απαγορευτικά αρχή του Pauli, κάθε τροχιακό μπορεί να διαθέτει δύο το πολύ ηλεκτρόνια και επομένως ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα p είναι ίσος με 6. ii. (,1, 1,+1/), (,1, 1, 1/), (,1,0,+1/), (,1,0, 1/), (,1,1,+1/), (,1,1, 1/). 3. Να περιγράψετε με βάση τους 4 κβαντικούς αριθμούς τα 10 ηλεκτρόνια του 10 Ne. ΑΠΑΝΤΗΣΗ H ηλεκτρονιακή δομή του 10 Ne είναι: 1s s p 6. Για τα δύο 1s ηλεκτρόνια οι τετράδες των κβαντικών αριθμών είναι: (1,0,0,+1/), (1,0,0, 1/). Για τα δύο s ηλεκτρόνια έ- χουμε τις εξής τετράδες: (,0,0,+1/), (,0,0, 1/). Για p 6 ηλεκτρόνια: (,1,1,+1/), (,1,1, 1/), (,1, 1,1/), (,1, 1, 1/), (,1,0,1/), (,1,0, 1/). 4. Ποιος είναι ο μικρότερος ατομικός αριθμός στοιχείου, που περιέχει: α) Τέσσερα συνολικά s ηλεκτρόνια. β) Επτά συνολικά p ηλεκτρόνια. γ) Δώδεκα συνολικά d ηλεκτρόνια. δ) Ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε p υποστιβάδα. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) 1s s (Ζ = 4). β) 1s s p 6 3s 3p 1 (Ζ = 13). γ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 4d 5s (Ζ = 40). 337

352 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 δ) Σύμφωνα με τον κανόνα του Hund, για να υπάρχει ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε p υποστιβάδα αυτή θα πρέπει να έχει δομή p 4, καθώς με δομή p 3, p ή p 1 έχω μόνο μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια. Επομένως, η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου θα είναι: 1s s p 4 (Ζ = 8). 5. Ποιος ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε πολυηλεκτρονιακό άτομο, στη θεμελιώδη του κατάσταση, με: α) n =, β) n =, m s = 1/, γ) n = 4, l = 4, m l = 3, δ) n = 3, l = ε) l = 0, m s = +1/, στ) n = 3, m l = 0. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Στη στιβάδα L (n = ) υπάρχουν το πολύ = 8 ηλεκτρόνια. β) Από το διάγραμμα τροχιακών για την στιβάδα με n =, έχουμε: s p Παρατηρούμε ότι από τα 8 το πολύ ηλεκτρόνια που μπορεί να βρίσκονται στην στιβάδα L μόνο τα μισά, δηλαδή 4, διαθέτουν m s = 1/. γ) Κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να έχει n = 4, l = 4 (ο δευτερεύων κβαντικός αριθμός l παίρνει τιμές μέχρι (n 1) και όχι τιμή ίση με n. δ) Σε n = 3 και l = αντιστοιχούν τα 3d τροχιακά που είναι 5 και διαθέτουν το πολύ 10 ηλεκτρόνια. ε) Το πολύ 7 ηλεκτρόνια. Τα γνωστά στοιχεία έχουν το πολύ 7 υποστιβάδες τύπου s (από 1s μέχρι 7s), οπότε σε αυτές θα περιέχονται συνολικά 7 = 14 ηλεκτρόνια το πολύ από τα οποία τα μισά έχουν m s = +1/. στ) Η στιβάδα με n = 3 (στιβάδα Μ) διαθέτει τις υποστιβάδες 3s, 3p και 3d. Στη υποστιβάδα 3s, l = 0 και άρα m l = 0. Στη υποστιβάδα 3p, l = 1 και άρα m l = 1, 0, 1. Στη υ- ποστιβάδα 3d, l = και άρα m l =, 1, 0, 1,. Επομένως, η στιβάδα Μ διαθέτει τρία τροχιακά με m l = 0, τα οποία μπορούν να έχουν 6 το πολύ ηλεκτρόνια. 6. Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή των ιόντων; α) 3 Li +, β) 1 H, γ) 19 K +, δ) 34 Se, ε) 48 Cd +. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) 1s 1. Το 3 Li + διαθέτει ένα μόνο ηλεκτρόνιο, καθώς έχει χάσει τα υπόλοιπα δύο. β) Το 1 H διαθέτει e. Η ηλεκτρονιακή του δομή είναι: 1s. γ) 19 K + (18 e): 1s s p 6 3s 3p 6 (έχει χάσει το ηλεκτρόνιο 4s). δ) 34 Se (36 e): 1s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 10 4p 6. ε) Το άτομο του 48 Cd διαθέτει 48 e και δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 4d 10 5s. Χάνοντας τα δύο e της εξωτερικής στιβάδας, σχηματίζεται το κατιόν Cd + με 46 e και δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 4d

353 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ 7. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή στη θεμελιώδη κατάσταση, α) των ατόμων 4Cr και 9 Cu, και β) των ιόντων Cu +, Cu +, Cr 3+, Cr 6+. Να σημειώσετε τον αριθμό των μονήρων (ασύζευκτων) ηλεκτρονίων σε κάθε περίπτωση. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Είδαμε στη θεωρία ότι στην ηλεκτρονιακή δομή της θεμελιώδους κατάστασης των ατόμων του 4 Cr και του 9 Cu παρουσιάζεται απόκλιση, λόγω της ειδικής σταθερότητας που παρουσιάζει η δομή d 5 και d 10 : 4Cr: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s 1 (6 μονήρη ηλεκτρόνια). 9Cu: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 1 (1 μονήρες ηλεκτρόνιο). β) Σε κάθε περίπτωση αποβάλλονται ηλεκτρόνια από την εξωτερική στιβάδα (4s) και στη συνέχεια από τις εσωτερικές υποστιβάδες: Cu + : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 (κανένα μονήρες ηλεκτρόνιο). Cu + : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 9 (ένα μονήρες ηλεκτρόνιο). Cr 3+ : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 3 (3 μονήρη ηλεκτρόνια). Cr 6+ : 1s s p 6 3s 3p 6 (κανένα μονήρες ηλεκτρόνιο). Τα στοιχεία που απαντούν στη φύση έχουν Ζ 9 (Ζ = 9 έχει το ουράνιο, 9U). 8. Το άθροισμα των κβαντικών αριθμών του spin για το σύνολο των ηλεκτρονίων στο άτομο ενός στοιχείου Σ είναι ίσο με 7/. α) Να προσδιορίσετε τον αριθμό των μονήρων ηλεκτρονίων στο άτομο του Σ. β) Δεδομένου ότι το στοιχείο Σ έχει ατομικό αριθμό Ζ 9, ποιος ο ατομικός του αριθμός Ζ; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Για να έχει συνολικό αριθμό spin 7/ θα πρέπει να διαθέτει 7 μονήρη ηλεκτρόνια (καθένα σε f τροχιακό κανόνας του Hund), πρόκειται δηλαδή για ημισυμπληρωμένη υποστιβάδα τύπου f. β) Επειδή Ζ 9 δεν πρόκειται για υποστιβάδα 5f (βλ. και σειρά πλήρωσης υποστιβάδων), καθόσον θα υπερβαίνει το συνολικό αριθμό των 9 ηλεκτρονίων. Άρα πρόκειται για υποστιβάδα 4f. Για να υπάρχουν όμως 7 ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα 4f θα πρέπει να έχουν συμπληρωθεί οι προηγούμενες υποστιβάδες, σύμφωνα με τη σειρά πλήρωσης: 1s, s, p 6, 3s, 3p 6, 4s, 3d 10, 4p 6, 5s, 4d 10, 5p 6, 6s, 4f 7. Επομένως, το στοιχείο διαθέτει 63 ηλεκτρόνια (ευρώπιο, 63 Εu). 9. Να χαρακτηρίσετε τις ηλεκτρονιακές δομές Ι - V που ακολουθούν ως θεμελιώδεις, διεγερμένες ή αδύνατες. Για τις ηλεκτρονιακές δομές σε διεγερμένη κατάσταση να γράψετε τις δομές για τη θεμελιώδη κατάσταση. Ι. 6 C: 1s s 1 p 3 ΙΙ. 8 Ο : 1s s p 6 ΙΙΙ. 17 Cl : 1s s p 6 3s 3p 5 4s 1 ΙV. 9 F: 1s s 1 p 7 V. 4 Cr: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s 1 ΑΠΑΝΤΗΣΗ I. Διεγερμένη κατάσταση. Θεμελιώδης: 1s s p. II. Θεμελιώδης κατάσταση. III. Διεγερμένη κατάσταση. Θεμελιώδης: 1s s p 6 3s 3p

354 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 IV. Αδύνατη (η υποστιβάδα p δεν μπορεί να διαθέτει 7 ηλεκτρόνια, λόγω της απαγορευτικής αρχής του Pauli). V. Θεμελιώδης κατάσταση, λόγω της ειδικής σταθερότητας της ημισυμπληρωμένης 3d υποστιβάδας (βλ. 9o θέμα θεωρίας). 10. Να προσδιοριστούν όλοι οι δυνατοί ατομικοί αριθμοί ενός στοιχείου Σ, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτει 3 μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα M. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Η στιβάδα Μ διαθέτει τις υποστιβάδες 3s, 3p και 3d. Από τις υποστιβάδες αυτές, η 3s διαθέτει δύο ηλεκτρόνια (κι αυτά σε ζεύγος), οπότε μένουν οι δύο άλλες. Αν η Μ είναι εξωτερική στιβάδα, τότε δεν μπορούν να υπάρξουν ηλεκτρόνια στην 3d, καθώς στην περίπτωση αυτή θα έπρεπε να τοποθετηθούν ηλεκτρόνια πρώτα στην υποστιβάδα 4s. Τα τρία μονήρη ηλεκτρόνια θα είναι, λοιπόν, στην υποστιβάδα 3p, οπότε έχουμε την εξής ηλεκτρονιακή δομή: 1s s p 6 3s 3p 3 Επομένως, Ζ = 15. Αν η Μ δεν είναι εξωτερική στιβάδα, τότε μπορεί τα τρία μονήρη ηλεκτρόνια να είναι στην 3d, που συμπληρώνεται μετά την 4s, οπότε προκύπτει και η δομή: 3s 3p 6 3d 3 4s Δηλαδή μπορεί κατά τη διαδικασία της δόμησης να εισέρχονται ηλεκτρόνια σε στιβάδα προηγούμενη από την εξωτερική! Επομένως, Ζ = 3. Υπάρχει και μία τελευταία και πιο δύσκολη περίπτωση να τη σκεφτεί κανείς: Τα τρία μονήρη ηλεκτρόνια στη 3d να συνυπάρχουν μαζί με δύο ζεύγη ηλεκτρονίων: 3d 7 4s Στην περίπτωση αυτή «χρειαστήκαμε» 4 επιπλέον ηλεκτρόνια: Ζ =

355 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Ποιοι κβαντικοί αριθμοί σχετίζονται με την ενέργεια ενός ηλεκτρονίου σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο; Α) μόνο ο n Β) ο n και ο l Γ) ο n, ο l και ο m l Δ) και οι τέσσερις 15.. Μεταξύ των ενεργειών Ε s και Ε p των υποστιβάδων s και p σε ένα άτομο: Α) ισχύει Ε p > Ε s Β) ισχύει Ε p Ε s Γ) ισχύει Ε p < Ε s Δ) δεν είναι δυνατή η σύγκριση Κατά τη διαδικασία της ηλεκτρονιακής δόμησης (aufbau): Α) η υποστιβάδα 4p συμπληρώνεται αμέσως μετά την υ- ποστιβάδα 4s Β) μετά την υποστιβάδα 3p συμπληρώνεται η 3d Γ) μετά την υποστιβάδα 3d συμπληρώνεται η 4s Δ) η υποστιβάδα 4s συμπληρώνεται πριν από την 3d Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε κάθε στιβάδα προκύπτει βασικά με εφαρμογή: Α) της αρχής της ελάχιστης ενέργειας Β) της απαγορευτικής αρχής του Pauli Γ) του κανόνα του Hund Δ) όλων των παραπάνω Ένα άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση έχει δομή 3p. Σύμφωνα με τον κανόνα του Hund το άθροισμα των κβαντικών αριθμών spin του ατόμου θα είναι ίσο με: Α) 1 Β) 3/ Γ) Δ) 1/ Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε τροχιακά p σε μία στιβάδα είναι: Α) Β) 3 Γ) 6 Δ) Ποιος ο ατομικός αριθμός ενός στοιχείου το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη του κατάσταση διαθέτει μόνο ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε p τροχιακό; Α) 4 Β) 6 Γ) 7 Δ) i. Μία υποστιβάδα 3d διαθέτει: A) δύο ατομικά τροχιακά B) τρία ατομικά τροχιακά Γ) πέντε ατομικά τροχιακά Δ) το πολύ πέντε ατομικά τροχιακά ii. Μία υποστιβάδα 3d περιέχει: Α) έξι ηλεκτρόνια Β) πέντε ηλεκτρόνια Γ) τουλάχιστον δέκα ηλεκτρόνια Δ) μέχρι δέκα ηλεκτρόνια Αν ένα άτομο περιέχει 3 ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα p, στη θεμελιώδη κατάσταση, τότε ο ατομικός του α- ριθμός είναι: Α) 5 Β) τουλάχιστον 5 Γ) 7 Δ) το πολύ i. Στο άτομο του 14 Si στη θεμελιώδη κατάσταση ο αριθμός των τροχιακών που περιέχουν ένα μόνο ηλεκτρόνιο είναι: Α) Β) 0 Γ) 3 Δ) 1 ii. Στο ίδιο άτομο, ο ολικός αριθμός των p ηλεκτρονίων του είναι: Α) Β) 4 Γ) 6 Δ) Ποια από τις επόμενες ηλεκτρονιακές δομές ανταποκρίνεται στη θεμελιώδη κατάσταση του 8 Νi; A) Κ() L(8) M(18) B) Κ() L(8) M(10) N(8) Γ) Κ() L(8) M(17) N(1) Δ) Κ() L(8) M(16) N() ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Σε ένα άτομο ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων με: i. n = 3, l =, ii. n =, l = 1, m l = 1 και iii. n = 1, l = 0 είναι, αντίστοιχα: Α) 18, 4, 18 Β) 10,, Γ) 10, 6, Δ) 10,, Το ιόν 7 Ν 3 έχει στη θεμελιώδη κατάσταση την ίδια δομή: Α) με το άτομο του Ηe Β) με το κατιόν 10 Ne + Γ) με το άτομο του 4 Be Δ) με το ανιόν 8 O Ποια από τις δομές αντιστοιχεί σε διεγερμένη κατάσταση ενός ατόμου; Α) 1s s p 7 Β) 1s s p 6 Γ) 1s s p 4 3s 1 Δ) 1s s p 6 3s Από τις ηλεκτρονιακές δομές: 1s s p 6 3s (I), 1s s p 6 3s 3p (II), 1s s p 6 (III), 1s s p 5 (IV), 1s s p 4 (V), αποτελούν τις δομές του ιόντος 13 Αl 3+ και του ιόντος 8 O στη θεμελιώδη κατάσταση: Α) οι (Ι) και (ΙV), αντίστοιχα Β) η (ΙΙΙ) και στις δύο περιπτώσεις Γ) οι (ΙΙ) και (V), αντίστοιχα Δ) οι (ΙΙΙ) και (V), αντίστοιχα Το στοιχείο 99 Es είναι ένα μεταλλικό συνθετικό στοιχείο, το 7ο της σειράς των ακτινιδών. Το άτομό του έχει δομή (στη θεμελιώδη κατάσταση): [Rn] 5f 11 7s. Πόσα μονήρη ηλεκτρόνια διαθέτει; Α) 1 Β) Γ) 3 Δ) 4 341

356 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές παραβιάζει τον κανόνα του Hund; Α) Β) Γ) Δ) [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Πόσα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο Τi στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν n = 3 και l = ; A) B) 8 Γ) 10 Δ) Τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου Χ, στη θεμελιώδη κατάσταση, καταλαμβάνουν 4 τροχιακά. Για το στοιχείο αυτό o Ζ είναι ίσος με Α) 4 Β) 6 Γ) 8 Δ) Θεωρήστε ένα άτομο 17 Cl στη θεμελιώδη του κατάσταση. Πόσα ηλεκτρόνια του ατόμου έχουν l = 0; Α) Β) 4 Γ) 6 Δ) Ποια από τις δομές που ακολουθούν δεν αντιστοιχεί στη θεμελιώδη κατάσταση ενός ατόμου; A) [ 18 Αr] 3d 10 4s 1 B) [ 18 Αr] 4s 1 Γ) [ 18 Αr] 3d 3 Δ) [ 18 Αr] 3d 10 4s 15.. i. Ποια από τις δομές που ακολουθούν αντιστοιχεί σε ουδέτερο άτομο σε διεγερμένη κατάσταση; A) [ 54 Xe] 4f 14 5d 10 6s 6p 3 B) [ He] s 1 Γ) [ 10 Ne] 3s 1 3p 1 Δ) [ 18 Ar] 3d 10 4s 1 ii. H ηλεκτρονιακή δομή που ακολουθεί αντιστοιχεί σε ένα άτομο 6 C. 1s s 1 p 3 H δομή αυτή: Α) Είναι αδύνατη λόγω του κανόνα του Hund Β) Είναι αδύνατη γιατί δεν υπακούει στην απαγορευτική αρχή του Pauli Γ) Αντιστοιχεί σε διεγερμένη κατάσταση καθώς δεν υπακούει στην αρχή της ελάχιστης ενέργειας Δ) Είναι αδύνατη γιατί δεν υπακούει στην αρχή της ελάχιστης ενέργειας i. H ηλεκτρονιακή δομή του 5 Μn + στη θεμελιώδη κατάσταση είναι Α) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 4 4s 1 Β) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 3 4s Γ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 Δ) 1s s p 6 3s 3p 5 3d 4 4s [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] ii. Στοιχείο Σ σχηματίζει το κατιόν Σ 3+ το οποίο διαθέτει 15 ηλεκτρόνια στη στοιβάδα Μ στη θεμελιώδη κατάσταση. Ποιος ο ατομικός αριθμός του στοιχείου; Α) 5 Β) 6 Γ) 7 Δ) Οι ηλεκτρονιακές δομές δύο ατόμων Χ και Υ είναι οι εξής: Χ: 1s s p 6 3s 1 και Υ: 1s s p 6 6p 1. Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστή; Α) Η μετάβαση από τη δομή Χ στην Υ απαιτεί απορρόφηση ενέργειας Β) Το ηλεκτρόνιο με τη μεγαλύτερη ενέργεια είναι στη δομή Χ Γ) Τα δύο άτομα Χ και Υ ανήκουν σε διαφορετικά στοιχεία Δ) Η δομή Υ δεν μπορεί να υπάρξει Τα άτομα Α, Β, Γ και Δ έχουν Ζ = 7, 9, 10 και 13, αντίστοιχα, στη θεμελιώδη κατάσταση. Ποιο από τα άτομα αυτά έχει περισσότερα μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια; Α) Το Α Β) Το Β Γ) Το Γ Δ) Το Δ Ποιο από τα παρακάτω ιόντα έχει τα περισσότερα μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια; A) Το 8 Ni + B) Το 9 Cu + Γ) Το 30 Zn + Δ) Το 3Ge Ποιο από τα παρακάτω σύνολα κβαντικών αριθμών περιγράφει ένα ηλεκτρόνιο της στιβάδας σθένους στο άτομο του 31 Ga στη θεμελιώδη του κατάσταση; A) n = 4, l = 0, m l = 0, m s = 1/ B) n = 3, l =, m l = 0, m s = +1/ Γ) n = 3, l =, m l = 1, m s = 1/ Δ) n = 1, l = 0, m l = 0, m s = 1/ Οι κβαντικοί αριθμοί πέντε ηλεκτρονίων I, II, III, ΙV και V που ανήκουν στο ίδιο άτομο Α είναι: Ι: (4, 0, 0, +1/), ΙΙ: (3,, 1, +1/) ΙΙΙ: (3,, 0, +1/), ΙV: (3, 1, 1, 1/) Για τις ενέργειες των ηλεκτρονίων αυτών ισχύει: Α) Ε Ι < Ε ΙΙ = Ε ΙΙΙ < Ε ΙV Β) Ε Ι > Ε ΙΙ = Ε ΙΙΙ = Ε ΙV Γ) Ε ΙΙ > Ε Ι > Ε ΙΙΙ = Ε ΙV Δ) Ε Ι > Ε ΙΙ = Ε ΙΙΙ > Ε ΙV i. Η ηλεκτρονιακή δομή για το ιόν 9 Cu + στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: Α) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 9 4s Β) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 8 4s Γ) [ 18 Αr] 3d 10 Δ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 9 ii. Η ηλεκτρονιακή δομή για το ιόν 4 Cr 3+ στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: A) [Ar] 3d 1 4s B) [Ar] 3d 3 Γ) [Ar] 3d 4s 1 Δ) [Ar] 3d Ο μέγιστος αριθμός ασύζευκτων ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 4f είναι: Α) 3 Β) 5 Γ) 7 Δ) Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή όχι. Nα αιτιολογήσετε τις απαντήσεις στις περιπτώσεις των λανθασμένων προτάσεων. 34

357 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ Α) Το άτομο του 8 O έχει άθροισμα κβαντικών αριθμών spin ίσο με Β) Στο άτομο του 7 Ν περιέχονται στη θεμελιώδη του κατάσταση τρία ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Γ) Για τις ενέργειες των υποστιβάδων 3s και 3p στο άτομο 19Κ, ισχύει: Ε 3s < E 3p. Δ) Σύμφωνα με τον κανόνα του Hund, τρία ηλεκτρόνια τοποθετούνται π.χ. σε p τροχιακά έτσι ώστε το άθροισμα των m s να είναι μέγιστο. Ε) Ο μικρότερος ατομικός αριθμός Ζ στοιχείου με πλήρη d υποστιβάδα αντιστοιχεί στο στοιχείο με Ζ = 30. ΣΤ) Σε κάθε υποστιβάδα αντιστοιχούν το πολύ (l +1) ηλεκτρόνια (όπου l ο αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός). Ζ) Το στοιχείο Χ με δύο μονήρη ηλεκτρόνια στην 3d υποστιβάδα στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει ατομικό αριθμός Ζ =. Η) Το άτομο 5 Μn και το ιόν 7 Co + έχουν στη θεμελιώδη τους κατάσταση την ίδια ηλεκτρονιακή δομή Να διατάξετε τις υποστιβάδες 6s, 3d, 4p κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας, σύμφωνα με τη σειρά πλήρωσης. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας με βάση τον κανόνα (n + l) Να συμπληρωθούν οι προτάσεις: α) Ο αριθμός των υποστιβάδων στη στιβάδα με n = 3 είναι.. β) Ο αριθμός των τροχιακών στην υποστιβάδα με l = είναι γ) Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 4f είναι δ) Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε υποστιβάδα p είναι ε) Η υποστιβάδα που χωράει 10 το πολύ ηλεκτρόνια είναι η. στ) Η υποστιβάδα που χωράει το πολύ ηλεκτρόνια είναι του τύπου. ζ) Η στιβάδα που χωράει μέχρι και 18 ηλεκτρόνια είναι η Να συμπληρώσετε τη η στήλη του πίνακα που α- κολουθεί με έναν από τους αριθμούς, 4, 6, 8, 10, 14, που εκφράζει το μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων που μπορεί να περιέχονται στην αντίστοιχη στιβάδα, υποστιβάδα, ατομικό τροχιακό ή άτομο. στιβάδα L υποστιβάδα p τροχιακό s υποστιβάδα f άτομο με δύο στιβάδες άτομο με δύο υποστιβάδες Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων πολυηλεκτρονιακού ατόμου με κβαντικούς αριθμούς: i) n = 3 και l = είναι ίσος με α. ii) n = και l = είναι ίσος με β. iii) n = 4 και l = 1 είναι ίσος με γ. iv) n = 1 και m l = 0 είναι ίσος με δ. v) n = και m s = +1/ είναι ίσος με ε. vi) n = 3, m l = και m s = 1/ είναι ίσος με ζ. Να διατάξετε τους αριθμούς α, β, γ, δ, ε και ζ κατ αύξουσα σειρά Δίνονται τα στοιχεία Σ 1 (Ζ = 0), Σ (Ζ = 11), Σ 3 (Ζ = 15), Σ 4 (Ζ = 31), Σ 5 (Ζ = 17), Σ 6 (Ζ = 8). Να διατάξετε τα στοιχεία κατά σειρά αυξανόμενου αριθμού ηλεκτρονίων των ατόμων στην εξωτερική τους στιβάδα Για το άτομο του 7 Co στη θεμελιώδη του κατάσταση να συμπληρώσετε με ηλεκτρόνια το διάγραμμα των υποστιβάδων που ακολουθεί και στη συνέχεια να απαντήσετε στις ερωτήσεις. Ε α) Ποιος ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων i. με n = 3 και l = 1 και ii. με l = 0; β) Ποιο το άθροισμα των κβαντικών αριθμών spin; Τα άτομα των στοιχείων Α, Β, Γ και Δ διαθέτουν, 3, και 1 μονήρη ηλεκτρόνια, αντίστοιχα, στην ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση. α) Να εξετάσετε αν τα στοιχεία αυτά μπορούν να έχουν διαδοχικούς ατομικούς αριθμούς, Ζ, Ζ+1, Ζ+ και Ζ+3, αντίστοιχα. β) Αν Ζ 18 να προσδιορίσετε τις δυνατές τιμές του ατομικού αριθμού Ζ του στοιχείου Α Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο 4 ηλεκτρόνια της θεμελιώδους κατάστασης διαθέτουν ένα από τα παρακάτω σύνολα κβαντικών αριθμών. Σε ποια υποστιβάδα ανήκει καθένα ηλεκτρόνιο; Ποιο σύνολο κβαντικών αριθμών είναι αδύνατο; n l ml ms / / / / Να περιγραφούν με βάση τους 4 κβαντικούς αριθμούς: α) τα δύο ηλεκτρόνια του ατόμου He και β) το 11ο ηλεκτρόνιο του 11 Νa, στη θεμελιώδη τους κατάσταση. 343

358 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ποιος ο μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονίων (σε ένα άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση), τα οποία να διαθέτουν: α) n = 4, l =. β) n = 5, l = 3, m l = 1. γ) n = 3, l = Έστω οι δομές Ι - ΙV που ακολουθούν. Ι. 1s s p 4 3s 1 ΙΙ. 1s s p 6 3s 3p 6 4s 4p 1 ΙΙΙ. 1s s p 3 ΙV. 1s s p 7 Ποιες από τις δομές αντιστοιχούν σε άτομα που είναι σε διεγερμένη κατάσταση (Δ), ποιες σε θεμελιώδη (Θ) και ποιες είναι αδύνατες (Α); Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Δ Θ Α Α) II I και IV III Β) I και III IV II Γ) II και IV III I Δ) I και II III IV α) Πόσα d ηλεκτρόνια, πόσα ηλεκτρόνια με l = 1 και πόσα μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια υπάρχουν στη θεμελιώδη κατάσταση των ατόμων με: i. Ζ = 15, ii. Ζ = 6 και iii. Ζ = 3; β) Πόσα d ηλεκτρόνια διαθέτει το άτομο του 77 Ιr (στη θεμελιώδη του κατάσταση); Άτομο του 33 As είναι στη θεμελιώδη κατάσταση. α) Να γράψετε την ηλεκτρονιακή του δομή, στην οποία να εμφανίζεται και ο κανόνας του Hund. β) Nα προσδιορίσετε τον αριθμό των συμπληρωμένων και ημισυμπληρωμένων τροχιακών που περιέχονται στο άτομο αυτό. γ) Το άτομο ενός άλλου στοιχείου διαθέτει στη θεμελιώδη του κατάσταση τον ίδιο αριθμό ημισυμπληρωμένων τροχιακών στη στιβάδα Μ με το 33 As. Ποιοι οι δυνατοί ατομικοί του αριθμοί; Τα άτομα των στοιχείων A, Β, Γ, Δ και Ε έχουν στη θεμελιώδη κατάσταση, αντίστοιχα, 13, 5,, 6 και 14 ηλεκτρόνια με n = 3. Ποιοι οι ατομικοί τους αριθμοί; Να προσδιοριστούν οι δυνατοί ατομικοί αριθμοί στοιχείου Σ, το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτει δύο μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια, i. στη στιβάδα L, ii. στη στιβάδα Μ Με τη χρήση της ηλεκτρονιακής δομής του προηγούμενου ευγενούς αερίου ( 36 Kr), να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του 47 Αg στη θεμελιώδη του κατάσταση και να εξηγήσετε το είδος της απόκλισης που παρουσιάζει από τις αρχές της ηλεκτρονιακής δόμησης. Να γράψετε επίσης την ηλεκτρονιακή δομή του ιόντος Ag + στη θεμελιώδη του κατάσταση Άτομο του 36 Kr είναι στη θεμελιώδη κατάσταση. α) Πόσα ηλεκτρόνια του ατόμου έχουν m l = 1; β) Πόσα ηλεκτρόνια έχουν l = 1; Δίνονται τα εξής πέντε σύνολα κβαντικών αριθμών: Ι: (5, 0, 0, +1/) ΙΙ: (4, 0, 0, +1/) ΙΙΙ: (3,, 1, +1/) ΙV: (3,,, 1/) V: (3, 1, 1, 1/) α) Να ταξινομηθούν τα σύνολα αυτά κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας με τη θεώρηση ότι ανήκουν σε πέντε διαφορετικά ηλεκτρόνια ενός ατόμου του 38 Sr. β) Να ταξινομηθούν τα σύνολα αυτά κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας με τη θεώρηση ότι ανήκουν σε πέντε διαφορετικές καταστάσεις του ηλεκτρονίου του ατόμου του 1Η Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή των ιόντων: 0 Ca +, 1Sc 3+, 9 Cu +, 9 Cu + ; Ποια από τα ιόντα αυτά διαθέτουν οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερική τους στιβάδα; Οι ηλεκτρονιακές δομές, που ακολουθούν μπορεί να αντιστοιχούν σε άτομα ή ιόντα (σε παρένθεση οι ατομικοί αριθμοί του αντίστοιχου ατόμου): α) 1s p 1 (Ζ = 3), β) 1s (Ζ = 1), γ) p 1 (Ζ = ), δ) 1s s p 3 (Ζ = 7), ε) 1s s p 6 (Ζ = 9), ζ) 1s s p 6 3s 3p 4 (Ζ = 16), η) 1s s p 1 d 1 (Ζ = 6), θ) 1s s 1 p 7 (Ζ = 9), ι) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 1 4s (Ζ = 1) κ) 1s s p 5 3s 1 (Ζ = 10). Σε κάθε περίπτωση αναφέρετε αν οι δομές αντιστοιχούν σε άτομο, σε ανιόν ή κατιόν και αν αντιστοιχούν σε θεμελιώδεις, διεγερμένες ή αδύνατες καταστάσεις Ποιοι είναι οι μικρότεροι δυνατοί ατομικοί αριθμοί των στοιχείων των οποίων το άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτει: α) Τρία d ηλεκτρόνια. β) Δέκα p ηλεκτρόνια. γ) Πλήρη d υποστιβάδα. δ) Τέσσερα s ηλεκτρόνια. ε) Δύο f ηλεκτρόνια Ένα στοιχείο παρουσιάζει την εξής κατανομή ηλεκτρονίων: Κ L 8 M 8 N. α) Πόσα ηλεκτρόνια διαθέτει σε s τροχιακά και πόσα σε p τροχιακά; β) Πόσα ηλεκτρόνια έχουν m l = 1; γ) Ποια η ηλεκτρονιακή δομή σε υποστιβάδες του ατόμου του στοιχείου με τον αμέσως μεγαλύτερο Ζ; α) Ποια η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του 6 Fe; β) Ποια η ηλεκτρονιακή δομή των κατιόντων Fe + και Fe 3+ ; γ) Ποιο από τα δύο αυτά ιόντα προβλέπετε να είναι σταθερότερο, οπότε θα σχηματίζει και τις σταθερότερες ενώσεις; Τα άτομα και τα ιόντα να θεωρηθούν στη θεμελιώδη τους κατάσταση.

359 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ Στο άτομο κάποιου στοιχείου Σ, στη θεμελιώδη του κατάσταση, διαπιστώθηκε ότι οι 3 πρώτοι κβαντικοί αριθμοί ενός ηλεκτρονίου του έχουν θετικές τιμές και ότι ο καθένας διαφέρει από τον προηγούμενό του κατά. α) Να προσδιορίσετε τις τιμές των τριών κβαντικών αριθμών αυτού του ηλεκτρονίου. β) Να εξετάσετε αν είναι δυνατό να υπάρχει στο ίδιο άτομο και δεύτερο ηλεκτρόνιο με αυτές τις τιμές των τριών πρώτων κβαντικών αριθμών Δίνονται τα άτομα των στοιχείων: 1 Η, 7 Ν, 16 S, 17 Cl, 19K, Ti, 3 V, 6 Fe, 8 Ni και 30 Zn στη θεμελιώδη τους κατάσταση. α) Ποια η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων των στοιχείων αυτών; β) Πόσα ασύζευκτα (μονήρη) ηλεκτρόνια διαθέτει το καθένα; γ) Ποια από τα στοιχεία αυτά διαθέτουν μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια και ποια όχι; δ) Ποιο το ολικό spin σε κάθε άτομο; Το άτομο ενός στοιχείου διαθέτει στη θεμελιώδη του κατάσταση 7 ηλεκτρόνια σε τροχιακά p, 30 σε τροχιακά d και 14 σε τροχιακά f. α) Ποιο το συνολικό του spin; β) Πόσα ηλεκτρόνια διαθέτει σε τροχιακά s; Ποιος ο ατομικός του αριθμός; γ) Πόσα ηλεκτρόνια διαθέτει συνολικά στη στιβάδα Ρ και πόσα στη στιβάδα Q; α) Να γράψετε όλες τις δυνατές τετράδες κβαντικών αριθμών για τα ηλεκτρόνια των στιβάδων L και Μ. β) Σε ένα άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση το άθροισμα και των 4 κβαντικών αριθμών όλων των ηλεκτρονίων του είναι ίσο με 6. Ποιος ο ατομικός αριθμός του στοιχείου; γ) Ποιο το άθροισμα και των 4 κβαντικών αριθμών όλων των ηλεκτρονίων του για το άτομο του 10 Νe στη θεμελιώδη του κατάσταση; Το άτομο Ι (Ζ = 63) έχει ηλεκτρονιακή δομή στη θεμελιώδη κατάσταση: [ 54 Xe] X 6s (σε αγκύλη το αμέσως προηγούμενο ευγενές αέριο και Χ η δομή μιας υποστιβάδας που λείπει). α) i. Ποια η δομή της υποστιβάδας Χ (συμβολισμός και ηλεκτρόνια που διαθέτει); ii. Ποιες από τις στιβάδες που χρησιμοποιεί το άτομο Ι είναι πλήρεις με ηλεκτρόνια; β) Πόσα ηλεκτρόνια του ατόμου Ι έχουν: i. n = 5 ii. l = 3 iii. l = iv. m l = 3 γ) Στις ηλεκτρονιακές δομές στη θεμελιώδη κατάσταση των ατόμων ΙΙ, ΙΙΙ, ΙV και V που ακολουθούν λείπουν επίσης μερικά στοιχεία, τα οποία επισημαίνονται με τα γράμματα Α, Β, Γ, Δ, Ε, Θ, Κ, Λ, Μ και Ν. ΙΙ: (Ζ = Α): [Β] Γ 3p 1 III: (Z = ): [Δ] 3s 3p 6 E 4s IV: (Z = Θ): [Κ] 6s V: (Z = 33): [Λ] Μ 4s N Τα στοιχεία Α και Θ αντιστοιχούν στους ατομικούς αριθμούς των ατόμων ΙΙ και ΙV, τα στοιχεία Β, Δ, Κ και Λ στα προηγούμενα ευγενή αέρια των ατόμων και τα στοιχεία Ε, Μ και Ν σε κάποιες υποστιβάδες. Να γράψετε τα στοιχεία αυτά. Δίνονται τα ευγενή αέρια: 10 Ne, 18 Ar, 36Κ r, 54 Χε (κάποια μπορεί και να μη χρειαστούν). δ) Ποιο από τα άτομα ΙΙ - V έχει τα περισσότερα μονήρη ηλεκτρόνια; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. 345

360 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Χημεία και τέρατα: «To πείραμα της γάτας (Schrodinger s cat)» Στις 7 Ιουνίου του 1935 ο μεγάλος Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger έγραψε ένα γράμμα στον Albert Einstein για να τον συγχαρεί για αυτό που είναι γνωστό σαν το EPR paper, ένα διάσημο πρόβλημα για την ερμηνεία την Κβαντομηχανικής. Λίγο αργότερα δημοσίευσε αυτό που έγινε ένα από τα πιο διάσημα παράδοξα της Κβαντικής θεωρίας. Ο μεγάλος Αυστριακός φυσικός προκειμένου να περιγράψει την αβέβαιη περιοχή της κβαντομηχανικής, διατύπωσε ένα υποθετικό πείραμα με μία γάτα κλεισμένη σ ένα κουτί, όπου υπάρχει μία ραδιενεργή πηγή. Αν ο μετρητής Geiger διαγνώσει έκλυση ραδιενέργειας ένα σφυρί θα κτυπήσει φιάλη με διάλυμα υδροκυανίου (HCN), σκοτώνοντας τη γάτα. Μέχρι, λοιπόν, να ανοίξουμε το κουτί δεν θα ξέρουμε αν η ραδιενεργή πηγή προκάλεσε την έκλυση του δηλητηρίου και άρα η γάτα είναι νεκρή- ή όχι -και άρα η γάτα ζει. Έτσι η γάτα θεωρείται ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Ηθικό δίδαγμα για τη κβαντομηχανική και όχι μόνο: Τα απειροελάχιστα σωματίδια υπάρχουν και δεν υπάρχουν ταυτόχρονα, δηλαδή υπάρχουν σε χώρο πιθανοτήτων και όχι στον πραγματικό χώρο! Το παράδοξο αυτό συνδέει την κβαντική θεωρία και την κλασσική. Πριν ο παρατηρητής ανοίξει το δοχείο, η μοίρα της γάτας είναι συνδεδεμένη με την κυματοσυνάρτηση πιθανότητας του ατόμου, το οποίο βρίσκεται μεταξύ διασπασμένης μορφής και αδιάσπαστης. Έτσι, λέει ο Schrödinger, και η γάτα βρίσκεται μεταξύ ζωής και θανάτου, μέχρις ότου ο παρατηρητής ανοίξει το δοχείο, οπότε η κυματοσυνάρτηση «καταρρέει». «Η πραγματικότητα αποκαλύπτεται, γίνεται δηλαδή «πραγματικότητα» τη στιγμή που θα την παρατηρήσουμε και όχι πριν...» Erwin Schrödinger Η επιτυχία του παραδόξου αυτού ήταν τρομακτική στον επιστημονικό -και όχι μόνο-κόσμο. Μία εταιρία παίρνει το όνομά της ακριβώς από το παράδοξο αυτό το ίδιο και ένα ποπ και ροκ συγκρότημα από τη Νέα Ζηλανδία! Που μάλιστα διαφημίζονται στο διαδίκτυο! Welcome to the official homepage of New Zealand's modern pop - rock band Schrödinger's Cat. 346

361 ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 15 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-18 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση. (3x18 = 54 μονάδες) 1. Ποια από τις παρακάτω υποστιβάδες έχει τη χαμηλότερη ενέργεια; Α) 1s Β) s Γ) p Δ) 3s [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ]. Από τις παρακάτω υποστιβάδες τη χαμηλότερη ενέργεια έχει η υποστιβάδα: Α) 3d Β) 3p Γ) 3s Δ) 4s [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 3. «Είναι αδύνατο να υπάρχουν στο ίδιο άτομο δύο ηλεκτρόνια με ίδια τετράδα κβαντικών αριθμών (n, l, m l, m s )». Η αρχή αυτή διατυπώθηκε από τον A) Planck B) Pauli Γ) De Broglie Δ) Hund [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 4. Τα ατομικά τροχιακά s και p x του 7 Ν: Α) έχουν το ίδιο σχήμα Β) έχουν την ίδια ενέργεια Γ) έχουν τον ίδιο προσανατολισμό στο χώρο Δ) διαφέρουν σε όλα τα παραπάνω [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 5. Ποιο είναι το πλήθος των p ατομικών τροχιακών του ατόμου 15 P που περιέχουν e στη θεμελιώδη κατάσταση; Α) Β) 5 Γ) 6 Δ) 9 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] 6. Ποια υποστιβάδα συμπληρώνεται αμέσως πριν την 4f, σύμφωνα με τη σειρά πλήρωσης; A) 6s B) 5p Γ) 5d Δ) 4d 7. Ο ατομικός αριθμός (Ζ) ενός ατόμου με 7 ηλεκτρόνια σε τροχιακά s, στη θεμελιώδη κατάσταση, είναι ίσος με: Α) 13 Β) 19 Γ) 19 ή 4 ή 9 Δ) 1 8. Στο ιόν 6 Fe + ο αριθμός των ηλεκτρονίων στην υποστιβάδα 3d και στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: A) B) 3 Γ) 5 Δ) 6 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 9. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές αντιστοιχεί σε διεγερμένη κατάσταση; Α) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 1 Β) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s 1 Γ) 1s s 1 p 6 Δ) 1s 1 s 1 p Σε ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές παραβιάζονται η αρχή του Pauli και ο κανόνας του Hund; Α) Β) Γ) Δ) [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 11. Ποια από τις παρακάτω τετράδες κβαντικών αριθμών (n, l, m l, m s ) αντιστοιχεί στο ηλεκτρόνιο σθένους του ατόμου 3 Li στη θεμελιώδη κατάσταση; Α) (, 1, 0, +1/) Β) (, 0, 0, +1/) Γ) (, 1, 1, +1/) Δ) (1, 0, 0, 1/) [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 1. Σε ποιο από τα παρακάτω άτομα ή ιόντα αντιστοιχεί η ηλεκτρονιακή δομή: 1s s p 6 ; A) 8 Ο B) 11 Νa Γ) 8 Ο Δ) 10 Νe + [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 13. Πόσα μονήρη ηλεκτρόνια διαθέτει στη θεμελιώδη κατάσταση το ιόν 8 Ni + ; Α) 0 Β) Γ) 4 Δ) Στη θεμελιώδη κατάσταση όλα τα ηλεκτρόνια σθένους ενός στοιχείου ανήκουν στην υποστιβάδα 3s. Το στοιχείο αυτό μπορεί να έχει ατομικό αριθμό ίσο με: Α) 8 Β) 10 Γ) 1 Δ) 13 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 15. Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων με κβαντικούς αριθμούς n = και m l = 0 είναι: Α) οκτώ Β) τέσσερα Γ) δύο Δ) ένα [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 16. Σε ένα πολυηλεκτρονιακό άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση, πόσα ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν l = και n 4; Α) μέχρι Β) μέχρι 4 Γ) μέχρι 10 Δ) μέχρι Πόσα ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη κατάσταση του στοιχείου 18 Ar έχουν μαγνητικό κβαντικό αριθμό m l = 1; Α) 6 Β) 8 Γ) 4 Δ) 18. Ποιο από τα παρακάτω ατομικά τροχιακά ενός πολυηλεκτρονιακού ατόμου στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια; (οι αριθμοί στην παρένθεση αντιστοιχούν στους τρεις πρώτους κβαντικούς αριθμούς). Α) (3, 1, 0) Β) (3,, 0) Γ) (3, 0, 1) Δ) (4, 0, 0) [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 19. Να γραφούν οι τετράδες κβαντικών αριθμών για τα ηλεκτρόνια της υποστιβάδας με τη μεγαλύτερη ενέργεια για το άτομο του φωσφόρου (Ζ = 15). (6 μονάδες) 347

362 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 0. Δίνεται ότι το στοιχείο Mo (μολυβδαίνιο έχει ατομικό αριθμό Ζ = 4. Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή στη θεμελιώδη κατάσταση του ατόμου του καθώς και του ιόντος Μο 3+ ; ( μονάδες) 1. Η ηλεκτρονιακή δομή που ακολουθεί είναι αδύνατη. Να εξηγήσετε το λόγο και να διατυπώσετε τον κανόνα ή την αρχή της ηλεκτρονιακής δόμησης που παραβιάζει. (5 μονάδες). Να εξετάστε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές ή όχι. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας στις περιπτώσεις των λανθασμένων προτάσεων. (15 μονάδες) Α) Στα πολυηλεκτρονιακά άτομα οι ενεργειακές στάθμες των υποστιβάδων της ίδιας στιβάδας ταυτίζονται. Β) Η ηλεκτρονιακή δομή για το ιόν 9 Cu + στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 9 4s 1. Γ) Αν το στοιχείο Σ σχηματίζει το κατιόν Σ 3+ το οποίο διαθέτει 15 ηλεκτρόνια στη στοιβάδα Μ στη θεμελιώδη κατάσταση, ο ατομικός αριθμός του Σ θα είναι ίσος με 8. Δ) Σ ένα πολυηλεκτρονικό άτομο, πλην των ελκτικών δυνάμεων πυρήνα - ηλεκτρονίου (που καθορίζονται από τον κύριο κβαντικό αριθμό), ασκούνται απώσεις ηλεκτρονίου - ηλεκτρονίου (που καθορίζονται από το δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό). Ε) Ο μέγιστος κύριος κβαντικός αριθμός τροχιακού που περιέχει ηλεκτρόνια στο ιόν του 6 Fe + είναι 4. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] ΣΤ) Το ιόν 7 Co + και το άτομο του 5 Μn, στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν την ίδια ηλεκτρονιακή δομή. 3. Δίνεται το διπλανό διάγραμμα της ηλεκτρονιακής δόμησης του ατόμου ενός στοιχείου στη θεμελιώδη του κατάσταση: Με βάση το διάγραμμα αυτό: α) Ποιος ο ατομικός αριθμός Ζ του στοιχείου; β) Ποιος ο συμβολισμός και ποια η σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων; Α Δ Β. Ε γ) Ποιο το συνολικό spin του ατόμου; δ) Τι ετικέτες (ονομασίες) θα δίνατε στις γραμμές με τα γράμματα Α, Β, Γ, Δ, Ε και Ζ, αν διαθέτατε μόνο τις εξής: τροχιακό χαμηλότερης ενέργειας, p τροχιακό, κενή υποστιβάδα, υποστιβάδα p, ηλεκτρόνιο με l = 3, ηλεκτρόνιο με m l = 3, μονήρες ηλεκτρόνιο, συμπληρωμένη στιβάδα, d υποστιβάδα, f υποστιβάδα, τροχιακό με n = 4. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε κάθε ετικέτα μόνο μία φορά, ενώ μερικές από τις ετικέτες είναι λανθασμένες ή δεν θα χρησιμοποιηθούν). Ζ Γ (18 μονάδες) 348

363 16 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Ανάλυση του σύγχρονου Περιοδικού Πίνακα (Π.Π.) Το 19o αιώνα ο Ρώσος χημικός Dimitri Mendeleev ανακάλυψε ότι οι ιδιότητες των στοιχείων μεταβάλλονται περιοδικά με βάση το ατομικό τους βάρος (σχετική ατομική μάζα). Αργότερα, ο Moseley τροποποίησε το νόμο της περιοδικότητας, που διατυπώνεται πλέον ως εξής: «Η χημική συμπεριφορά των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού τους αριθμού (Ζ)». Με βάση την κατασκευή του περιοδικού πίνακα (Π.Π.) στοιχεία που εμφανίζουν παρόμοιες ιδιότητες τοποθετούνται σε κάθετες στήλες, τις ομάδες. Από τις πιο γνωστές ο- μάδες του Π.Π. ξεχωρίζουμε την 1η (ή ΙΑ, αλκάλια), τη η (ή ΙΙΑ, αλκαλικές γαίες), την 17η (ή VIIA, αλογόνα) και την 18η (ή VIIIA, ευγενή αέρια). Οι οριζόντιες σειρές του Π.Π. ονομάζονται περίοδοι. Η 1η περίοδος περιλαμβάνει δύο μόνο στοιχεία (το 1 Η και το He), η η και η 3η περίοδος από 8 στοιχεία, η 4η και η 5η από 18 στοιχεία, ενώ η 6η από 3 στοιχεία. Η 7η και τελευταία περίοδος περιλαμβάνει μέχρι και το στοιχείο με Ζ = 118 (μερικά από αυτά έχει πρόσφατα ανακοινωθεί η ανακάλυψή τους, ενώ άλλα δεν είναι ακόμη γνωστά). Η αρίθμηση των ομάδων που περιοδικού πίνακα από 1-18 είναι η νέα αρίθμηση της IUPAC. Σύμφωνα με την κλασσική αρίθμηση οι ομάδες κατατάσσονται στις κύριες ομάδες (ΙΑ VIIIA) και στις δευτερεύουσες (ΙΒ VIIIB). Η σειρά των στοιχείων με Ζ = (μετά το 57 La, λανθάνιο) έχουν παρόμοιες ιδιότητες με το La και για το λόγο αυτό δεν τοποθετούνται στο κύριο πίνακα, αλλά κάτω από αυτόν σε παράρτημα. Τα στοιχεία αυτά ονομάζονται λανθανίδες ή σπάνιες γαίες. Κατ αναλογία, η σειρά των στοιχείων με Ζ = αναφέρονται ως ακτινίδες, έχουν παρόμοιες ιδιότητες με το 89 Ac και για το λόγο αυτό τοποθετούνται σε μια σειρά κάτω από τις λανθανίδες. Οι λανθανίδες και οι ακτινίδες ονομάζονται μαζί εσωμεταβατικά στοιχεία. Τα στοιχεία που περιλαμβάνονται στις ομάδες από 3-1 (ΙΙΙΒ-VIIIB, IB, IIB) ονομάζονται στοιχεία μετάπτωσης ή μεταβατικά στοιχεία. Οι ομάδες που περιλαμβάνουν τα στοιχεία μετάπτωσης αναφέρονται και ως δευτερεύουσες ομάδες, ενώ οι ομάδες 1η (ΙΑ), η (ΙΙΑ) και 13-18η (ΙΙΙΑ - VIIIA) αναφέρονται ως κύριες ομάδες. To διάγραμμα που ακολουθεί αναπαριστάνει τον περιοδικό πίνακα με όλα τα στοιχεία με Ζ = 1-1, καθώς και διάφορα άλλα χαρακτηριστικά στοιχεία. 349

364 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Η 3Li 4Be Στοιχεία μετάπτωσης 13 5B 14 6C 15 7N 16 8O 17 9F He 10Ne 11Na 1Mg Al 14 Si 15P 16S 17Cl 18Ar 19K 0Ca 1Sc 30Ζn La 89Ac 58 Λανθανίδες Ακτινίδες 103. Ηλεκτρονιακές δομές και Π.Π. Όλα τα στοιχεία της ίδιας ομάδας του Π.Π. έχουν την ίδια δομή στην εξωτερική στιβάδα και αυτό εξηγεί γιατί τα στοιχεία της ίδιας ομάδας έχουν παρόμοιες ιδιότητες (οι ιδιότητες των στοιχείων εκδηλώνονται μέσω κυρίως των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας, που λέγεται και στιβάδα σθένους). Η μόνη διαφορά είναι ότι οι εξωτερικές στιβάδες αντιστοιχούν σε όλο και μεγαλύτερες τιμές του κύριου κβαντικού αριθμού n. Aς δούμε για παράδειγμα τις ηλεκτρονιακές δομές της ης (ΙΙΑ) και της 13ης (ΙΙΙΑ) του Π.Π.: η (ΙΙΑ) ομάδα 4Be: [ He] s 1Mg: [ 10 Ne] 3s 0Ca: [ 18 Ar] 4s 38Sr: [ 36 Kr] 5s 56Ba: [ 54 Xe] 6s 88Ra: [ 86 Rn] 7s 13η (ΙΙΙΑ) ομάδα 5B: [ He] s p 1 13Al: [ 10 Ne] 3s 3p 1 31Ga: [ 18 Ar] 3d 10 4s 4p 1 49In: [ 36 Kr] 4d 10 5s 5p 1 81Tl: [ 54 Xe] 4f 14 5d 10 6s 6p 1 Για τις κύριες ομάδες του Π.Π. (ομάδες 1- και 13-18), τα ηλεκτρόνια σθένους είναι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας, δηλαδή το άθροισμα των ηλεκτρονίων στις υποστιβάδες με το μεγαλύτερο n. Κάθε περίοδος αρχίζει με μια νέα στιβάδα, της οποίας ο κύριος κβαντικός αριθμός της είναι ίσος με τον αριθμό της περιόδου. Π.χ. το 18 Ar είναι το τελευταίο στοιχείο της 3ης περιόδου με δομή: 1s s p 6 3s 3p 6. Το επόμενο στοιχείο ανήκει στην 4η περίοδο και είναι το 19 Κ: 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1. Παρατηρούμε ότι το 19ο ηλεκτρόνιο εισέρχεται στη στιβάδα Ν (n = 4). Γενικά, προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Ο αριθμός των στιβάδων που έχουν χρησιμοποιηθεί στην ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου ενός στοιχείου καθορίζει τον αριθμό της περιόδου στην οποία ανήκει το στοιχείο. Πρακτικά, η περίοδος προκύπτει από το μεγαλύτερο κύριο κβαντικό αριθμό της ηλεκτρονιακής δομής. Έτσι π.χ., το 88 Ra με δομή [ 86 Rn] 7s ανήκει στην 7η περίοδο, ενώ το 49 In με δομή [ 36 Kr] 4d 10 5s 5p 1 ανήκει στην 5η περίοδο. Σύμφωνα με την κλασσική αρίθμηση και μόνο για τις κύριες ομάδες του Π.Π., ο αριθμός των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας (ηλεκτρόνια σθένους) καθορίζει τον αριθμό της ομάδας που ανήκει το στοιχείο. 350

365 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Π.χ. ο 15 Ρ με δομή 1s s p 6 3s 3p 3 διαθέτει 5 e στην εξωτερική στιβάδα και επομένως ανήκει στην VΑ ή 15η ομάδα (και στην 3η περίοδο). 3. Οι τομείς του περιοδικού πίνακα Τομέας του περιοδικού πίνακα είναι ένα σύνολο στοιχείων των οποίων τα άτομα έχουν τα τελευταία τους ηλεκτρόνια (με τη μέγιστη ενέργεια, σύμφωνα με την αρχή ηλεκτρονιακής δόμησης) στον ίδιο τύπο υποστιβάδας π.χ. s, p, d ή f. Ο s-τομέας του Π.Π. Οι ομάδες 1 και συνιστούν τον s-τομέα του Π.Π., γιατί σε αυτόν συμπληρώνεται μια υποστιβάδα τύπου s (η 1s στην 1η περίοδο, η s στη η περίοδο, η 3s στην 3η περίοδο κτλ.). Π.χ. το 38 Sr: [ 36 Κr] 5s, ανήκει στην 5η περίοδο του Π.Π. και στη η ομάδα. Mε εξαίρεση το 1 Η και το Ηe, οι ηλεκτρονιακές δομές των στοιχείων του τομέα s γράφονται συνοπτικά ως εξής: [ευγενές αέριο] ns 1 {για την 1η ομάδα} [ευγενές αέριο] ns {για την η ομάδα} [n ο αριθμός της περιόδου] Η ερώτηση της ημέρας: Ποια είναι η ηλεκτρονιακή δομή του ου αλογόνου, στη θεμελιώδη κατάσταση; Το Ηe (1s ) ανήκει στα ευγενή αέρια (18η ή VIIIA ομάδα του Π.Π.), δε θεωρείται όμως ότι ανήκει στον p τομέα, καθόσον δε διαθέτει p ηλεκτρόνια. Κατά σύμβαση ανήκει στον s τομέα, αν και δεν έχει ιδιότητες ανάλογες με τα στοιχεία του τομέα αυτού. Ο p-τομέας του Π.Π. Γενικά, ο p-τομέας του Π.Π. περιλαμβάνει τις ομάδες 13-18η (ΙΙΙΑ-VIIIA). Κατά μήκος του τομέα p μιας συγκεκριμένης περιόδου του Π.Π. (π.χ της 3ης περιόδου) συμπληρώνεται η υποστιβάδα np, μέχρις ότου να φθάσουμε στη δομή ns np 6, που αντιστοιχεί σε ευγενές αέριο (Προσοχή! Το He έχει δομή 1s ). Π.χ. το 13 Al: 1s s p 6 3s 3p 1 ανήκει στην 13η (ΙΙΙΑ) ομάδα του Π.Π., ενώ το 18 Ar: 1s s p 6 3s 3p 6 στην 18η (VIIIA) ομάδα (και τα δύο ανήκουν στην 3η περίοδο). Μπορούμε, επομένως, να προβλέψουμε τη δομή ενός στοιχείου του τομέα p, με βάση τη θέση του στον Π.Π. και χωρίς να χρησιμοποιήσουμε τη σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων; Ας δούμε σαν παράδειγμα το στοιχείο 15 P, που ανήκει στην 3η περίοδο και στην 15η ομάδα. Με βάση τον Π.Π. βλέπουμε ότι ανήκει στον p-τομέα. Πιο συγκεκριμένα είναι p 3 στοιχείο. Καθώς το προηγούμενο ευγενές αέριο είναι το 10 Νe, η ηλεκτρονιακή του δομή θα είναι, 15 P: [ 10 Ne] 3s 3p 3. Συνοπτικά, οι δομές των υποστιβάδων, που αποτελούν τη λεγόμενη στιβάδα σθένους του τομέα p του Π.Π. είναι: ns np x (n ο αριθμός της περιόδου, x = 1-6). Είναι προφανές, ότι οι ομάδες που περιλαμβάνει ο p-τομέας του Π.Π. είναι 6, αφού οι υποστιβάδες τύπου p διαθέτουν 6 συνολικά ηλεκτρόνια. Γενικότερα, στον τομέα d και κατά μήκος μιας συγκεκριμένης περιόδου συμπληρώνονται διαδοχικά με ηλεκτρόνια η υποστιβάδα (n 1)d. Ο d-τομέας του Π.Π. O d-τομέας περιλαμβάνει τις ομάδες 3-1 (IIIB-VIIIB, IB, IIB, δηλαδή όλες τις δευτερεύουσες ομάδες). Πρόκειται για 10 συνολικά ομάδες στο κέντρο του πίνακα, που α- ντιστοιχούν στα στοιχεία μετάπτωσης. Έστω, π.χ. το 1 Sc και το 30 Zn, που ανήκουν στην 4η περίοδο και είναι στα δύο άκρα του τομέα d. Oι ηλεκτρονιακές τους δομές είναι οι εξής: 1Sc: [ 18 Ar] 3d 1 4s και 30 Zn: [ 18 Ar] 3d 10 4s 351

366 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Έτσι, στον τομέα d κατά μήκος της 4ης περιόδου συμπληρώνεται η 3d υποστιβάδα με 10 (φυσικά!) ηλεκτρόνια. Γενικά, και παρά τις όποιες εξαιρέσεις, οι ηλεκτρονιακές δομές των στοιχείων του d τομέα έχουν τη μορφή: [ευγενές αέριο] (n 1)d x ns (n ο αριθμός της περιόδου, x = 1-10) To ευγενές αέριο που αναφέρεται είναι το αμέσως προηγούμενο της συγκεκριμένης σειράς των στοιχείων μετάπτωσης. Ο f-τομέας του Π.Π. Ας πάμε, τώρα, στον τελευταίο τομέα του Π.Π., τον f-τομέα. Ονομάζεται έτσι γιατί στα στοιχεία αυτά συμπληρώνονται διαδοχικά, με κάποιες εξαιρέσεις, οι (n-)f υποστιβάδες, όπου n ο αριθμός της περιόδου. Π.χ. των στοιχείων 61 Pm και 70 Yb, που ανήκουν στις λανθανίδες. Oι ηλεκτρονιακές τους δομές είναι οι εξής: 61Pm: [ 54 Xe] 4f 5 6s 70Yb: [ 54 Xe] 4f 14 6s Οι ηλεκτρονιακές δομές των στοιχείων του f-τομέα (λανθανίδες και ακτινίδες ή εσωμεταβατικά στοιχεία) θα μπορούσαν, με μερικές εξαιρέσεις, να γραφούν με τη γενική μορφή: [ευγενές αέριο] (n )f x ns (n ο αριθμός της περιόδου, x = 1-14). Για τις λανθανίδες το προηγούμενο ευγενές αέριο είναι το 54 Xe, ενώ για τις ακτινίδες το 86 Rn. Συνοπτικά οι τομείς του περιοδικού πίνακα φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί: 4. Σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων στον Π.Π. Θα δούμε τώρα πως ο Π.Π. είναι ένα αρμονικό πορτρέτο της σειράς πλήρωσης των υποστιβάδων. Η 1η περίοδος του Π.Π. περιλαμβάνει δύο στοιχεία (το 1 Η και τo He) και σε αυτήν συμπληρώνεται η υποστιβάδα 1s. Η η περίοδος διαθέτει στοιχεία στον τομέα s και στον τομέα p και σε αυτήν συμπληρώνεται διαδοχικά η υποστιβάδα s και p. Στην 3η περίοδο συμπληρώνονται διαδοχικά οι υποστιβάδες 3s και 3p. Η 4η περίοδος περιλαμβάνει και 10 στοιχεία του d τομέα και σε αυτήν συμπληρώνονται οι υποστιβάδες 4s, 3d και 4p. Αντίστοιχα, στην 5η περίοδο συμπληρώνονται οι 5s, 4d και 5p. Στην 6η περίοδο συμπληρώνονται κατά σειρά οι 6s, 4f (λανθανίδες) 5d και 6p. Τέλος, στην 7η περίοδο συμπληρώνονται κατά σειρά οι 7s, 5f (ακτινίδες) 6d και 7p. Είδαμε ήδη πως με βάση την ηλεκτρονιακή δομή ενός στοιχείου μπορούμε να προβλέψουμε τη θέση του στον Π.Π. (τομέα, περίοδο και ομάδα), αλλά και το αντίστροφο: η θέση ενός στοιχείου είναι ενδεικτική της ηλεκτρονιακής του δομής και άρα και των ιδιοτήτων του, φυσικών και χημικών. 35

367 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Η 1η περίοδος περιλαμβάνει δύο μόνο στοιχεία καθώς σε αυτή συμπληρώνεται αποκλειστικά η υποστιβάδα 1s. Η η και η 3η περίοδος περιλαμβάνουν από + 6 = 8 στοιχεία καθώς σε αυτές συμπληρώνονται διαδοχικά οι υποστιβάδες s, p και 3s, 3p, αντίστοιχα. Η 4η και η 5η περίοδος περιλαμβάνουν από = 18 στοιχεία καθώς σε αυτές συμπληρώνονται διαδοχικά οι υποστιβάδες 4s, 3d, 4p και 5s, 4d, 5p, α- ντίστοιχα. Tέλος, η 6η περίοδος (αλλά και η 7η με τη συμπλήρωσή της) περιλαμβάνει = 3 στοιχεία καθώς σε αυτή συμπληρώνονται διαδοχικά οι υποστιβάδες 6s, 4f (λανθανίδες), 5d, 6p. Συνοπτικά, η σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων στον Π.Π. φαίνεται στο διάγραμμα που ακολουθεί: 1s s 3s 4s 5s 6s 7s 3d 4d 5d 6d p 3p 4p 5p 6p 7p 1s 4f 5f 5. Οι χημικές ιδιότητες των στοιχείων με βάση τον Π.Π. Τα στοιχεία μετάπτωσης είναι όλα μέταλλα, όπως και όλα του s και του f τομέα. Τα στοιχεία του p τομέα είναι αμέταλλα (πάνω δεξιό άκρο) μέταλλα (κάτω αριστερό ά- κρο) ή μεταλλοειδή (στη διαχωριστική διαγώνιο). Τα άτομα των στοιχείων των τριών πρώτων κύριων ομάδων του Π.Π., της 1ης (ΙΑ), της ης (ΙΙΑ) και της 13ης (ΙΙΙΑ) έχουν γενικά την τάση όταν σχηματίζουν ενώσεις να αποβάλλουν ηλεκτρόνια, αντίστοιχα 1,, 3). Με τον τρόπο αυτό μετατρέπονται σε σταθερά ιόντα με δομή ευγενούς αερίου. Για το λόγο αυτό τα στοιχεία αυτά χαρακτηρίζονται ως ηλεκτροθετικά στοιχεία και παρουσιάζουν μικρή ηλεκτραρνητικότητα. Τα άτομα των στοιχείων της 14ης (IVA) και της 15ης VA) ομάδας του Π.Π., όταν σχηματίζουν ενώσεις έχουν την τάση να διαμοιράζονται ηλεκτρόνια με άλλα άτομα, ώστε να αποκτήσουν οκτάδα ηλεκτρονίων στην εξωτερική στιβάδα. Τέλος, τα στοιχεία των ομάδων 15 (VA), 16 (VIA) και 17 (VIIA), όταν ενώνονται με ηλεκτροθετικά στοιχεία (μέταλλα), έχουν την τάση να προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια (αντίστοιχα, και 1) και να μετατρέπονται σε σταθερά ανιόντα με δομή ευγενούς αερίου. Για το λόγο αυτό χαρακτηρίζονται ως ηλεκτραρνητικά στοιχεία και εμφανίζουν μεγάλη ηλεκτραρνητικότητα). Όταν, όμως, ενώνονται με άλλα στοιχεία μέσης ή και μεγάλης ηλεκτραρνητικότητας (π.χ. από τη 14η ομάδα και προς τα δεξιά του Π.Π.) έ- χουν την τάση να διαμοιράζονται ηλεκτρόνια και να σχηματίζουν ομοιοπολικές ενώσεις. 353

368 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 6. Τα οξείδια της 3ης περιόδου Τα στοιχεία της 3ης περιόδου σχηματίζουν τα εξής οξείδια (μερικά στοιχεία μπορούν να σχηματίσουν περισσότερα από ένα οξείδια): ομάδα 1η η 13η 14η 15η 16η 17η οξείδια Na O MgO Al O 3 SiO P 4 O 10 Ρ Ο 3 SO 3 SΟ Cl O κτλ. Κατά μήκος της 3ης περιόδου και από τα αριστερά προς τα δεξιά, η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας κάθε στοιχείου με το οξυγόνο μειώνεται συνεχώς και κατά συνέπεια μειώνεται και η πολικότητα των δεσμών τους με το οξυγόνο. Έτσι, τα οξείδια στο αριστερό άκρο της σειράς είναι καθαρά ιοντικού χαρακτήρα με υψηλά σημεία τήξης, ενώ στο δεξιό άκρο ομοιοπολικού χαρακτήρα και όλο χαμηλότερα σημεία τήξης. Ας θεωρήσουμε π.χ. το Na O. Πρόκειται για ιοντική ένωση (Na + O ) που όταν διαλυθεί στο νερό δίνει μία βάση, το NaOH: Na O + Η Ο NaOH Το ίδιο οξείδιο αντιδρά με οξέα και δίνει άλας και νερό (εξουδετέρωση): Na O + Η SO 4 Na SO 4 + H O Για το λόγο αυτό, το Na O χαρακτηρίζεται ως βασικό οξείδιο. Ας θεωρήσουμε τώρα, ένα οξείδιο προς το δεξιό άκρο της σειράς, π.χ. το SO 3. To ο- ξείδιο αυτό είναι ομοιοπολική ένωση και όταν διαλυθεί στο νερό παράγει το θειικό οξύ (H SO 4 ): SO 3 + Η Ο H SO 4 Επίσης, αντιδρά με βάσεις και δίνει άλας και νερό (εξουδετέρωση): SO 3 + NaOH Na SO 4 + H O Για το λόγο αυτό το SO 3 χαρακτηρίζεται ως όξινο οξείδιο. Το Al O 3 χαρακτηρίζεται ως επαμφοτερίζον οξείδιο, καθώς με το νερό οδηγεί σε έ- νωση που διαθέτει και όξινες ιδιότητες, με τη μορφή H 3 AlO 3, και βασικές, με τη μορφή Αl(OH) 3. Επαμφοτερίζον οξείδιο είναι και το BeO. Τα οξείδια αυτά αντιδρούν τόσο με οξέα όσο και με βάσεις. Το MgO είναι ιοντικό οξείδιο με σημείο τήξης 850 o C ενώ το ClO είναι ομοιοπολικό οξείδιο με σημείο τήξης 11 ο C. Ανάλογα συμπεριφέρεται το CaO, που με επίδραση HO οδηγεί σε Ca(OH), το MgO κτλ. Ανάλογα συμπεριφέρεται το SO, που με επίδραση HO οδηγεί σε HSO3, το CO, που με επίδραση HO οδηγεί σε HCO3, το SiO κτλ. Άλλα επαμφοτερίζοντα οξείδια είναι το ZnO, το PbO, το SnO κτλ. Παρατηρούμε, επομένως, για τα οξείδια της 3ης περιόδου μία βαθμιαία μετάβαση από το βασικό χαρακτήρα στον όξινο. Παρόμοιες μεταβολές παρατηρούμε και στα οξείδια των άλλων περιόδων του Π.Π. για να επιβεβαιωθεί με τον τρόπο αυτό η περιοδική τάση των στοιχείων και ως προς τις χημικές τους ιδιότητες. Ιοντικά και βασικά οξείδια Ομοιοπολικά και όξινα οξείδια Επαμφοτερίζοντα οξείδια 354

369 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ 7. Τα χλωρίδια της 3ης περιόδου του Π.Π. Οι παρατηρήσεις δεν ισχύουν μόνο για τα χλωρίδια της 3ης περιόδου, αλλά είναι μία γενική περιοδική τάση στον Π.Π. Το AlCl3 απαντά σε διαφορετικές μορφές, ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη φυσική κατάσταση. Σε στερεή μορφή έχει τύπο AlCl3, ενώ σε μορφή τήγματος απαντάται ως διμερές, AlCl6. Η διμερής μορφή απαντάται και στην αέρια φάση, ενώ σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες διασπάται σε AlCl3. Σύμφωνα με τον ορισμό της IUPAC, ως στοιχείο μετάπτωσης ορίζεται το στοιχείο το άτομο του οποίου έχει ασυμπλήρωτη d υποστιβάδα ή μπορεί να σχηματίσει κατιόν με ασυμπλήρωτη d υποστιβάδα. Με βάση τον ορισμό αυτό τα στοιχεία 30Zn, 48Cd και 80Ηg αποκλείονται από τα στοιχεία μετάπτωσης, αλλά εμείς θα εξακολουθήσουμε να τα συμπεριλαμβάνουμε σε αυτά. Π.χ. ο Zn έχει ΑΟ μόνο + και δεν σχηματίζει έγχρωμες ενώσεις. Τα άτομα των στοιχείων της 3ης περιόδου σχηματίζουν τα εξής χλωρίδια (μερικά στοιχεία σχηματίζουν περισσότερα από ένα): Ομάδα 1η η 13η 14η 15η 16η 17η Χλωρίδια NaCl MgCl AlCl 3 SiCl 4 PCl 3, SCl, (Cl ) (Al Cl 6 ) PCl 5 S Cl Στα χλωρίδια της 3ης περιόδου του Π.Π., ο ιοντικός χαρακτήρας του δεσμού μειώνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά με σύγχρονη αύξηση του ομοιοπολικού χαρακτήρα. Έτσι το NaCl είναι καθαρά ιοντική ένωση, το MgCl είναι επίσης ιοντική, ενώ στο AlCl 3 ο ομοιοπολικός χαρακτήρας έχει αυξηθεί σημαντικά. Τέλος, στο Cl ο δεσμός είναι καθαρά ομοιοπολικός (μη πολικός). Μάλιστα, καθώς οι ιοντικές ενώσεις είναι γενικά στερεές με υψηλά σημεία τήξης σε σχέση με τις ομοιοπολικές, παρατηρείται μία βαθμιαία μεταβολή στη φυσική κατάσταση των χλωριδίων, που από στερεά στο αριστερό άκρο καταλήγουν σε υγρά και τελικά αέρια στο δεξιό. 8. Τα στοιχεία μετάπτωσης Από την 4η περίοδο και μετά εμφανίζονται στον Π.Π. και στοιχεία που ανήκουν στο d τομέα, που λέγονται στοιχεία μετάπτωσης. Τα στοιχεία αυτά βρίσκονται σε τρεις σειρές του Π.Π. Η 1η σειρά περιλαμβάνει τα στοιχεία της 4ης περιόδου στα οποία συμπληρώνεται η 3d υποστιβάδα (από 3d 1 μέχρι 3d 10 ). Η η σειρά των στοιχείων μετάπτωσης περιλαμβάνει τα στοιχεία της 5ης περιόδου στα οποία συμπληρώνεται η 4d υποστιβάδα, ενώ στην 3η σειρά των στοιχείων μετάπτωσης της 6ης περιόδου συμπληρώνεται η 5d υποστιβάδα. Τα στοιχεία μετάπτωσης, αν και ανήκουν σε διαφορετικές ομάδες, παρουσιάζουν σημαντικές αναλογίες στις ιδιότητές τους: Μοντέλο για το σύμπλοκο [Cr(NH3)6] 3+ στο οποίο το ιόν Cr 3+ ενώνεται με έξι μόρια ΝΗ3 (υποκαταστάτες). Είναι όλα μέταλλα. Παρουσιάζουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης, π.χ. ο Fe έχει + και +3, το Mn έχει +, +3, +4, +6, +7 κτλ. Είναι παραμαγνητικά στοιχεία, δηλαδή διαθέτουν ένα ή περισσότερα μονήρη ηλεκτρόνια και έλκονται από μαγνητικό πεδίο. Σχηματίζουν σύμπλοκα ιόντα, ιόντα δηλαδή που διαθέτουν ένα κεντρικό στοιχείο ενωμένο με υποκαταστάτες, μόρια ή ιόντα, π.χ. το [Cr(NH 3 ) 6 ] 3+. Σχηματίζουν, συνήθως, έγχρωμες ενώσεις. Παρουσιάζουν συχνά αξιοσημείωτη καταλυτική δράση, π.χ. η αντίδραση υδρογόνωσης των αλκενίων καταλύεται από το Νi, το Pd ή το Pt. 355

370 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου ενός στοιχείου, στη θεμελιώδη κατάσταση, καταλήγει σε 4d 5s. Να προβλέψετε τη θέση του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα, καθώς και τον ατομικό του αριθμό (Z). ΑΠΑΝΤΗΣΗ Το στοιχείο ανήκει στην η σειρά των στοιχείων μετάπτωσης (συμπληρώνεται η 4d υποστιβάδα) και επομένως ανήκει στην 5η περίοδο. Επειδή η δομή περιλαμβάνει και δομή d, θα ανήκει στην 4η ομάδα (IIB) του Π.Π. Η ηλεκτρονιακή του δομή θα είναι: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 4d 5s και άρα Ζ = 40. Θα μπορούσαμε επίσης να βρούμε τον ατομικό αριθμό και ως εξής: Η 1η περίοδος περιλαμβάνει στοιχεία, η η και η 3η από 8 και 4η 18 στοιχεία. Στην 5η περίοδο έχουμε δύο στοιχεία του s τομέα και επιπλέον δύο θέσεις στον d τομέα. Συνολικά: Ζ = = 40 (από τον περιοδικό πίνακα επιβεβαιώνουμε το αποτέλεσμα, είναι το ζιρκόνιο, 40 Ζr!). Το ζιρκόνιο (40Zr) είναι ένα λαμπερό γκρι-λευκό μέταλλο, πολύ ανθεκτικό στη διάβρωση με βάσεις, οξέα κτλ. Έχει σημείο τήξης 185 C και σημείο βρασμού 4377 C. Σε μορφή σκόνης αναφλέγεται εύκολα.. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή για τα στοιχεία που βρίσκονται στην: α) 3η περίοδο, 1η ομάδα β) 4η περίοδο, 1η ομάδα γ) 3η περίοδο, 13η ομάδα δ) 3η περίοδο, 18η ομάδα ε) 4η περίοδο, 7η ομάδα στ) 6η περίοδο, 15η ομάδα ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Πρόκειται για στοιχείο του τομέα s του Π.Π., με δομή εξωτερικής στιβάδας 3s 1. Ο ατομικός του αριθμός θα είναι Ζ = = 11 και δομή του: 1s s p 6 3s 1. β) Είναι στοιχείο του τομέα s του Π.Π., με δομή εξωτερικής στιβάδας 4s 1. Ο ατομικός του αριθμός θα είναι Ζ = = 19 και δομή του: 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1. γ) Έχουμε: Ζ = = 13 (οι 3 πρώτες περίοδοι δεν περιλαμβάνουν στοιχείο του τομέα d). Η πλήρης του δομή είναι: 1s s p 6 3s 3p 1. δ) Πρόκειται για ευγενές αέριο με Ζ = = 18 με δομή: 1s s p 6 3s 3p 6. ε) Πρόκειται για στοιχείο μετάπτωσης και θα διαθέτει 5 ηλεκτρόνια στην 3d (Ζ = = 5 και δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s. στ) Ζ = (3 3) = 83. Είναι στοιχείο του p τομέα με δομή: [ 54 Xe] 4f 14 5d 10 6s 6p 3, όπου το Xe είναι το ευγενές αέριο της 5ης περιόδου με Ζ = Στο παρακάτω διάγραμμα που αντιστοιχεί στον Π.Π. έχουμε σημειώσει: α) Το ευγενές αέριο Α που ανήκει στην 3η περίοδο. β) Το στοιχείο Β της 4ης περιόδου, που τα άτομά του έχουν 3 ασύζευκτα (μονήρη) ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη του κατάσταση. γ) Το στοιχείο Γ με δομή εξωτερικής στιβάδας 6s 1 στη θεμελιώδη κατάσταση. δ) Το στοιχείο Δ με δομή 3d στη θεμελιώδη κατάσταση. ε) Το στοιχείο Ε με ηλεκτρονιακή δομή 1s s p. ζ) Το στοιχείο Ζ με δομή [ 10 Ne] 3s 3p 1. η) Το στοιχείο Η με δομή [ 18 Αr] 3d 10 4s. 356

371 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Δ Β Β Η Β Ζ Ε Α Γ Παρατήρηση: Το στοιχείο Β διαθέτει 3 μονήρη ηλεκτρόνια. Επειδή ανήκει στην 4η ομάδα του Π.Π. τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια μπορεί να είναι είτε σε τροχιακά d (οπότε έχουμε στοιχείο της 5ης ή της 9ης ομάδας του d τομέα του Π.Π), είτε σε τροχιακά p (οπότε έ- χουμε στοιχείο της 13ης ομάδας του p τομέα του Π.Π.). 4. Θεωρείστε τα στοιχεία της 4ης περιόδου του Π.Π. α) i. Ποιες υποστιβάδες συμπληρώνονται από τα αριστερά προς τα δεξιά στην περίοδο αυτή; ii. Ποιοι οι ατομικοί αριθμοί του πρώτου και του τελευταίου στοιχείου της περιόδου; β) Πόσα στοιχεία της 4ης περιόδου διαθέτουν d ηλεκτρόνια στην ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. γ) Ποιοι οι ατομικοί αριθμοί των στοιχείων της 4ης περιόδου τα οποία: i. Δεν διαθέτουν μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια στην ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση. ii. Διαθέτουν 6 μονήρη ηλεκτρόνια στην ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση. iii. Διαθέτουν 3 μονήρη ηλεκτρόνια στην ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση. δ) Να εξηγήσετε γιατί ακριβώς πάνω από το στοιχείο με Ζ = 1 δεν υπάρχει άλλο στοιχείο στον Π.Π. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) i. 4s, 3d, 4p. ii. Το 1ο στοιχείο της 4ης περιόδου έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1 και επομένως έχει Z = 19. Το τελευταίο στοιχείο της 4ης περιόδου έχει δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 και επομένως έχει Ζ = 36. β) 16 στοιχεία. Τα 10 στοιχεία του d τομέα και τα 6 του p τομέα, τα οποία διαθέτουν συμπληρωμένη την 3d υποστιβάδα. γ) i. Z = 0, 30 και 36 (τα τελευταία στοιχεία του s, του d και του p τομέα). ii. Z = 4: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s 1 (κατ εξαίρεση, λόγω ειδικής σταθερότητας της 3d 5 δομής). iii. Z = 3 (δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 3 4s ), Ζ = 7 (δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 7 4s ) και Ζ = 33 (δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 3 ). δ) Το στοιχείο με Ζ = 1 που είναι το 1ο στοιχείο του d τομέα. Πάνω από αυτό δεν βρίσκεται άλλο στοιχείο, καθώς στην 1η, στη η και στην 3η περίοδο δεν υπάρχει στοιχείο του d τομέα. 357

372 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 5. α) Το άτομο ενός στοιχείου Α έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους και ανήκει στον p τομέα του Π.Π. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκει το στοιχείο αυτό; β) Το ανιόν Β 3 ενός άλλου στοιχείου Β έχει ηλεκτρονιακή δομή: 1s s p 6. Σε ποια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το στοιχείο Β; γ) Ενός τρίτου στοιχείου Γ το άτομο έχει μόνο ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε p τροχιακό. Σε ποια ομάδα μπορεί να ανήκει το στοιχείο Γ; Ποιο είναι το πιο σταθερό ανιόν που σχηματίζει; δ) Το άτομο ενός τέταρτου στοιχείου Δ περιέχει 5 μονήρη ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη του κατάσταση. Σε ποιο τομέα μπορεί να ανήκει το στοιχείο; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Εφόσον διαθέτει 5e σε στιβάδα σθένους, η δομή της στιβάδα αυτής θα είναι: ns np 3 (n o αριθμός της περιόδου). Ανήκει, επομένως στην 15η (VA) ομάδα. β) Το ανιόν Β 3 διαθέτει, προφανώς, 3 ηλεκτρόνια παραπάνω σε σχέση με το ουδέτερο άτομο του Β. Η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του Β στη θεμελιώδη κατάσταση θα είναι: 1s s p 3 και άρα το στοιχείο ανήκει στην 15η (VA) ομάδα. γ) Για να έχει το στοιχείο ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε p τροχιακό, θα πρέπει η αντίστοιχη υποστιβάδα p να διαθέτει 4 ηλεκτρόνια (θυμηθείτε τον κανόνα του Hund!). Επομένως, ανήκει στον τομέα p (p 4 ) και συγκεκριμένα στην 16η (VIA) ομάδα. Το πιο σταθερό α- νιόν θα έχει δομή ευγενούς αερίου. Άρα θα είναι το Γ. δ) Τα 5 αυτά μονήρη ηλεκτρόνια δεν μπορεί να ανήκουν σε υποστιβάδα s, ούτε σε υποστιβάδα p. Θα είναι, επομένως, είτε στοιχείο μετάπτωσης (τομέας d, όπου συμπληρώνονται d τροχιακά), είτε θα ανήκει σε ένα από τα δύο παραρτήματα του Π.Π., τις ακτινίδες ή τις λανθανίδες, όπου συμπληρώνονται f τροχιακά. 358

373 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Όλα τα θέματα αναφέρονται στη θεμελιώδη κατάσταση των ατόμων, εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά Ποιος από τους παρακάτω ατομικούς αριθμούς αντιστοιχεί σε στοιχείο που ανήκει στις αλκαλικές γαίες; Α) Β) 1 Γ) 1 Δ) Ποιος ο ατομικός αριθμός ενός στοιχείου που ανήκει στην ίδια ομάδα του Π.Π. με τον άνθρακα ( 6 C); Α) 8 Β) 1 Γ) 14 Δ) Με την εξαίρεση του He η εξωτερική στιβάδα ενός ευγενούς αερίου εμφανίζει ηλεκτρονιακή δομή: Α) ns np 6 Β) ns np 3 Γ) (n 1)d np 6 Δ) (n 1)d 5 np Το πρώτο στοιχείο του p τομέα του Π.Π. που ανήκει στην 3η περίοδο έχει ατομικό αριθμό Ζ =: Α) 13 Β) 8 Γ) 10 Δ) Η πρώτη σειρά των στοιχείων του d τομέα αρχίζει με τον ατομικό αριθμό Ζ =: Α) 11 Β) 13 Γ) 19 Δ) Το πολώνιο ( 84 Po) είναι ραδιενεργό στοιχείο με δομή: [ 54 Xe] 4f 14 5d 10 6s 6p 4 είναι. Σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκει; Α) στη η Β) στη 14η Γ) στη 16η Δ) στη 18η Τα στοιχεία μετάπτωσης: Α) έχουν όλα συμπληρωμένη τη στιβάδα σθένους τους με οκτώ ηλεκτρόνια Β) έχουν πάντα μερικά συμπληρωμένη μία p υποστιβάδα Γ) έχουν κενές εσωτερικές στιβάδες Δ) συνήθως διαθέτουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης και σχηματίζουν έγχρωμες ενώσεις Το ανιόν Χ 3 έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6. Σε ποια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το στοιχείο Χ; Α) 15η (VA) B) 5η (VB) Γ) 18η (VΙΙIA) Δ) 13η (IIIA) Το κατιόν Υ 3+ παρουσιάζει ηλεκτρονιακή δομή: 1s s p 6. Σε ποια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το στοιχείο Υ; Α) 15η (VA) B) 5η (VB) Γ) 18η (VΙΙIA) Δ) 13η (IIIA) Ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι λανθασμένη; Α) Στο άτομο του 31 Ga η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου της υποστιβάδας 4s είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια ενός ηλεκτρονίου της υποστιβάδας 3d Β) Τα στοιχεία 1 Μg και 30 Zn ανήκουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα Γ) Τα στοιχεία: 4 Βe και 1Μg ανήκουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα Δ) Κάποια στοιχεία της ης (ΙΙΑ) ομάδας του περιοδικού πίνακα διαθέτουν συμπληρωμένες d υποστιβάδες Το άτομο του 10 Νe στη θεμελιώδη του κατάσταση: A) έχει άθροισμα κβαντικών αριθμών spin ίσο με B) ανήκει στην 8η (VIIΙΒ) ομάδα του Π.Π. Γ) διαθέτει 6 ηλεκτρόνια σθένους Δ) εμφανίζει άθροισμα όλων των κβαντικών αριθμών όλων των ηλεκτρονίων του ίσο με Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις Α - ΣΤ ως σωστές ή όχι. Στην περίπτωση λανθασμένων προτάσεων να αιτιολογηθεί η επιλογή. Α) Στοιχείο το άτομο του οποίου έχει δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 8 4s ανήκει στον d τομέα. Β) Παραμαγνητικά στοιχεία είναι όχι μόνο στοιχεία μετάπτωσης αλλά και άλλα στοιχεία με μονήρη ηλεκτρόνια. Γ) Από τα οξείδια των στοιχείων 13 Al, 17 Cl, 19 K και 0 Ca με τύπους, Al O 3, Cl O 7, K O και CaO, περισσότερο όξινο είναι το Cl O 7. Δ) Η η σειρά των στοιχείων μετάπτωσης είναι στην 5η περίοδο και σε αυτήν συμπληρώνεται η υποστιβάδα 4d. Ε) Οι λανθανίδες ανήκουν στην 6η περίοδο και περιλαμβάνουν στοιχεία με Ζ = στα οποία συμπληρώνεται η υποστιβάδα 4f. ΣΤ) Το Mg ανήκει στις αλκαλικές γαίες (η ομάδα) και σχηματίζει οξείδιο με τύπο MgΟ, που είναι στερεό με υψηλό σημείο τήξης Δίνονται οι δομές των ατόμων των στοιχείων Α - Ε: Α 1s s p 6 3s 3p 1 Β 1s s p 6 3s 3p 3 Γ 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s Δ 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 5s Ε 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 4d 10 5s 5p 6 Ποιο ή ποια από τα στοιχεία αυτά: α) Είναι ευγενές αέριο. β) Είναι αλκαλική γαία. γ) Είναι στοιχείο του d τομέα. δ) Ανήκει στη 13η (ΙΙΙΑ) ομάδα Ποιος ο ατομικός αριθμός Ζ ενός στοιχείου Χ της 4ης περιόδου του περιοδικού πίνακα του οποίου το κατιόν X 3+ διαθέτει ημισυμπληρωμένη d υποστιβάδα (d 5 ); Σε ποια ομάδα ανήκει το στοιχείο αυτό; Τα στοιχεία ποιας ομάδας του d τομέα του περιοδικού πίνακα έχουν άθροισμα κβαντικών αριθμών spin ίσο με 0; Το 0 Ca και το 30 Ζn διαθέτουν την ίδια δομή της εξωτερικής στιβάδας (4s ). Να εξηγήσετε γιατί δεν ανήκουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα Το στοιχείο με Ζ = 114 φλερόβιο (Fl) έχει σχετικά πρόσφατα ανακαλυφθεί και ανήκει στην ίδια ομάδα με το στοιχείο 8 Pb. Να εξηγήσετε γιατί. 359

374 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ένα στοιχείο έχει 5 ηλεκτρόνια με l = 0, στη θεμελιώδη κατάσταση. Να προσδιοριστούν: α) Ο ατομικός αριθμός του στοιχείου. β) Η θέση του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα (ομάδα και περίοδος) Το βρώμιο (Βr) είναι το 3ο στοιχείο της ομάδας των αλογόνων. Να γράψετε: α) Την ομάδα και την περίοδο στην οποία ανήκει το στοιχείο αυτό. β) i. Τον ολικό αριθμό των p ηλεκτρονίων καθώς και ii. τον αριθμό των d ηλεκτρονίων του ατόμου στη θεμελιώδη του κατάσταση Με βάση τη θέση στον περιοδικό πίνακα (ομάδα και περίοδο) των στοιχείων που ακολουθούν, να προβλέψετε την ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση. α) Ca: η (ΙΙA) ομάδα, 4η περίοδος β) Sr: η (ΙΙA) ομάδα, 5η περίοδος γ) P: 15η (VA) ομάδα, 3η περίοδος δ) Cu: 11η (IB) ομάδα, 4η περίοδος ε) Sb: 15η (VA) ομάδα, 5η περίοδος ζ) Se: 16η (VΙA) ομάδα, 4η περίοδος η) Νi: 10η (VΙΙΙΒ) ομάδα, 4η περίοδος Να αρχίσετε την ηλεκτρονιακή δομή από αυτή του προηγούμενου ευγενούς αερίου καθενός στοιχείου. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί των ευγενών αερίων, Ne:10, Αr:18 και Kr: Δίνονται τα άτομα στη θεμελιώδη τους κατάσταση των στοιχείων Α, Β, Γ, Δ και Ε (σε παρένθεση οι δομές εξωτερικής στιβάδας): Α (1s ), Β (s p 3 ), Γ (3s 1 ), Δ (3s 3p 6 ), Ε (3s 3p 3 ). Σε ποια ομάδα, περίοδο και τομέα ανήκει καθένα από τα στοιχεία αυτά; 16.. Ποιες υποστιβάδες συμπληρώνονται από αριστερά προς τα δεξιά στην 3η, στην 4η και στην 5η περίοδο του Π.Π.; Να εντοπίσετε την ομάδα στην οποία ανήκει στοιχείο του οποίου το τελευταίο ηλεκτρόνιο: α) Τοποθετείται αλλά δεν συμπληρώνει μια s υποστιβάδα. β) Είναι το πρώτο που τοποθετείται σε μία d υποστιβάδα. γ) Τοποθετείται και συμπληρώνει μία p υποστιβάδα. δ) Τοποθετείται και συμπληρώνει μία s υποστιβάδα. ε) Ημισυμπληρώνει μία d υποστιβάδα Στοιχείο Μ έχει άθροισμα κβαντικών αριθμών spin ίσο με το 0 στη θεμελιώδη του κατάσταση και ανήκει στην 4η περίοδο του περιοδικού πίνακα. α) Σε ποια ή ποιες ομάδες του περιοδικού πίνακα είναι δυνατόν να ανήκει το στοιχείο Μ; β) Ποιοι οι δυνατοί ατομικοί του αριθμοί του στοιχείου; To ιόν Μ + του στοιχείου Μ της 4ης περιόδου του Π.Π. έχει δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5. α) Ποιος ο ατομικός αριθμός του Μ; β) Σε ποιο τομέα και σε ποια ομάδα ανήκει το στοιχείο Μ; γ) Πόσα ηλεκτρόνια με l = 0 και πόσα ηλεκτρόνια με m l = 1 διαθέτει το άτομο του στοιχείου Μ; δ) Σε ποιο τομέα, περίοδο και ομάδα ανήκει ένα άλλο στοιχείο Ν το άτομο του οποίου είναι ισοηλεκτρονιακό με το ιόν Μ + ; Δίνονται τα στοιχεία Α, Β, Γ, Δ, Ε και Ζ και οι α- ντίστοιχες ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων στη θεμελιώδη τους κατάσταση: Α: 1s s p 5 Β: 1s s 1 Γ: 1s s p 6 3s 3p 5 Δ: 1s s p 6 Ε: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 Ζ: 1s s p 6 3s 1 Να ταξινομήσετε τα παραπάνω στοιχεία σε ομάδες τα μέλη των οποίων να έχουν παρόμοιες χημικές ιδιότητες Οι ατομικοί αριθμοί των ατόμων των στοιχείων Α, Β και Γ είναι, αντίστοιχα Ζ, Ζ+1 και Ζ+. Το στοιχείο Β είναι ευγενές αέριο και ανήκει στην 3η περίοδο. α) Σε ποια ομάδα, περίοδο και τομέα ανήκουν τα Α, Β και Γ; β) Ποιες είναι οι ηλεκτρονιακές τους δομές των παραπάνω στοιχείων στη θεμελιώδη τους κατάσταση; Το στοιχείο Χ ανήκει στην 3η περίοδο και έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους. α) Ποιος ο τομέας και η ομάδα του Π.Π. που ανήκει το στοιχείο Χ και ποιος ο ατομικός του αριθμός; β) Ποιος ο χαρακτήρας των δεσμών (ιοντικοί ή ομοιοπολικοί) των ενώσεων ΧΟ 3 και Χ Cl που σχηματίζει το στοιχείο Χ με το οξυγόνο και το χλώριο, αντίστοιχα; Βλέποντας τη θέση των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα να γράψετε τον αριθμό των: α) p ηλεκτρονίων του 7 Ν. β) 5s ηλεκτρονίων του 37 Rb. γ) 4d ηλεκτρονίων του 33 As. δ) 4f ηλεκτρονίων του 80 Hg. Τα άτομα να θεωρηθούν στη θεμελιώδη τους κατάσταση α) Πόσες ομάδες υπάρχουν σε καθένα από τους 4 τομείς του Π.Π.; β) Σε ποιο τομέα και σε ποια ομάδα του Π.Π. ανήκουν τα στοιχεία των οποίων η ηλεκτρονιακή δομή είναι: i. [ 54 Xe] 6s, ii. [ 36 Kr] 4d 10 5s 5p 1, iii. [ 36 Kr] 4d 10 5s 5p Να εξηγήσετε γιατί ο 30 Ζn αναφέρεται ως στοιχείο μετάπτωσης. Παρόλα αυτά κατά IUPAC δεν χαρακτηρίζεται ως στοιχείο μετάπτωσης. Να αναφέρετε τρεις λόγους που να συνηγορούν σε αυτό. 360

375 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Ένα στοιχείο Χ έχει Ζ = 0. α) Σε ποια ομάδα, περίοδο και τομέα ανήκει το στοιχείο; β) Ποιος ο ατομικός αριθμός του αμέσως επόμενου στοιχείου (Υ), που ανήκει στην ίδια ομάδα με το Χ; γ) Ποια η ηλεκτρονιακή δομή στη θεμελιώδη κατάσταση του αμέσως επόμενου στοιχείου (Ζ), που ανήκει στην ίδια περίοδο με το Χ; δ) Να γράψετε το χημικό τύπο των ενώσεων του Χ με i. το Cl και ii. με το Ο και να τις χαρακτηρίσετε ως ιοντικές ή ομοιοπολικές. Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί, Cl:17, Ο: Tα στοιχεία Νa, Mg, Si, Cl και Ar ανήκουν όλα στην 3η περίοδο και στις ομάδες 1η, η, 14η, 17η και 18η, αντίστοιχα. α) Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων των στοιχείων αυτών στη θεμελιώδη τους κατάσταση. β) Να προβλέψετε τις ηλεκτρονιακές δομές των αμέσως από κάτω στοιχείων της ομάδας που ανήκουν. γ) Να χαρακτηρίσετε τα χλωρίδια του Νa, του Mg και του Si ως ιοντικά ή ομοιοπολικά. δ) Να χαρακτηρίσετε τα οξείδια του Νa, του Mg, του Si και του Cl ως ιοντικά ή ομοιοπολικά και ως όξινα ή βασικά Να προσδιορίστε τη θέση στον περιοδικό πίνακα στοιχείων με τα εξής χαρακτηριστικά: α) Στοιχείο που σχηματίζει τρισθενές κατιόν με δομή 1s s p 6. β) Στοιχείο που σχηματίζει δισθενές κατιόν με δομή [ 36 Kr] 4d 10 5s γ) Στοιχείο που σχηματίζει μονοσθενές κατιόν με δομή ίδια με του 36 Kr. δ) Στοιχείο το άτομο του οποίου στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτει δύο μόνο ηλεκτρόνια τύπου p στη στιβάδα Ν. ε) Το πρώτο στοιχείο του τομέα d. ζ) Στοιχείο που ανήκει στα στοιχεία μετάπτωσης της 4ης περιόδου με συμπληρωμένη, όμως, την υποστιβάδα d. η) Στοιχείο που έχει το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό από όλα τα στοιχεία του τομέα s. θ) Στοιχείο που έχει στη θεμελιώδη κατάσταση άθροισμα κβαντικών αριθμών spin 3/ Δίνονται τα στοιχεία 7 Co, 38 Sr, 49 In και 59 Pr. Να ταξινομήσετε τα ηλεκτρόνια των ατόμων αυτών στη θεμελιώδη τους κατάσταση σε στιβάδες και σε υποστιβάδες και να απαντήσετε στις ερωτήσεις που ακολουθούν. α) Ποια από τα στοιχεία αυτά έχουν το ίδιο άθροισμα κβαντικών αριθμών spin; β) Σε ποιους τομείς ανήκει καθένα από τα παραπάνω στοιχεία; Ποιο από τα στοιχεία είναι παραμαγνητικό, σχηματίζει πολλές έγχρωμες ενώσεις και σύμπλοκα ιόντα; γ) Να προβλέψετε τον ατομικό αριθμό των στοιχείων της 3ης περιόδου του Π.Π. που ανήκουν στην ίδια ομάδα με τα στοιχεία 7 Co, 38 Sr και 49 In Tα άτομα δύο στοιχείων μετάπτωσης της 4ης περιόδου του περιοδικού πίνακα διαθέτουν τον ίδιο αριθμό (x 0) ασύζευκτων (μονήρων) ηλεκτρονίων στην 3d υποστιβάδα, στη θεμελιώδη τους κατάσταση. Ποιοι οι δυνατοί ατομικοί αριθμοί των δύο αυτών στοιχείων; Να εξεταστούν όλες οι δυνατές περιπτώσεις Να σημειώσετε στην κατάλληλη θέση του κενού περιοδικού πίνακα που ακολουθεί: α) Το ευγενές αέριο Α που ανήκει στην 5η περίοδο. β) Τα στοιχεία Β της 6ης περιόδου, που τα άτομά τους έ- χουν δύο μονήρη ηλεκτρόνια σε p τροχιακά. γ) Το στοιχείο Γ του s τομέα με δομή εξωτερικής στιβάδας 4s 1. δ) Το στοιχείο Δ του d τομέα της 4ης περιόδου με δομή d 8. ε) Το στοιχείο Ε με δομή 1s s p 4. ζ) Το στοιχείο Ζ με δομή [ 10 Ne] 3s 3p 5. η) Το στοιχείο Η με δομή [ 36 Kr] 5s 1. θ) Το στοιχείο Θ με δομή [ 18 Αr] 3d 5 4s. ι) Το στοιχείο Ι με δομή [ 18 Αr] 3d 10 4s 1 361

376 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Χημεία και τέρατα: «Η ανακάλυψη του He έγινε πρώτα στον ήλιο και μετά στη Γη» Το φάσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από κάποια ουσία κάτω από διέγερση π.χ. με ηλεκτρική εκκένωση, λέγεται φάσμα εκπομπής. Ειδικά το φάσμα εκπομπής του υδρογόνου αποτελείται όπως είδαμε από διακριτές γραμμές ορισμένης συχνότητας (π.χ. στα 656,3 nm, στα 486,3 nm κτλ.). Οι διάφορες ουσίες, όμως, εμφανίζουν επίσης και το λεγόμενο φάσμα απορρόφησης, όταν συνεχής ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως αυτή που παράγει ο ηλεκτρικός λαμπτήρας, περάσει μέσα από την ουσία. Στην περίπτωση αυτή θα παρατηρήσουμε ότι ορισμένες συχνότητες από το συνεχές φάσμα της ακτινοβολίας λείπουν. Έτσι, π.χ. στο φάσμα απορρόφησης του H το συνεχές φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εμφανίζει μαύρες γραμμές στα 656,3 nm και στα 486,3 nm. Δηλαδή, το φάσμα απορρόφησης του H είναι συμπληρωματικό του γραμμικού φάσματος εκπομπής. Το σημαντικό είναι ότι κάθε στοιχείο έχει ένα χαρακτηριστικό φάσμα απορρόφησης με βάση το οποίο μπορεί να ταυτοποιηθεί. Το ηλιακό φως που εκπέμπεται από τον ήλιο παρουσιάζει σκοτεινές ταινίες στο φάσμα του. Εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας στο εσωτερικό του, ο ήλιος εκπέμπει ένα συνεχές φάσμα ακτινοβολίας. Όμως, τα στοιχεία που υπάρχουν στις εξωτερικές περιοχές του ήλιου, όπου οι θερμοκρασίες δεν είναι τόσο υψηλές, απορροφούν ακτινοβολία σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Οι απορροφήσεις αυτές οφείλονται στο Η και το He (αλλά και σε άλλα άτομα) και εξηγούν τις σκοτεινές περιοχές του ηλιακού φάσματος. Το He ανακαλύφθηκε το 1868 από παρόμοιες αναλύσεις της ηλιακής ακτινοβολίας. Μερικές από τις γραμμές απορρόφησης στο ηλιακό φάσμα δεν μπορούσαν να αντιστοιχηθούν σε γνωστά στοιχεία εκείνης της εποχής. Οι ερευνητές, λοιπόν, έβγαλαν το συμπέρασμα ότι ο ήλιος περιείχε ένα στοιχείο άγνωστο στη Γη, που το ονόμασαν ήλιο (διεθνώς, από την ελληνική λέξη). Το ήλιο ανακαλύφθηκε ότι υπάρχει στη Γη 7 χρόνια αργότερα, το

377 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 16 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-13 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (4x13 = 5 μονάδες). 1. Το σύνολο των στοιχείων που ανήκουν στις κύριες ομάδες του περιοδικού πίνακα βρίσκονται στους τομείς: Α) s Β) p Γ) s και p Δ) s, p και d [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ]. Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές αποδίδει τη δομή ατόμου στοιχείου του τομέα s στη θεμελιώδη κατάσταση; Α) 1s s p 6 3s 3p Β) 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1 Γ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 4s Δ) 1s s p 6 3s 3p 6 4s 3 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 3. Η δομή της εξωτερικής στιβάδας για τα στοιχεία της 16ης ομάδας (VIA) του Π.Π. είναι: Α) ns Β) np nd 4 Γ) ns np 6 Δ) ns np 4 4. Το στοιχείο με δομή 1s ανήκει: Α) στη η (IIA) ομάδα Β) στη η περίοδο Γ) στη 18η (VIIIA) ομάδα Δ) στις αλκαλικές γαίες 5. Το στοιχείο 13 Al ανήκει: Α) στη η περίοδο, 13η (ΙΙΙΑ) ομάδα και τομέα p του περιοδικού πίνακα Β) στην 3η περίοδο, 15η (VA) ομάδα και τομέα p του περιοδικού πίνακα Γ) στην 3η περίοδο, 13η (ΙΙΙΑ) ομάδα και τομέα p του περιοδικού πίνακα Δ) στην 3η περίοδο, 1η ομάδα και τομέα d του περιοδικού πίνακα. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 6. Το άτομο ενός στοιχείου με ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα 3d (στη θεμελιώδη του κατάσταση) έχει ατομικό αριθμό Ζ ίσο με: Α) 10 και ανήκει στην 14η (IVA) ομάδα του Π.Π. Β) 1 και είναι στον d τομέα του Π.Π. Γ) 1 και ανήκει στα αλκάλια Δ) και είναι στοιχείο μετάπτωσης της 4ης περιόδου 7. Ένα στοιχείο ανήκει στον τομέα p του περιοδικού πίνακα όταν το άτομό του στη θεμελιώδη κατάσταση: Α) διαθέτει συμπληρωμένη p υποστιβάδα Β) διαθέτει ηλεκτρόνια σε p τροχιακά Γ) διαθέτει τα ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας σε υποστιβάδα p Δ) διαθέτει κενή p υποστιβάδα 8. Ποιο από τα παρακάτω στοιχεία έχει παρόμοιες ιδιότητες με το 34 Se; A) Το 7 N B) Το 8 O Γ) Το 9 F Δ) Το 11 Νa 9. Ποιο από τα ιόντα 9 Cu + και 9 Cu + είναι παραμαγνητικό; Α)Το ιόν Cu + Β) Το ιόν Cu + Γ) Κανένα Δ) Και τα δύο 10. Το στοιχείο Χ, που ανήκει στην 3η περίοδο του περιοδικού πίνακα και του οποίου το ανιόν Χ έχει δομή ευγενούς αερίου, έχει Ζ =: A) 16 B) 18 Γ) 0 Δ) 34 [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] 11. Το πρώτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα που έχει πλήρως συμπληρωμένα 3 ατομικά τροχιακά, έχει ατομικό αριθμό Ζ = : Α) 5 Β) 6 Γ) 8 Δ) 10 [Π.Μ.Δ.Χ.] 1. Για τα στοιχεία της 4ης περιόδου του Π.Π. ποιες υποστιβάδες συμπληρώνονται από αριστερά προς τα δεξιά; Α) 4s, 3d, 4p Β) 4s, 4p Γ) 4s, 4p, 4d Δ) 4s, 4p, 4d, 4f 13. Στην 4η περίοδο του περιοδικού πίνακα πόσα στοιχεία έχουν ένα ή περισσότερα 3d ηλεκτρόνια; Α) 0 Β) 10 Γ) 8 Δ) Να χαρακτηρίσετε κάθε μία από τις παρακάτω προτάσεις ως σωστή ή όχι. Στην περίπτωση λανθασμένων προτάσεων να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. (18 μονάδες) Α) Η ηλεκτρονιακή δομή της εξωτερικής στιβάδας όλων των ευγενών αερίων είναι ns np 6. Β) Τα άτομα του 0 Ca και του 8 Ni είναι παραμαγνητικά. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Γ) Στοιχείο του οποίου το άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση έχει ηλεκτρονιακή δομή [ He] s p 3, ανήκει στη 13η ομάδα (ΙΙΙΑ) του περιοδικού πίνακα. 363

378 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Δ) Τα ευγενή αέρια δεν διαθέτουν ηλεκτρόνια σε υποστιβάδες d ή f. E) Σύμφωνα με το νόμο περιοδικότητας του Moseley «η χημική συμπεριφορά των στοιχείων είναι περιοδική συνάρτηση του ατομικού τους αριθμού». ΣT) To ΒeO και το Al O 3 είναι επαμφοτερίζοντα οξείδια. 15. Τα στοιχεία της τρίτης περιόδου του περιοδικού πίνακα 11 Na, 1 Mg, 13 Al και 16 S σχηματίζουν, αντίστοιχα, τα οξείδια: Na O, MgO, Al O 3 και SO 3. Να χαρακτηρίσετε τα οξείδια αυτά ως όξινα, βασικά ή επαμφοτερίζοντα. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] (4 μονάδες) 16. Να αναφερθούν τα κοινά χαρακτηριστικά των στοιχείων μετάπτωσης. (6 μονάδες) 17. Ζητήσαμε από δύο μαθητές Α και Β να σχεδιάσουν τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων και πήραμε τα εξής σχέδια: Είναι κάποιο από τα σχέδια αυτά σωστό; Να επισημάνετε τα τυχόν λάθη. (4 μονάδες) 18. Δίνονται τα στοιχεία 11 Χ και 9 Υ. α) Πώς κατανέμονται τα ηλεκτρόνια των ατόμων Χ και Ψ σε υποστιβάδες, όταν αυτά βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση; β) Σε ποια ομάδα και ποιον τομέα του Π.Π. ανήκουν τα στοιχεία Χ και Ψ; γ) Να προσδιορίσετε τους ατομικούς αριθμούς των στοιχείων που βρίσκονται στις ίδιες ομάδες με τα Χ και Υ και στην αμέσως επόμενη περίοδο του Π.Π. (6 μονάδες) 19. Στοιχείο (Α) ανήκει σε κύρια ομάδα του περιοδικού πίνακα και περιβάλλεται αριστερά και δεξιά από δύο άλλα στοιχεία, αντίστοιχα το Β και το Γ, τα άτομα των οποίων διαθέτουν από δύο μονήρη ηλεκτρόνια, στη θεμελιώδη τους κατάσταση. α) Σε ποιες ομάδες ανήκουν τα στοιχεία Α, Β και Γ; β) Αν είναι επιπλέον γνωστό ότι το στοιχείο Α είναι το ο στοιχείο της ομάδας του, πόσα ηλεκτρόνια με m l = 1 διαθέτει το ά- τομό του, στη θεμελιώδη του κατάσταση; γ) Ποιοι οι ατομικοί αριθμοί των στοιχείων Δ και Ε που βρίσκονται ακριβώς κάτω από τα στοιχεία Β και Γ, αντίστοιχα, στον περιοδικό πίνακα; δ) Ποιος ο ελάχιστος ατομικός αριθμός (Ζ) ενός στοιχείου που ανήκει στην ίδια ομάδα με το στοιχείο Α και διαθέτει ηλεκτρόνια σε f υποστιβάδα; (10 μονάδες) 364

379 17 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ 1. Τι είναι το δραστικό πυρηνικό φορτίο (Ζ eff ); Το δραστικό πυρηνικό φορτίο, Zeff, υπολογίζεται με βάση κανόνες που είναι γνωστοί ως κανόνες του Slater. Σύμφωνα με τους κανόνες αυτούς το το Ζeff π.χ. για το 3s 1 ηλεκτρόνιο του 11Νa είναι ίσο με,5, ενώ το Ζeff για τα δύο 3s ηλεκτρόνια του 1Mg είναι ίσο με 3,3. Αν και η προσέγγιση που κάναμε για τον υπολογισμό του Zeff δίνει αποτελέσματα διαφορετικά από αυτά που παρέχουν οι ακριβείς υπολογισμοί, το Ζeff θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια ως εργαλείο για την κατανόηση της μεταβολής των περιοδικών ιδιοτήτων εσωτερικά ηλεκτρόνια (10 ) φορτίο πυρήνα (1+) 3s εξωτερικά ηλεκτρόνια Δραστικό πυρηνικό φορτίο (κατά προσέγγιση): + Θεωρήστε το ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας (s 1 ) ενός ατόμου 3 Li. Το ηλεκτρόνιο αυτό έλκεται από το θετικό φορτίο του πυρήνα (+3). Παράλληλα, όμως, απωθείται από τα εσωτερικά ηλεκτρόνια (1s ) που με τον τρόπο αυτό «προστατεύουν» το s ηλεκτρόνιο από την έλξη του πυρήνα. Η διαφορά ανάμεσα στο φορτίο του πυρήνα (Ζ) και στην «προστασία» ή προάσπιση των εσωτερικών ηλεκτρονίων αναφέρεται ως δραστικό πυρηνικό φορτίο (Z eff ή Ζ*). Το δραστικό πυρηνικό φορτίο είναι κατά προσέγγιση το φορτίο του πυρήνα μειωμένο κατά το φορτίο των ηλεκτρονίων των εσωτερικών στιβάδων. Το Ζ eff προσδιορίζεται από τη σχέση Ζ eff = Ζ s, όπου s ένας αριθμός που παριστάνει την προστασία που παρέχουν σε ένα ηλεκτρόνιο (π.χ. της εξωτερικής στιβάδας) τα ε- σωτερικά του ηλεκτρόνια. Σε μία υπεραπλουστευμένη προσέγγιση μπορούμε να θεωρήσουμε ότι για τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας ο αριθμός s ισούται με τον α- ριθμό των εσωτερικών ηλεκτρονίων. Έτσι, π.χ. για το 3s 1 ηλεκτρόνιο του 11 Νa (1s s p 6 3s 1 ) προκύπτει: Ζ eff = = 1, ενώ για τα 3s ηλεκτρόνια του 1 Mg: Ζ eff = 1 10 =. Γενικά, το δραστικό πυρηνικό φορτίο, για τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας των στοιχείων μιας περιόδου, αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά.. Πως μεταβάλλεται η ατομική ακτίνα στον Π.Π.; Η ατομική ακτίνα (Α.Α. ή r) είναι η ακτίνα ενός ατόμου αν το θεωρήσουμε ως σφαίρα τα όρια της οποίας είναι τα ηλεκτρόνια σθένους του ατόμου. Είναι δύσκολο να οριστεί, καθώς η πιθανότητα παρουσίας ενός ηλεκτρονίου (μαθηματικά) δε μηδενίζεται ποτέ. Πειραματικά, η ατομική ακτίνα ενός στοιχείου μπορεί να προσδιοριστεί ως το μισό της απόστασης μεταξύ δύο πυρήνων στο κρυσταλλικό πλέγμα του στοιχείου, όταν αυτό βρίσκεται σε στοιχειακή κατάσταση. Cl r Cl r Σχήμα 1: Η ατομική ακτίνα του Cl υπολογίζεται ως το μισό της απόστασης μεταξύ των δύο πυρήνων στο μόριο του Cl. 365

380 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Η ατομική ακτίνα ενός στοιχείου επηρεάζεται από τον αριθμό των στιβάδων, αλλά και το δραστικό πυρηνικό φορτίο (Ζ eff ) για τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας ατόμου. Το διάγραμμα που ακολουθεί δείχνει πως μεταβάλλονται οι ατομικές ακτίνες των στοιχείων (σε pm, πικόμετρα) του περιοδικού πίνακα, ως συνάρτηση του ατομικού αριθμού (Ζ). Σχήμα : Διάγραμμα της μεταβολής της ατομικής ακτίνας σε σχέση με τον ατομικό αριθμό (Ζ). Στους δύο κύκλους αντιστοιχούν τα στοιχεία μετάπτωσης της 4ης και της 5ης περιόδου του Π.Π. Παρατηρούμε ότι: α) Οι ατομικές ακτίνες αυξάνονται από πάνω προς τα κάτω σε μια ομάδα του Π.Π. Έστω, π.χ. τα στοιχεία 3 Li, 11 Na και 19 Κ της 1ης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Το δραστικό φορτίο σε όλα τα στοιχεία της ομάδας είναι περίπου το ίδιο και η αύξηση της ατομικής ακτίνας οφείλεται στην προσθήκη νέας στιβάδας από το ένα στοιχείο στο επόμενο, που έχει ως αποτέλεσμα να αυξάνεται η μέση απόσταση των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας και να μειώνεται η έλξη των ηλεκτρονίων αυτών από τον πυρήνα. β) Γενικά, κατά μήκος μιας περιόδου του Π.Π. η ατομική ακτίνα μειώνεται θεαματικά πηγαίνοντας από αριστερά προς τα δεξιά. Κατά μήκος μιας περιόδου το δραστικό φορτίο του πυρήνα αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά, οπότε η έλξη των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας από τον πυρήνα θα γίνεται όλο και πιο σημαντική, με αποτέλεσμα τη σταδιακή μείωση της ατομικής α- κτίνας (κατά μήκος μίας περιόδου ο αριθμός των στιβάδων μένει ο ίδιος και ίσος με τον αύξοντα αριθμό της περιόδου). Τα παραπάνω συμπεράσματα συνοψίζονται στο διπλανό διάγραμμα. Οι ατομικές ακτίνες στα στοιχεία μετάπτωσης. Ειδικά στα στοιχεία μετάπτωσης η ατομική ακτίνα δε φαίνεται να μεταβάλλεται ομαλά με βάση τον ατομικό αριθμό. Φαίνεται να παραμένει μάλλον σταθερή (ή μειώνεται ελάχιστα). Μπορούμε να δώσουμε μία απλοϊκή εξήγηση γι αυτό. Όσο πηγαίνουμε προς τα κάτω σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα, η αύξηση του πυρηνικού φορτίου εξουδετερώνεται από την αυξανόμενη προστασία από τα όλα και περισσότερα εσωτερικά ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα το δραστικό πυρηνικό φορτίο να παραμένει περίπου το ίδιο. Ατομική ακτίνα στο Π.Π. Σε μία σειρά των στοιχείων μετάπτωσης, όπως έχουμε δει, τα επιπλέον ηλεκτρόνια πηγαίνουν σε εσωτερικές ηλεκτρονιακές στιβάδες τύπου d, όπου και προστατεύουν αποτελεσματικά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από την έλξη του πυρήνα. Έτσι, όμως, το δραστικό πυρηνικό φορτίο αυξάνεται ελάχιστα κατά μήκος μιας περιόδου. 366

381 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ Ας δούμε δύο στοιχεία μετάπτωσης της 4ης περιόδου, το 6 Fe και το 8 Ni. Στα στοιχεία αυτά η εξωτερική στιβάδα έχει δομή 4s, ενώ τα εσωτερικά ηλεκτρόνια είναι 4 και 6, αντίστοιχα. Έτσι, το Ζ eff έχει μικρή διαφορά για τα δύο άτομα και η ατομική ακτίνα το ίδιο (το άτομο του Fe, πάντως, έχει λίγο μεγαλύτερη ατομική ακτίνα). 3. Πως επηρεάζονται οι ακτίνες των ιόντων των στοιχείων; Το άτομο του 1Mg διαθέτει δύο ηλεκτρόνια στη στιβάδα M. Όταν αυτά τα χάσει και μετατραπεί σε κατιόν Mg + εξωτερική στιβάδα είναι η L με αποτέλεσμα το μέγεθος του κατιόντος να είναι σημαντικά μικρότερο από αυτό του αντίστοιχου ατόμου. Όταν ένα μέταλλο χάνει ηλεκτρόνιο-α, σχηματίζοντας κατιόν, υπάρχει μία περίσσεια πυρηνικού (θετικού) φορτίου σε σχέση με το φορτίο των ηλεκτρονίων, οι απώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων εξασθενίζουν. Αποτέλεσμα: Τα κατιόντα είναι μικρότερα από τα άτομα από τα οποία προέρχονται. Έτσι, π.χ. το Νa + είναι μικρότερο από το άτομο του Νa, το Mg + μικρότερο από το άτομο του Μg κτλ. Όταν το άτομο ενός αμέταλλου προσλάβει ηλεκτρόνιο-α, σχηματίζοντας ανιόν, οι απώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων μεγαλώνουν, τα ηλεκτρόνια «διαχέονται» περισσότερο στο χώρο και η ατομική ακτίνα μεγαλώνει. Γενικά: Τα ανιόντα είναι μεγαλύτερα σε μέγεθος από τα αντίστοιχα άτομα. Ας δούμε και μία τελευταία περίπτωση, παρατηρώντας τα εξής άτομα και ιόντα: 8 Ο, 9F, 10 Ne, 11 Na + και 1 Mg +. Tα σωματίδια αυτά χαρακτηρίζονται ως ισοηλεκτρονιακά, καθώς διαθέτουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων και επομένως έχουν την ίδια ηλεκτρονιακή δομή (1s s p 6 ). Όμως, τα ηλεκτρόνια αυτά έλκονται όλο και περισσότερο από τον πυρήνα πηγαίνοντας από το 8 Ο προς το 1 Mg +, καθώς αυξάνεται σταδιακά το πυρηνικό φορτίο (Ζ). Δηλαδή, για το μέγεθος των παραπάνω σωματιδίων ισχύει: 8 Ο > 9F > 10 Ne > 11 Na + > 1 Mg +. Με άλλα λόγια: Στα ισοηλεκτρονιακά άτομα και ιόντα, όσο μεγαλύτερο είναι (αλγεβρικά) το φορτίο του σωματιδίου, τόσο μικρότερο το μέγεθός του. 4. Τι είναι η ενέργεια ιοντισμού; Ο ιοντισμός είναι φαινόμενο ενδόθερμο (ΔΗ > 0) Ενέργεια ιοντισμού (Ε i1 ) είναι η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να απορροφήσει ένα ελεύθερο άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση και σε αέρια φάση, έτσι ώστε να αποσπαστεί πλήρως ένα ηλεκτρόνιο. Mg(g) Mg + (g) + e Ε i1 = 738 kj mol 1 (= ΔΗ) Ειδικά η απόσπαση 3ου ηλεκτρονίου από ουδέτερο άτομο Mg έχει μία επιπλέον «ιδιαιτερότητα»: Γίνεται από τη στιβάδα L (1Μg: 1s s p 6 3s ) και όχι από την Μ, οπότε η τιμή της Ei3 ανεβαίνει θεαματικά! Ο παραπάνω ορισμός αφορά στην ενέργεια 1ου ιοντισμού Ε i1, γιατί σχετίζεται με την απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από το ουδέτερο άτομο. Κατ αναλογία, ενέργεια ου ιοντισμού Ε i λέγεται η απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από κατιόν με φορτίο +1, που βρίσκεται σε αέρια κατάσταση. Επιπλέον ενέργειες ιονισμού συμβολίζονται Ε i3, Ε i4 κτλ. Π.χ.: Mg + (g) Mg + (g) + e Ε i = 1451 kj mol 1 Mg + (g) Mg 3+ (g) + e Ε i3 = kj mol 1 367

382 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Παρατηρούμε ότι Ε i3 > Ε i > Ε i1, δηλαδή απαιτείται μεγαλύτερη ενέργεια για την απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από ένα κατιόν, σε σχέση με το ουδέτερο άτομο. Αυτό είναι άμεσο αποτέλεσμα του νόμου του Coulomb, καθώς το ιόν που είναι θετικά φορτισμένο δυσχεραίνει περισσότερο την απόσπαση του ηλεκτρονίου απ ότι το ουδέτερο άτομο. Α(g) A + (g) + e Α + (g) A + (g) + e A + (g) A 3+ (g) + e Ε i1 Ε i Ε i3 Γενικά, ισχύει: Ε i1 < Ε i < Ε i3 < < Ε in Το ηλεκτρόνιο που θα απομακρυνθεί πρώτο είναι ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας, καθώς αυτό διαθέτει τη μεγαλύτερη ενέργεια. Π.χ. στο άτομο του 11 Na: 1s s p 6 3s 1, το ηλεκτρόνιο 3s, είναι αυτό που απομακρύνεται πρώτο σχηματίζοντας το κατιόν Νa + με δομή ευγενούς αερίου. H απόσπαση επιπλέον ηλεκτρονίου από το Na + είναι πιο δύσκολη υπόθεση για τους λόγους που ακολουθούν: Πρόκειται για απόσπαση ηλεκτρονίου από κατιόν. Η δομή ευγενούς αερίου είναι εξαιρετικά σταθερή. Το επιπλέον ηλεκτρόνιο πρέπει να αποσπαστεί από άλλη στιβάδα (την L), που έχει μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα από την τιμή Ε = 0 (απόσπαση ηλεκτρονίου). Γενικά, η ενέργεια ιοντισμού δείχνει την τάση που έχει ένα άτομο να χάσει ηλεκτρόνιο και να μετατραπεί σε κατιόν. Όσο μικρότερη είναι η ενέργεια ιοντσμού, τόσο πιο εύκολα μετατρέπεται σε κατιόν και τόσο πιο έκδηλος είναι ο μεταλλικός χαρακτήρας. Π.χ.: Na(g) Na + (g) + e Si(g) Si + (g) + e Ε i1 = 496 kj mol 1 Ε i1 = 786,5 kj mol 1 Από τις εξισώσεις αυτές φαίνεται ότι η απόσπαση ηλεκτρονίου από το άτομο του Na είναι σημαντικά πιο εύκολη σε σχέση με το άτομο του Si. Γενικά, οι παράμετροι που καθορίζουν την ενέργεια ιοντισμού είναι: Η ατομική ακτίνα (όσο μεγαλύτερη είναι η ατομική ακτίνα, τόσο μικρότερη η ε- νέργεια ιοντισμού) Το φορτίο του πυρήνα (όσο μεγαλύτερο το φορτίο του πυρήνα, δηλαδή ο ατομικός αριθμός Ζ, τόσο μεγαλύτερη η έλξη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας και τόσο μεγαλύτερη η ενέργεια ιοντισμού) Τα ενδιάμεσα ηλεκτρόνια (τα ηλεκτρόνια που μεσολαβούν μεταξύ του πυρήνα και των εξωτερικών ηλεκτρονίων, απωθούν τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας με αποτέλεσμα να μειώνεται η ενέργεια ιοντισμού). Οι δύο τελευταίοι παράγοντες καθορίζουν την τιμή του δραστικού πυρηνικού φορτίου. 368

383 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ 5. Πως μεταβάλλεται η ενέργεια ιοντισμού στον Π.Π. Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού είναι μία από τις πιο χαρακτηριστικές περιοδικές ιδιότητες των στοιχείων. Γενικά: Η ενέργεια ιοντισμού των ατόμων αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά σε μία περίοδο του Π.Π. και από τα κάτω προς τα πάνω σε μια ομάδα του Π.Π. Έτσι, το Fr (φράγκιο 1η ομάδα, 7η περίοδος) παρουσιάζει τη χαμηλότερη ενέργεια ιοντισμού, ενώ το He (18η ομάδα, 1η περίοδος) την υψηλότερη. Το διάγραμμα που ακολουθεί επιβεβαιώνει με κάποιες εξαιρέσεις- το νόμο της περιοδικότητας στις τιμές της Ε i1 των στοιχείων του Π.Π. Ενέργεια Ιοντισμού Σχήμα 3: Διάγραμμα της μεταβολής της ενέργειας (πρώτου) ιοντισμού (σε kj mol 1 ) σε σχέση με τον ατομικό αριθμό Ζ.. Οι ενέργειες πρώτου ιοντισμού, Ε i1, των 15 P και 16 S είναι, αντίστοιχα, 101 και 1000 kj mol 1. Δηλαδή, ο P έχει μεγαλύτερη Ε i1 από το S, ενώ θα περιμέναμε το αντίστροφο. Εδώ, ο λόγος είναι διαφορετικός. Ας θυμηθούμε τις δομές των δύο στοιχείων στη στιβάδα Μ: S P Στην περίπτωση του Ρ όλα τα p τροχιακά έχουν την ίδια ενέργεια, οπότε όποιο και να αποσπαστεί θα είναι το ίδιο. Στην περίπτωση, όμως του S, έχουμε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε 3p τροχιακό. Το ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του ζεύγους είναι «εύκολο» να αποσπαστεί λόγω της αμοιβαίας άπωσης μεταξύ των ηλεκτρονίων. Χαρακτηριστικό του διαγράμματος είναι οι υψηλές τιμές Ε i1 των ευγενών αερίων, λόγω της σταθερής ηλεκτρονιακής τους δομής. Παρατηρείται επίσης ότι τα αλκάλια (1η ομάδα του Π.Π.) εμφανίζουν ελάχιστα στις τιμές της ενέργειας ιοντισμού. Αυτό σημαίνει ότι στα μέταλλα αυτά είναι σχετικά εύκολη η απόσπαση ενός ηλεκτρονίου, ότι μετατρέπονται εύκολα σε κατιόντα (άρα οξειδώνονται εύκολα) και ότι παρουσιάζουν αυξημένο μεταλλικό χαρακτήρα. Ας δούμε μία ενδιαφέρουσα εξαίρεση. Οι ενέργειες πρώτου ιοντισμού, Εi1, των 1Mg και 13Αl είναι, αντίστοιχα, 738 και 578 kj mol 1. Δηλαδή, το Mg έχει μεγαλύτερη Εi1 από το Al, ενώ θα περιμέναμε, σύμφωνα με τη θέση των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα, το αντίστροφο. Γιατί; Εδώ θα καταλάβουμε καλύτερα τι ρόλο παίζουν οι υποστιβάδες. Τόσο το Mg, όσο και το Al χάνουν ηλεκτρόνιο από τη στιβάδα M (n = 3), αλλά το Mg χάνει ηλεκτρόνιο 3s, ενώ το Al χάνει ηλεκτρόνιο 3p και καθώς η υποστιβάδα 3p είναι υψηλότερα ενεργειακά από την υποστιβάδα 3s, το ηλεκτρόνιο από την 3p απομακρύνεται ευκολότερα. Tα μέταλλα έχουν σχετικά χαμηλές ενέργειες ιοντισμού, ενώ τα αμέταλλα σχετικά υ- ψηλές ενέργειες ιοντισμού. Έτσι, τα μέταλλα έχουν την τάση να αποβάλλουν ηλεκτρόνια και να μετατρέπονται σε κατιόντα. Για το λόγο αυτό τα μέταλλα χαρακτηρίζονται ως ηλεκτροθετικά στοιχεία. Από την άλλη μεριά, τα αμέταλλα στοιχεία έχουν την τάση να προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια και να μετατρέπονται σε ανιόντα. Για το λόγο αυτό τα αμέταλλα χαρακτηρίζονται ως ηλεκτραρνητικά στοιχεία). 369

384 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 6. Πως αποσπώνται ηλεκτρόνια από τα στοιχεία μετάπτωσης; Ποια ηλεκτρόνια αποσπώνται πρώτα στα στοιχεία μετάπτωσης; Θα θυμηθούμε το παράδειγμα του 9 Cu. H ηλεκτρονιακή δομή του είναι 9 Cu: [ 18 Αr] 3d 10 4s 1, καθώς η d 10 ηλεκτρονιακή δομή είναι ιδιαίτερα σταθερή. Με απόσπαση δύο ηλεκτρονίων προκύπτει το ιόν Cu +, ενώ με απόσπαση ενός ηλεκτρονίου, το ιόν Cu + : Cu + : [ 18 Αr] 3d 10, Cu + : [ 18 Αr] 3d 9 Γενικά, τα ns ηλεκτρόνια αποσπώνται πριν από τα (n 1)d ή τα (n )f ηλεκτρόνια. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι συμβολισμοί για την ηλεκτρονιακή δομή γράφονται κατά τη σειρά αυξανόμενου n και όχι σύμφωνα με την αρχή της δόμησης. Καθώς τα στοιχεία μετάπτωσης μπορούν χάσουν ηλεκτρόνια και από d υποστιβάδες διαθέτουν, συνήθως, πολλούς αριθμούς οξείδωσης (και επομένως σχηματίζουν πολλές ενώσεις), αν και ο πιο κοινός αριθμός οξείδωσης είναι ο + (αποβολή των δύο s ηλεκτρονίων). 7. Πως μεταβάλλεται η ηλεκτραρνητικότητα στον Π.Π. Το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο είναι το 9 F, ενώ το λιγότερο ηλεκτραρνητικό στοιχείο το 87 Fr (φράγκιο). Οι ηλεκτραρνητικότητες των υπολοίπων στοιχείων κυμαίνονται μεταξύ των δύο αυτών ορίων. Στους πίνακες ηλεκτραρνητικότητας δεν συμπεριλαμβάνονται τα ευγενή αέρια καθόσον στην ουσία δεν σχηματίζουν καν ενώσεις. Ζουν στο δικό τους απομονωμένο κόσμο! Παρατηρώντας την ηλεκτραρνητικότητα σε σχέση με τη θέση ενός στοιχείου στον περιοδικό πίνακα, βλέπουμε ότι σε μια περίοδο εμφανίζεται μία διαρκής αύξηση της ηλεκτραρνητικότητας από αριστερά προς τα δεξιά, δηλαδή από τα μέταλλα προς τα αμέταλλα στοιχεία. Παρατηρώντας την ηλεκτραρνητικότητα μεταξύ στοιχείων της ίδιας ομάδας βλέπουμε ότι η ηλεκτραρνητικότητα αυξάνεται από κάτω προς τα πάνω, δηλαδή μειώνεται με αύξηση του ατομικού αριθμού Ζ: Θυμάστε τι είχαμε πει στη σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων με ηλεκτρόνια; Αρχικά το 4s τροχιακό έχει μικρότερη ενέργεια από το 3d και για το λόγο αυτό συμπληρώνεται πρώτο. Στη συνέχεια, όμως, με τη έναρξη της πλήρωσης του 3d τροχιακού, αυτό αποκτά μικρότερη ενέργεια. Για το λόγο αυτό, στην ηλεκτρονιακή δομή γράφουμε την 4s υποστιβάδα μετά την 3d, παρόλο ότι η σειρά πλήρωσης είναι η α- ντίστροφη. Ως ηλεκτραρνητικότητα ορίζεται η ικανότητα έλξης με την οποία ένα άτομο έλκει δεσμικά ηλεκτρόνια προς τα μέρος του (δηλαδή ηλεκτρόνια που συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικού δεσμού μεταξύ δύο ατόμων) μέσα στο μόριο μίας ένωσης. Κατά Pauling οι τιμές της ηλεκτραρνητικότητας κυμαίνονται από 0,8-4. Ηλεκτραρνητικότητα Οι σχετικές τιμές ηλεκτραρνητικότητας ενός στοιχείου μπορούν να χρησιμεύσουν στην πρόβλεψη: Της δραστικότητας ενός στοιχείου (π.χ. μέταλλα με μικρή ηλεκτραρνητικότητα ή αμέταλλα με υψηλή ηλεκτραρνητικότητα θα είναι πολύ δραστικά). Του τύπου του δεσμού (μεγάλη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ δύο στοιχείων οδηγεί στο σχηματισμό ιοντικού δεσμού). Της πολικότητας ενός ομοιοπολικού δεσμού Α Β (όσο μεγαλύτερη η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας, τόσο μεγαλώνει η πολικότητα του δεσμού Α Β). 370

385 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ 8. Πως μεταβάλλονται οι ιδιότητες των στοιχείων με βάση τον Π.Π.; Τα στοιχεία διακρίνονται, γενικά, σε μέταλλα και αμέταλλα. Τα περισσότερα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού, μετατρέπονται εύκολα σε φύλλα και σύρματα, ενώ παρουσιάζουν σχετικά υψηλά σημεία τήξης. Αντίθετα, τα αμέταλλα δεν παρουσιάζουν τις παραπάνω ιδιότητες, ενώ αρκετά απ αυτά είναι αέρια. Τα μέταλλα έχουν την τάση να εμφανίζονται σαν κατιόντα και μηδαμινή τάση να εμφανίζονται σαν ανιόντα. Τα αμέταλλα έχουν την τάση να εμφανίζονται σαν ανιόντα και μηδαμινή τάση να εμφανίζονται σαν κατιόντα. Τα ¾ περίπου των στοιχείων του Π.Π. είναι μέταλλα και καταλαμβάνουν τo μέσο και το αριστερό άκρο του. Τα αμέταλλα βρίσκονται στο δεξιό άκρο του Π.Π., ενώ τέλος τα μεταλλοειδή σχηματίζουν μία διαγώνιο, διαχωριστική μεταξύ μετάλλων και αμετάλλων (βλ. περιοδικό πίνακα). Τα μεταλλοειδή ή ημιμέταλλα παρουσιάζουν κάποιες από τις ιδιότητες των μετάλλων και κάποιες ιδιότητες αμετάλλων, π.χ. το Ge, το Si, το As κτλ.). Ο μεταλλικός χαρακτήρας είναι ισχυρότερος για τα μέταλλα στο αριστερό μέρος του Π.Π. και έχει την τάση να μειώνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά σε μία δοσμένη περίοδο. Σε μία ομάδα του Π.Π. ο μεταλλικός χαρακτήρας αυξάνεται προοδευτικά από πάνω προς τα κάτω. Ισχυρός μεταλλικός χαρακτήρας συνεπάγεται μικρή ενέργεια ιοντισμού, μικρή ηλεκτραρνητικότητα και μεγάλη ηλεκτροθετικότητα, δηλαδή μεγάλη τάση για αποβολή ηλεκτρονίων. Η μείωση του μεταλλικού χαρακτήρα αντιστοιχεί στην αύξηση του μη μεταλλικού χαρακτήρα (αμέταλλα στοιχεία). Τα δραστικά αμέταλλα στοιχεία έχουν μεγάλη ενέργεια ιοντισμού και μεγάλη ηλεκτραρνητικότητα. Συνοπτικά, όλες αυτές οι τάσεις εμφανίζονται στον πίνακα που ακολουθεί: F Πιο δραστικό αμέταλλο Πιο δραστικό μέταλλο Fr Αυξανόμενος μεταλλικός χαρακτήρας, μικρή ενέργεια ιοντισμού, μεγάλη ατομική ακτίνα, μεγάλη ηλεκτροθετικότητα, μικρή ηλεκτραρνητικότητα Αυξανόμενος χαρακτήρας αμετάλλου, μεγάλη ενέργεια ιοντισμού, μικρή ατομική ακτίνα, μικρή ηλεκτροθετικότητα, μεγάλη ηλεκτραρνητικότητα 9. Μεθοδολογία Συγκρίσεις ακτίνων α) Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια ομάδα του Π.Π. Αν με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση προκύπτει ότι τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια ομάδα, τότε όποιο είναι πιο κάτω θα έχει την μεγαλύτερη ατομική ακτίνα γιατί διαθέτει μία ή περισσότερες επιπλέον στιβάδες. β) Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια περίοδο του Π.Π. Πιστοποιούμε ότι τα ανήκουν στην ίδια περίοδο (με βάση την ηλεκτρονιακή τους δομή στη θεμελιώδη κατάσταση) και έτσι όποιο είναι πιο δεξιά θα έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα, καθώς προς τα δεξιά αυξάνεται το δραστικό πυρηνικό φορτίο και άρα οι έλξεις από τον πυρήνα στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας. 371

386 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Αν τα στοιχεία δεν ανήκουν όλα στην ίδια περίοδο ή στην ίδια ομάδα, τότε με βάση την ηλεκτρονιακή τους δομή σημειώνουμε τη θέση τους στον Π.Π. (ομάδα, περίοδος) και όποιο είναι πιο πάνω και πιο δεξιά θα έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα. Στην περίπτωση σωματιδίων (ατόμων, ανιόντων ή κατιόντων) που είναι ισοηλεκτρονιακά (ίδιος αριθμός ηλεκτρονίων), τότε όποιο έχει το μεγαλύτερο πυρηνικό φορτίο (Ζ) θα ασκεί και ισχυρότερες έλξεις τα εξωτερικά ηλεκτρόνια και το μέγεθος του σωματιδίου θα είναι μικρότερο. Συγκρίσεις ενεργειών ιοντισμού (Ε i1 ) α) Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια ομάδα του Π.Π. Προσδιορίζουμε τη θέση των στοιχείων με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση και αν προκύπτει ότι τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια ομάδα, τότε όποιο είναι πιο πάνω θα έχει την μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού. Όσο πάμε προς τα πάνω σε μία ομάδα του Π.Π. μειώνεται ο αριθμός των ενδιάμεσων ηλεκτρονίων και η ατομική ακτίνα του ατόμου με αποτέλεσμα να είναι δυσκολότερη η απόσπαση του ηλεκτρονίου. β) Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια περίοδο του Π.Π. Προσδιορίζουμε τη θέση των στοιχείων με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στη θεμελιώδη κατάσταση και αν προκύπτει ότι τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια περίοδο τότε όποιο είναι πιο δεξιά θα έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού. Όσο πάμε προς τα δεξιά αυξάνεται το δραστικό πυρηνικό φορτίο άρα και η έλξη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας με αποτέλεσμα η απόσπαση του ηλεκτρονίου να απαιτεί μεγαλύτερη ενέργεια. Αν τα στοιχεία δεν ανήκουν όλα στην ίδια περίοδο ή στην ίδια ομάδα, τότε με βάση την ηλεκτρονιακή τους δομή σημειώνουμε τη θέση τους στον Π.Π. (ομάδα, περίοδος) και όποιο είναι πιο πάνω και πιο δεξιά θα έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ 1. Nα εξετάσετε την ισχύ των προτάσεων που ακολουθούν. α) Το άτομου του στοιχείου Z X έχει πάντοτε μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από το άτομο του στοιχείου Z+1 Y. β) Για τις ενέργειες ιοντισμού του 8 Ο και του 16 S, ισχύει: Ε i (O) > E i (S). ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Η πρόταση είναι γενικά λανθασμένη. Αν τα δύο στοιχεία ανήκουν στην ίδια περίοδο, το στοιχείο που βρίσκεται προς τα αριστερά θα έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα, καθώς η ατομική ακτίνα αυξάνεται από δεξιά προς τα αριστερά στην ίδια περίοδο. Αν όμως το στοιχείο Χ είναι ευγενές αέριο (18η ομάδα) το στοιχείο Υ θα ανήκει στην 1η ομάδα της επόμενης περιόδου με αποτέλεσμα να παρουσιάζει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. β) Η πρόταση είναι σωστή. Με βάση την ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων των δύο στοιχείων στη θεμελιώδη τους κατάσταση προκύπτει ότι τα δύο στοιχεία ανήκουν στη 16η ομάδα του Π.Π., το Ο στη η περίοδο και το S στην 3η περίοδο. Η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται όσο πηγαίνουμε προς τα πάνω στην ίδια ομάδα και επομένως το Ο διαθέτει μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού από το S. Αυτό συμβαίνει γιατί το άτομο του S έχει περισσότερα ενδιάμεσα ηλεκτρόνια και μεγαλύτερη ατομική ακτίνα με αποτέλεσμα η α- πόσπαση του ηλεκτρονίου να είναι ευχερέστερη. 37

387 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ. Να υπολογίσετε την ενέργεια ιοντισμού του ατόμου του υδρογόνου σε kj mol 1. Ο αριθμός του Avogadro να θεωρηθεί Ν Α = 6, ΑΠΑΝΤΗΣΗ Για ένα άτομο υδρογόνου η ενέργεια ιοντισμού είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται ώστε το ηλεκτρόνιό του να μεταβεί από τη στιβάδα Κ εκτός της έλξης του πυρήνα, δηλαδή να αποκτήσει ενέργεια ίση με το 0. Καθώς για τη στιβάδα Κ η ενέργεια είναι ίση με, J, η ενέργεια ιοντισμού για ένα άτομο Η θα είναι, J =, kj/άτομο. Για 1 mol ατόμων υδρογόνου που αντιστοιχεί σε Ν Α άτομα, όπου Ν Α = 6, ο αριθμός Avogadro, η ενέργεια ιοντισμού θα είναι: Ε i (H) =, kj/άτομο 6, άτομα/mol 131 kj mol 1 3. Για το άτομο του 13 Al οι τιμές των Ε i1, E i και E i3 έχουν τιμές αντίστοιχα ίσες με 578, και.745 kj mol 1. α) Να γράψετε τις εξισώσεις που αντιστοιχούν στους τρεις πρώτους ιοντισμούς. β) Γιατί για τις διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού ισχύει: Ε i1 < Ε i < Ε i3 < ; γ) H τιμή της Ε i4 είναι ίση με kj mol 1 και παρουσιάζει απότομη αύξηση σε σχέση με την αμέσως προηγούμενή της Ε i3. Να εξηγήσετε το φαινόμενο αυτό. ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Αl(g) Al + (g) + e Ε i1 = 578 kj mol 1 Αl + (g) Al + (g) + e Ε i = kj mol 1 Al + (g) Al 3+ (g) + e Ε i3 =.745 kj mol 1 β) Η απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από ένα ιόν με φορτίο + είναι προφανώς πιο δύσκολη από ότι η απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από ένα ιόν με φορτίο +1 και αυτή με τη σειρά της πιο δύσκολη από ότι η απόσπαση ενός ηλεκτρονίου από ένα ουδέτερο άτομο. Όσο δυσκολότερη είναι, όμως, η απόσπαση του ηλεκτρονίου, τόσο μεγαλύτερη ενέργεια α- παιτεί και συνεπώς θα ισχύει: Ε i1 < Ε i < Ε i3 γ) Η απόσπαση του 4ου ηλεκτρονίου από το άτομο του Al είναι σημαντικά πιο δύσκολη από την απόσπαση του 3ου ηλεκτρονίου, καθώς το Al 3+ παρουσιάζει δομή ευγενούς αερίου ( 13 Al: 1s, s, p 6, 3s, 3p 1, Al 3+ : 1s, s, p 6 ). Επίσης, η απόσπαση του 4ου ηλεκτρονίου αυτού γίνεται από την προηγούμενη στιβάδα, την L, ενώ η απόσπαση των προηγούμενων τριών ηλεκτρονίων ήταν από τη στιβάδα Μ. Επομένως, η Ε i4 είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τη Ε i3. 4. Να συγκρίνετε τις ενέργειες ιοντισμού των στοιχείων 6 C και 9 F. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] ΑΠΑΝΤΗΣΗ 6C: 1s s p 14η ομάδα, η περίοδος, 9 F: 1s s p 5 (17η ομάδα, η περίοδος). Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια περίοδο και επομένως ο C έχει μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού. Πράγματι, όσο πηγαίνουμε προς τα δεξιά στην ίδια περίοδο αυξάνεται το δραστικό πυρηνικό φορτίο (Ζ eff ) και επομένως αυξάνεται η έλξη στα ηλεκτρόνια σθένους με αποτέλεσμα αυξάνεται η ενέργεια ιοντισμού. 373

388 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 5. Δίνονται τα άτομα των στοιχείων: 19 K, 1 Mg, 11 Na, 10 Ne και 14 Si. α) Να ταξινομήσετε τα ηλεκτρόνια των στοιχείων αυτών σε στιβάδες και σε υποστιβάδες και να εντοπίσετε την ομάδα και την περίοδο που ανήκει το καθένα. β) Να ταξινομήσετε τα άτομα αυτά κατά σειρά αυξανόμενης E i1. γ) Ποιο από τα παραπάνω στοιχεία είναι το πιο ηλεκτροθετικό; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) 19 K: 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1 (K L 8 M 8 N 1 ), 4η περίοδος, 1η ομάδα 1Mg: 1s s p 6 3s (K L 8 M ), 3η περίοδος, η ομάδα 11Na: 1s s p 6 3s 1 (K L 8 M 1 ), 3η περίοδος, 1η ομάδα 10Ne: 1s s p 6 (K L 8 ), η περίοδος, 18η ομάδα 14Si : 1s s p 6 3s 3p (K L 8 M 4 ), 3η περίοδος, 14η ομάδα. β) Για την ενέργεια ιοντισμού των στοιχείων της 3ης περιόδου ισχύει: Na < Mg < Si. To Ne έχει μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού από το ευγενές αέριο της 3ης περιόδου, ενώ το Κ έχει μικρότερη ενέργεια ιοντισμού από το Na που ανήκει στην ίδια ομάδα. Επομένως: K < Na < Mg < Si < Νe. γ) Το πιο ηλεκτροθετικό από τα παραπάνω στοιχεία είναι το Κ (η ηλεκτροθετικότητα αυξάνεται προς τα αριστερά σε μία περίοδο και προς τα κάτω σε μία ομάδα του Π.Π.). 6. Να συγκρίνετε το μέγεθος των εξής ανιόντων, κατιόντων και ουδέτερων ατόμων: 16S, 17 Cl, 18 Ar, 19 K +, 0 Ca +. ΑΠΑΝΤΗΣΗ Όλα τα παραπάνω σωματίδια είναι ισοηλεκτρονιακά με δομή: 1s s p 6 3s 3p 6. Στα ισοηλεκτρονιακά κατιόντα, όσο μεγαλύτερο είναι το πυρηνικό φορτίο, τόσο μικρότερο είναι το κατιόν. Επομένως Ca + < K +. Επίσης, λόγω μεγαλύτερου πυρηνικού φορτίου, το Κ + είναι μικρότερο από το Ar. Τα ισοηλεκτρονιακά ανιόντα, τώρα, είναι τόσο μεγαλύτερα, όσο μεγαλύτερο φορτίο διαθέτουν, δηλαδή: Cl < S. Τελικά: To «κουμπί» της άσκησης είναι να δει κανείς ότι όλα τα σωματίδια είναι ισοηλεκτρονιακά. Ca + < K + < Ar < Cl < S 7. Τα άτομα τεσσάρων στοιχείων του p-τομέα Α, Β, Γ και Δ έχουν δομή εξωτερικής στιβάδας s p 3, 3s 3p, 4s 4p 1 και 4s 4p, αντίστοιχα. α) Να ταξινομηθούν τα στοιχεία αυτά κατ αύξουσα ενέργεια ιοντισμού και κατ αύξουσα ατομική ακτίνα. β) Ποιο είναι το σταθερότερο ανιόν που μπορεί να σχηματίσει το στοιχείο Α; ΑΠΑΝΤΗΣΗ α) Με βάση την ηλεκτρονιακή δομή της εξωτερικής στιβάδας συμπεραίνουμε ότι τα στοιχεία Α, Β, Γ και Δ ανήκουν, αντίστοιχα, στην η περίοδο και 15η ομάδα, στην 3η περίοδο και 14η ομάδα, στην 4η περίοδο και 13η ομάδα και τέλος στην 4η περίοδο και 14η ομάδα. Γνωρίζοντας ότι η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά σε μία περίοδο και από τα κάτω προς τα πάνω σε μία ομάδα συμπεραίνουμε Η σειρά με την οποία αυξάνεται η ατομική ακτίνα είναι ακριβώς η αντίστροφη: Α, Β, Δ, Γ. β) Το σταθερότερο ανιόν θα πρέπει να έχει δομή ευγενούς αερίου και επομένως θα πρέπει να προσλάβει τρία ηλεκτρόνια: Α 3. 13η 14η 15η Α Β Γ Δ 374

389 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ Όλα τα θέματα αναφέρονται στη θεμελιώδη κατάσταση των ατόμων, εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά Σε ένα διάγραμμα της ενέργειας πρώτου ιοντισμού (Ε i1 ) των ατόμων ως συνάρτηση του ατομικού τους αριθμού (Ζ) παρατηρούμε ότι: Α) Τα ευγενή αέρια βρίσκονται στα ελάχιστα και τα αλογόνα στα μέγιστα Β) Τα αλκάλια βρίσκονται στα ελάχιστα και τα ευγενή αέρια στα μέγιστα Γ) Τα ευγενή αέρια βρίσκονται στα μέγιστα και τα αλογόνα στα ελάχιστα Δ) Τα στοιχεία μετάπτωσης βρίσκονται στα μέγιστα και τα αλογόνα στα ελάχιστα 17.. Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού E i1 για το άτομο του Mg είναι η ενέργεια που απαιτείται για τη διεργασία που περιγράφεται από την εξίσωση: A) Mg(g) Mg + (g) B) Mg(g) Mg + (g) + e Γ) Mg + (g) Mg + (g) + e Δ) Mg(g) Mg + (g) + e Α) Το Α Β) Το Β Γ) Το Γ Δ) Το Δ Ποιο από τα παρακάτω άτομα ή ιόντα απαιτεί τη μεγαλύτερη ενέργεια για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου σε αέρια κατάσταση; A) He B) 10 Ne Γ) 18 Ar Δ) He Το στοιχείο της 3ης περιόδου του περιοδικού πίνακα με τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα έχει ηλεκτρονιακή δομή: Α) 1s s p 6 3s 1 Β) 1s s p 6 3s Γ) 1s s p 6 3s 3p 1 Δ) 1s s p 6 3s 3p 6 4s Θεωρήστε τα στοιχεία με Ζ = 8, 9, 10 και 11. Ποιο από τα παρακάτω διαγράμματα παριστάνει τη μεταβολή στην Ε i1 των στοιχείων αυτών σε σχέση με τον ατομικό τους αριθμό; Ποιο από τα παρακάτω στοιχεία έχει τη μεγαλύτερη τιμή E i1 ; Α) He Β) 3 Li Γ) 9 F Δ) 11 Na Ε i1 Ε i Ποιο από τα παρακάτω στοιχεία έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; Α) το 4Be Β) το 1Mg Γ) το 19K Δ) το 37Rb A) B) i. Ποιο από τα παρακάτω άτομα έχει τη μικρότερη τιμή της Ε i1 ; Α) το 4Βe Β) το 11Na Γ) το 19K Δ) το 0Ca ii. Για ποιο από τα παρακάτω άτομα ή ιόντα απαιτείται μικρότερη ενέργεια για την απόσπαση ενός ηλεκτρονίου; Α) 3 Li Β) 11 Na Γ) 1 Μg Δ) 18 Ar Ε i1 Ζ Ε i1 Ζ Ποιος από τους παρακάτω ομοιοπολικούς δεσμούς είναι περισσότερο πολωμένος; A) C O B) C Cl Γ) B Cl Δ) B O Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί των στοιχείων Β, C, O, Cl ίσοι με 5, 6, 8 και 17, αντίστοιχα Η σειρά αυξανόμενης ενέργειας ιοντισμού για τα στοιχεία 3 Li, 6 C, 10 Ne και 11 Νa, είναι: Α) Li, C, Νa, Ne Β) Νa, Li, C, Ne Γ) Ne, C, Νa, Li Δ) C, Νa, Ne, Li Ποια από στις παρακάτω δομές εξωτερικής στιβάδας στη θεμελιώδη κατάσταση αντιστοιχεί σε άτομο με τη μεγαλύτερη E i1 ; Α) 3s 3p 1 Β) 3s 3p Γ) 3s 3p 3 Δ) 4s 4p Ποιο τα παρακάτω στοιχεία μπορεί να είναι μεταλλοειδές; Α) 33 As Β) 36Kr Γ) 37Rb Δ) 8O Ποιο τα στοιχεία, 13 Α, 16 Β, 19 Γ, 1 Δ, είναι αμέταλλο; Γ) Ζ Δ) Θεωρήστε τις δομές Ι - IV που αντιστοιχούν σε ουδέτερα άτομα: I: 1s s p 6 3s, II: 1s s p 6 3s 3p, III: 1s s p 6 3s 3p 4, IV: 1s s p 6 3s 3p 6. Ποια από τις δομές αυτές αντιστοιχεί σε άτομο με τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού, E i1 ; Α) Η δομή I Β) Η δομή II Γ) Η δομή III Δ) Η δομή IV Ποιο από τα παρακάτω άτομα σε αέρια κατάσταση προβλέπετε να έχει τη μεγαλύτερη τιμή της E i ; A) 6 C B) 3 Li Γ) 9 F Δ) 10 Ne Δίνονται οι τιμές των τεσσάρων διαδοχικών ενεργειών ιοντισμού, Ε i1 - E i4, στοιχείου Σ σε αέρια κατάσταση: 578, 1.817,.745 και (σε kj mol 1 ). Ποιο από τα παρακάτω στοιχεία μπορεί να είναι το Σ; Α) 11 Na Β) 1 Mg Γ) 13 Al Δ) 14 Si Ζ 375

390 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Ποια είναι η σωστή σειρά κατά μειούμενη ακτίνα των σωματιδίων: 9F, 10 Ne και 11 Na + A) F > Ne > Na + B) Ne > Na + > F Γ) Na + > F > Ne Δ) F > Na + > Ne Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού για το άτομο του 16 S σε αέρια κατάσταση είναι 999 kj mol 1, ενώ η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του για το άτομο του 15Ρ επίσης σε αέρια κατάσταση είναι 101 kj mol 1. Πως ερμηνεύονται τα δεδομένα αυτά; A) Παραβιάζεται ο κανόνας του Hund B) Οι ενέργειες ιοντισμού μειώνονται από τα δεξιά προς τα αριστερά σε μία περίοδο του περιοδικού πίνακα Γ) Η ημισυμπληρωμένη δομή p 3 είναι πιο σταθερή από μία ηλεκτρονιακή δομή με ένα ηλεκτρόνιο περισσότερο Δ) Οι ενέργειες ιοντισμού μειώνονται από κάτω προς τα πάνω σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Α) Κατά μήκος μιας περιόδου του περιοδικού πίνακα η ατομική ακτίνα ελαττώνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά. Β) Σε μια ομάδα του περιοδικού πίνακα η ατομική ακτίνα ελαττώνεται καθώς προχωρούμε από πάνω προς τα κάτω. Γ) H ενέργεια του πρώτου ιοντισμού έχει μεγαλύτερη τιμή από την τιμή της ενέργειας του δεύτερου ιοντισμού Να εξηγήσετε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας στις περιπτώσεις λανθασμένων προτάσεων. Α) Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού ενός στοιχείου που βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση είναι μικρότερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του στη θεμελιώδη κατάσταση. Β) Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του ατόμου ενός στοιχείου με ατομικό αριθμό Ζ είναι πάντα μεγαλύτερη από την ενέργεια πρώτου ιοντισμού του ατόμου ενός άλλου στοιχείου με ατομικό αριθμό (Ζ + 1). Γ) Γενικά, στο περιοδικό σύστημα η ατομική ακτίνα μεταβάλλεται, όπως και η τιμή της Ε i1. Δ) Το στοιχείο X με δομή εξωτερικής στιβάδας 3s 1 έχει μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού από αυτή του στοιχείου Y με δομή εξωτερικής στιβάδας 3s 3p 6. Ε) Τα αμέταλλα έχουν μικρότερες ατομικές ακτίνες από τα μέταλλα που ανήκουν στην ίδια περίοδο του περιοδικού πίνακα. ΣΤ) Στα στοιχεία μεταπτώσεως μιας περιόδου, η αύξηση του ατομικού αριθμού συνοδεύεται από μικρή ελάττωση της ατομικής ακτίνας καθώς τα επιπλέον ηλεκτρόνια που συμπληρώνουν εσωτερικές στιβάδες d, που ελάχιστα επηρεάζουν την ατομική ακτίνα Να εξηγήσετε αν οι προτάσεις που ακολουθούν είναι σωστές ή όχι. Α) Η Ε i1 του 37 Rb είναι μικρότερη από την Ε i1 του 11 Na. Β) Το στοιχείο με Ζ = 87 είναι το πιο δραστικό μέταλλο και έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα 376 Γ) Το στοιχείο με ατομικό αριθμό Ζ = 36 έχει πολύ μεγάλη Ε i1, μικρότερη πάντως από την Ε i1 του στοιχείου με ατομικό αριθμό Ζ =. Δ) Η E i του 3 Li είναι πολύ μεγαλύτερη της αντίστοιχης του 4 Be. Ε) Από τα ισοηλεκτρονιακά σωματίδια, O, F, Ne και Na το μικρότερο μέγεθος έχει το Νa +. ΣΤ) Το μεγαλύτερο ποσοστό της Ε i1 για το άτομο του υ- δρογόνου αντιστοιχεί στη μετάβαση του ηλεκτρονίου από τη στιβάδα Κ στη στιβάδα L Να γράψετε τον ορισμό της ενέργειας ιοντισμού (Ε i1 ) και να αναφέρετε τις παραμέτρους που την καθορίζουν Να εξηγήσετε γιατί σε μία σειρά στοιχείων μετάπτωσης η ατομική ακτίνα μειώνεται ελάχιστα όσο πηγαίνουμε προς τα δεξιά της περιόδου Να διατάξετε τις ομάδες στοιχείων κατά σειρά αυξανόμενης τιμής E i1. α) 3 Li, 11 Na, 19 K, 37 Rb, 55 Cs, 87 Fr. β) 11 Na, 1 Mg, 13 Al, 14 Si, 15 P, 16 S, 17 Cl, 18 Ar Να αντιστοιχήσετε τα στοιχεία με τις ατομικές τους ακτίνες (1 Å = 10 8 cm). Α. 11Na 1.,7 Å Β. 17Cl. 1,54 Å Γ. 19K 3.,48 Å Δ. 37Rb 4. 0,99 Å Δίνονται τα στοιχεία: 11Na, 17Cl, 19Κ. α) Να βρείτε τη θέση των παραπάνω στοιχείων στον περιοδικό πίνακα, δηλαδή την ομάδα, την περίοδο και τον τομέα. β) Να ταξινομήσετε τα παραπάνω στοιχεία κατά αύξουσα ατομική ακτίνα και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] Δίνονται τα στοιχεία 11 Χ και 9 Υ. α) Πώς κατανέμονται σε υποστιβάδες τα ηλεκτρόνια των ατόμων Χ και Ψ, όταν αυτά βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση; β) Ποιο από τα άτομα Χ και Ψ έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Δίνονται τα στοιχεία 11 Νa και 17 Cl. α) Ποιες είναι οι ηλεκτρονιακές δομές των ατόμων τους στη θεμελιώδη κατάσταση; β) Ποιο από τα δύο αυτά στοιχεία έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Στον πίνακα που ακολουθεί εμφανίζονται οι πρώτες οκτώ ενέργειες ιοντισμού (σε MJ mol 1 ) ενός αμετάλλου.

391 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ Ε i1 1,3 Ε i 3,4 Ε i3 5,3 Ε i4 7,5 Ε i5 11 Ε i6 13,3 Ε i7 71,3 Ε i8 84 α) Πόσα ηλεκτρόνια σθένους πιθανολογείτε να έχει το στοιχείο; β) Σε ποια ομάδα του Π.Π. μπορεί να ανήκει; Ο πίνακας που ακολουθεί δίνει τις τιμές των διαδοχικών ενεργειών ιοντισμού (σε KJ mol 1 ) πέντε στοιχείων Α, Β, Γ, Δ και Ε του περιοδικού πίνακα με διαδοχικούς ατομικούς αριθμούς. Ποιο στοιχείο μπορεί να ανήκει στη η (ΙΙΑ) ομάδα του περιοδικού πίνακα; Ε i1 Ε i Ε i3 Ε i4 Α Β Γ Δ Ε Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Nα θεωρήσετε τα εξής άτομα: 16 S, 17 Cl, 3 Ge και 34Se. α) Ποια η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων αυτών στη θεμελιώδη τους κατάσταση; β) Να κατατάξετε τα στοιχεία κατά φθίνουσα ατομική ακτίνα Nα θεωρήσετε τα στοιχεία της 3ης περιόδου του Π.Π. Ποιος ο ατομικός αριθμός του στοιχείου, που: α) Έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα. β) Είναι το πιο ηλεκτραρνητικό. γ) Είναι το πιο δραστικό μέταλλο. δ) Σχηματίζει οξείδιο του τύπου Χ + Ο Δίνεται το διάγραμμα των ενεργειών πρώτου ιοντισμού E i1 (σε kj/mol) των στοιχείων ως συνάρτηση του α- τομικού τους αριθμού Z. Στο διάγραμμα αυτό να τοποθετήσετε τα ευγενή αέρια και τα αλκάλια. Τα ευγενή αέρια είναι κατά σειρά: He, 10 Ne, 18 Ar, 36 Kr, 54 Xe και 86 Rn, ενώ τα αλκάλια είναι 3 Li, 11 Na, 19 K, 37 Rb, 55 Cs, 87 Fr. β) Από τα άτομα, 38 Sr, 49In, 51 Sb, 5 Te, 84 Po, ποιο έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα; Εξηγείστε α) Ποιο κατιόν έχει μικρότερο μέγεθος, το 11 Na + ή το 1 Mg + ; β) Ποιο από τα ανιόντα, 8 O, 9 F και 16 S έχει το μικρότερο μέγεθος; Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας Να διευθετήσετε τα άτομα που ακολουθούν κατά σειρά αυξανόμενης ατομικής ακτίνας: 6 C, 9 F, 11 Na και 13 Al Να ταξινομήσετε τα σωματίδια, O, F, S και S σε σχέση με το μέγεθός τους (από το μικρότερο προς το μεγαλύτερο). Δίνονται οι ατομικοί αριθμοί, Ο:8, F:9, S:16. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Να εξηγήσετε τη διαφορά στην ενέργεια πρώτου ιοντισμού, E i1, μεταξύ των στοιχείων: α) 1 Η και He. β) 3 Li και 19 K Στο διάγραμμα που ακολουθεί εμφανίζονται οι ε- νέργειες ιοντισμού (σε kj mol 1 ) στα άτομα των στοιχείων με Ζ = Να εξηγηθούν οι σχετικές τιμές τους για τα άτομα των 4 στοιχείων που περιλαμβάνονται στο διάστικτο πλαίσιο C N F O Ne Na Το άτομο ενός στοιχείου Χ έχει μεγαλύτερη ακτίνα από το άτομο ενός άλλου στοιχείου Υ. Ποιο στοιχείο προβλέπετε να έχει μεγαλύτερη τιμή της Ε i1 ; Εξηγείστε Δύο διαφορετικά αλογόνα Χ και Υ σχηματίζουν διατομικά μόρια του τύπου Χ Υ. Σε ποιο από τα μόρια, Cl F, Br F, I F, Br Cl, I Cl και I Br, ο ομοιοπολικός δεσμός είναι περισσότερο πολωμένος; Εξηγείστε α) Θεωρήστε το άτομο του 11 Na. Να εξηγήσετε γιατί υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ των E i1 και E i, καθώς επίσης και μεταξύ των E i9 και E i10. β) Tο Νa + και το 10 Νe είναι ισοηλεκτρονιακά. Η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού του Na έχει τιμή E i = 456 kj mol 1. Η ενέργεια πρώτου ιοντισμού του Ne έχει τιμή E i1 = 081 kj mol 1. Να εξηγήσετε τη διαφορά. Z α) Ποιος ο ατομικός αριθμός του μικρότερου ατόμου της 13ης (ΙΙΙΑ) ομάδας; 377

392 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Για καλούς λύτες Οι τιμές για τις ενέργειες ιοντισμού E i1, E i, E i3 και E i4 ενός στοιχείου είναι, αντίστοιχα, 738, 1.451, και kj mol 1. α) Να πιθανολογήσετε την αιτία της μεγάλης διαφοράς μεταξύ E i και E i3 και να προβλέψετε την ομάδα του Π.Π. που μπορεί να ανήκει το στοιχείο αυτό. β) Αν είναι επιπλέον γνωστό ότι ανήκει στην τρίτη περίοδο: i. να ταξινομήσετε τα ηλεκτρόνιά του σε στιβάδες και σε υποστιβάδες, στη θεμελιώδη κατάσταση, και ii. να προσδιορίσετε το άθροισμα των κβαντικών αριθμών spin Το στοιχείο Α είναι το 1ο στοιχείο της 7ης (VΙΙΒ) ομάδας του περιοδικού πίνακα. α) Ποιος ο ατομικός αριθμός (Ζ) του ατόμου του στοιχείου Α και ποια η ηλεκτρονιακή του δομή στη θεμελιώδη κατάσταση; β) Πόσα μονήρη ηλεκτρόνια και πόσα ηλεκτρόνια με m l = 1 διαθέτει το άτομο του στοιχείου Α στη θεμελιώδη του κατάσταση; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. γ) Να συγκρίνετε την ενέργεια ιοντισμού του ατόμου του Α με τις ενέργειες ιοντισμού των ατόμων 35 Br και 10 Ne. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας Οι διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού για τα πέντε ηλεκτρόνια του 5 Β, είναι: 801, 430, 3.670, και kj mol 1. α) Γιατί υπάρχει αύξηση των διαδοχικών τιμών των ενεργειών ιοντισμού; β) Γιατί υπάρχει τόσο μεγάλη διαφορά μεταξύ των E i3 και E i4 ; γ) Οι τιμές των τεσσάρων πρώτων ενεργειών ιοντισμού για το Β είναι πολύ μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες τιμές για το 13 Al. Να εξηγήσετε γιατί Δίνονται τα στοιχεία: 9 F, 1 Mg, 13 Al, 15 P, 17 Cl και 0Ca. α) Να αντιστοιχήσετε τα στοιχεία με τις τιμές των E i1 στον πίνακα που ακολουθεί. Στοιχεία Ε i1 (kj mol 1 ) Α. F Β. Mg. 590 Γ. Al Δ. P Ε. Cl ΣΤ. Ca β) Ένα από τα στοιχεία αυτά ανήκει στην 3η περίοδο και έχει: E i = 1451 kj mol 1 και E i3 = 7733 kj mol 1. Ποιο μπορεί να είναι το στοιχείο αυτό; γ) Ποιο από τα παραπάνω στοιχεία περιμένετε να έχει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα και ποιο τη μικρότερη. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. δ) Να συγκρίνετε τις ιοντικές ακτίνες των Ca + και Cl Ένα ξεχωριστό θέμα Το απλουστευμένο διάγραμμα των ενεργειών του ατόμου του 11 Na δίνεται στο διπλανό σχήμα (1 ev = 1, J). α) Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή ενός ατόμου Na στη θεμελιώδη του κατάσταση. Ποια η ενέργεια (σε ev) της κατάστασης αυτής, σύμφωνα με το διάγραμμα; β) i. Ποιες από τις ενέργειες που εμφανίζονται στο παραπάνω σχήμα αντιστοιχούν σε διεγερμένες καταστάσεις ενός ατόμου Νa; ii. Ποια η πιθανή ηλεκτρονιακή δομή για ένα άτομο Na που διαθέτει ενέργεια ίση με 3,03 ev; Ε (ev) 0 E 5 = 0,85 E 4 = 1,38 E 3 = 1,5 E = 1,94 E 1 = 3,03 γ) Οι λυχνίες Νa περιέχουν ατμούς Na σε χαμηλή πίεση και χρησιμοποιούνται για το E 0 = 5,14 φωτισμό οδικών σηράγγων, παράγοντας ένα έντονο κίτρινο φωτισμό. Στις λυχνίες αυτές τα άτομα Na διεγείρονται από δέσμη ηλεκτρονίων που διατρέχει το σωλήνα της λάμπας. Ο κίτρινος φωτισμός προκύπτει από τη μετάπτωση ενός ηλεκτρονίου από την πρώτη διεγερμένη του κατάσταση στη θεμελιώδη. i. Ποια η ενέργεια του φωτονίου (σε ev) και ii. ποιο το μήκος κύματος λ που παράγεται κατά τη μετάπτωση αυτή; Δίνονται: h = 6, J s και c = m s 1. δ) Ένα άτομο Νa που βρίσκεται στην κατάσταση E 1 απορροφά ένα φωτόνιο ενέργειας 1,09 ev. i. Τι αποτέλεσμα θα έχει η απορρόφηση αυτή; ii. Ποια η ηλεκτρονιακή δομή της νέας αυτής κατάστασης του ατόμου του Na; ε) i. Ποια η τιμή της ενέργειας πρώτου ιοντισμού σε ev για το άτομο του Na με βάση το παραπάνω διάγραμμα; ii. Να συγκρίνετε την ενέργεια αυτή με την ενέργεια ιοντισμού ενός ατόμου Mg (Ζ = 1). 378

393 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ Χημεία και τέρατα: «Κάποτε στην Ανατολή!» Τα τελευταία χρόνια, τα στοιχεία με ατομικούς αριθμούς Ζ = έχουν ονομαστεί Darmstadtium ( 110 Ds), Roentgenium ( 111 Rg), Copernicium ( 11 Cn), νιχόνιο ( 113 Nh), φλερόβιο ( 114 Fl), μοσκόβιο ( 115 Mc), λιβερμόριο ( 116 Lv), τεννεσίνιο ( 117 Ts) και ογκάνεσον, ( 118 Og). Τα στοιχεία είναι τόσο μεγάλα και ασταθή που μπορούν να δημιουργηθούν μόνο στο εργαστήριο και γρήγορα (ακαριαία, σχεδόν) διασπώνται σε άλλα στοιχεία. Είναι γνωστά ως υπερβαρέα στοιχεία. Η ονομασία των τεσσάρων από αυτά τα στοιχεία (Ζ = 113, 115, 117 και 118) ανακοινώθηκε εντελώς πρόσφατα (8 Ιουνίου 016) και με αυτά έκλεισε και η 7η περίοδος του περιοδικού πίνακα. Τα ονόματα θα «κλειδώσουν» από τις Διεθνείς Ενώσεις Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (ΙUPAC) και Φυσικής (IUPAP), έπειτα από 5μηνη διαβούλευση και υπό την προϋπόθεση ότι δεν θα υπάρξουν αντιρρήσεις. Αν όλα πάνε καλά, η διαδικασία για την επικύρωση των ονομάτων από τους αρμόδιους φορείς, θα έχει ολοκληρωθεί ως το τέλος του έτους. To τελευταίο στοιχείο που ανακαλύφθηκε ήταν το νιχόνιο (Nh), που ονομάστηκε έτσι από τη λέξη Nihon (Ιαπωνία, στα ιαπωνικά = η χώρα του ανατέλλοντος ηλίου!). Ανακαλύφθηκε στον ιαπωνικό επιταχυντή RIKEN της Ιαπωνίας και είναι το πρώτο που ανακαλύφθηκε σε ασιατική χώρα και η ερευνητική ομάδα ελπίζει ότι η πίστη στην επιστήμη θα αποκατασταθεί μετά το πλήγμα που υπέστη εξαιτίας της καταστροφής στο πυρηνικό κέντρο της Φουκουσίμα, το 011. «Μέχρι τώρα, όλα τα στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα, είχαν ανακαλυφθεί στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ. Το γεγονός ότι εμείς, στην Ιαπωνία, βρήκαμε ένα από τα μόλις 118 ατομικά στοιχεία που είναι γνωστά, κάνει την ανακάλυψή μας σπουδαία», είπε ο Kosuke Morita (δεξιά στη φωτογραφία, γεμάτος υπερηφάνεια), επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας που έκανε την ανακάλυψη. Οι μελέτες που οδήγησαν στην ανακάλυψη νέων στοιχείων προσέφεραν μια ενθαρρυντική ένδειξη: δεν αποκλείεται να υπάρχουν ακόμα βαρύτερα στοιχεία που παραμένουν σταθερά για περισσότερο χρόνο, κάτι που θα διευκόλυνε την ανίχνευσή τους. Ήδη, ερευνητές σε όλο τον κόσμο εργάζονται ήδη για τη δημιουργία των στοιχείων 119 και 10, των πρώτων στοιχείων της 8ης περιόδου του περιοδικού πίνακα! Σύμφωνα με τους κανόνες της IUPAC τα ονόματα των νέων στοιχείων θα πρέπει να σχετίζονται με τη μυθολογία ή κάποιο ο- ρυκτό ή τοποθεσία (χώρα) ή κάποια ιδιότητα ή τέλος με το όνομα κάποιου επιστήμονα. Επίσης, τα νέα στοιχεία πρέπει να έχουν την κατάληξη «-ium» για τις ομάδες 1-16, «-ine» για την ομάδα 17 και «-on» για την ομάδα 18 (International Union of Pure and Applied Chemistry, 015). Το μοσκόβιο, φέρει το όνομα της Μόσχας, καθώς ανακαλύφθηκε από το ρωσικό Κοινό Ινστιτούτο Πυρηνικών Ερευνών Ντούμπνα. Το τενεσίνο, παραπέμπει στο Τενεσί, την πολιτεία όπου βρίσκονται το Εθνικό Εργαστήριο Όακ Ριντζ και το Πανεπιστήμιο Βάντερμπιλτ, που έκαναν και τη σχετική ανακάλυψη. Τέλος το ογκάνεσον, πήρε το όνομά του από τον Ρώσο καθηγητή πυρηνικής φυσικής Γιούρι Ογκανεσιάν, ο οποίος έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην ανακάλυψή του. 379

394 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 17 Στις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 1-13 να σημειώσετε απλά τη σωστή απάντηση (4x13 = 5 μονάδες). 1. Στοιχείο έχει δομή: 1s s p 6 3s. Ποια από τα ηλεκτρόνιά του εμφανίζουν το μεγαλύτερο δραστικό πυρηνικό φορτίο (Ζ eff ) και ποια την μεγαλύτερη προστασία από το πυρηνικό φορτίο; μεγαλύτερο Ζ eff μεγαλύτερη προστασία Α) Τα 1s Τα s Β) Τα 1s Τα 3s Γ) Τα s Τα 3s Δ) Τα 3s Τα 1s Ε) Τα 3s Τα p 6. Από τα επόμενα στοιχεία τη μικρότερη ατομική ακτίνα έχει το στοιχείο: [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] Α) 6 C Β) 8 O Γ) 9 F Δ) 17 Cl 3. Σε ποια περίπτωση τα άτομα ή τα ιόντα είναι ταξινομημένα κατά αυξανόμενο μέγεθος; A) N, O, F B) Na, Mg, K Γ) Cr, Cr +, Cr 3+ Δ) Cl, Cl, S Ατομικοί αριθμοί, Ν:7, Ο:8, F:9, Na:11, Mg:1, K:19, Cr:4, Cl:17, S: Ποιο από τα παρακάτω σωματίδια σε αέρια φάση και στη θεμελιώδη κατάσταση απαιτεί λιγότερη ενέργεια για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου; Α) 3 Li Β) 11 Na Γ) 18 Ar Δ) 11 Na + 9. Αν η η ενέργεια ιοντισμού του στοιχείου 1 Μg είναι 1451 kj mol 1, τότε η η ενέργεια ιοντισμού του στοιχείου 11Νa μπορεί να είναι: Α) 4563 Β) 75 Γ) 1350 Δ) 1451 [Π.Μ.Δ.Χ.] 10. Ποια από τις ακόλουθες δομές αντιστοιχεί σε άτομο στοιχείου με μεγαλύτερη τιμή της Ε i1 από τον 6 C; Α) 1s s p 6 3s 3p Β) 1s s p 6 3s Γ) 1s s p 1 Δ) 1s s p Στο διάγραμμα που ακολουθεί εμφανίζονται, σε kj mol 1, οι ενέργειες πρώτου ιοντισμού για μία διαδοχική σειρά στοιχείων, (με διαδοχικούς ατομικούς αριθμούς, αρχίζοντας από Ζ = 1) που συμβολίζονται αυθαίρετα ως Α, Β, C, D κτλ. 4. Ποιο από τα άτομα των στοιχείων που ακολουθούν σχηματίζει ιόν με δομή ευγενούς αερίου με το μεγαλύτερο μέγεθος; A) 15 P B) 16 S Γ) 19 K Δ) 0 Ca 5. Για τα άτομα των στοιχείων της 3ης περιόδου από αριστερά προς τα δεξιά, παρατηρούμε: Α) αύξηση της ατομικής ακτίνας και αύξηση της ενέργειας ιοντισμού Β) αύξηση της ατομικής ακτίνας και μείωση της ενέργειας ιοντισμού Γ) μείωση της ατομικής ακτίνας και αύξηση της ενέργειας ιοντισμού Δ) μείωση της ατομικής ακτίνας και μείωση της ενέργειας ιοντισμού 6. Ποια από τις ηλεκτρονιακές δομές εξωτερικής στιβάδας αντιστοιχεί σε άτομο στοιχείου με τη μεγαλύτερη Ε i1 ; Α) s p 1 Β) s p Γ) s p 3 Δ) 3s 3p 3 7. Η τρίτη ενέργεια ιοντισμού του τιτανίου (Ti) αντιστοιχεί στη μετατροπή: Α) Τi + (g) Ti 3+ (g) + e Β) Τi 3+ (g) Ti 4+ (g) + e Γ) Τi 4+ (g) + e Ti 3+ (g) Δ) Τi(g) Ti 3+ (g) + 3 e Ποιο από τα στοιχεία αυτά μπορεί να είναι αλογόνο; Α) Το J Β) Το K Γ) Το Α Δ) Το Β 1. Οι τιμές των ενεργειών ιοντισμού E i1, E i και E i3 του ατόμου στοιχείου είναι 900, και kj mol 1, αντίστοιχα. Το στοιχείο αυτό ανήκει: Α) στην ΙΑ (1η) ομάδα του Π.Π. Β) στην ΙΙΑ (η) ομάδα του Π.Π. Γ) στα ευγενή αέρια Δ) στην ΙVΑ (14η) ομάδα Π.Π. 13. Ένα στοιχείο έχει ισχυρότερο μεταλλικό χαρακτήρα (πιο ηλεκτροθετικό στοιχείο), όταν έχει: Α) μεγαλύτερη ατομική ακτίνα Β) μικρότερη ατομική ακτίνα Γ) μεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα Δ) μεγαλύτερη τιμή της Ε i1 380

395 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ 14. Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές (Σ) ή λανθασμένες (Λ). Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας μόνο στην περίπτωση των λανθασμένων προτάσεων. (16 μονάδες) Α) Στα στοιχεία της ίδιας ομάδας του περιοδικού πίνακα, η ενέργεια πρώτου ιοντισμού αυξάνεται με την αύξηση του ατομικού αριθμού (Ζ). Β) Από τα στοιχεία 17 Cl και 35 Br που ανήκουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα, το 17 Cl έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα. Γ) Το στοιχείο με την μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού από όλα τα στοιχεία της τρίτης περιόδου του Περιοδικού Πίνακα έχει ατομικό αριθμό 18. Δ) Τα μέταλλα έχουν σχετικά υψηλές τιμές ενέργειας ιοντισμού. E) Σε ένα ελεύθερο άτομο, η ενέργεια δεύτερου ιοντισμού του (Ε i ) έχει μικρότερη τιμή από εκείνη του πρώτου ιοντισμού του (Ε i1 ), δηλαδή ισχύει Ε i < Ε i1. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] ΣΤ) Το φορτίο του πυρήνα σε συνδυασμό με τα ενδιάμεσα ηλεκτρόνια καθορίζουν την τιμή του δραστικού πυρηνικού φορτίου. Ζ) Οι παράμετροι που παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση της τιμής της ενέργειας ιοντισμού είναι η ατομική ακτίνα, το πυρηνικό φορτίο και τα ενδιάμεσα ηλεκτρόνια. 15. Να αιτιολογήσετε την ισχύ της πρότασης που ακολουθεί. Αν η ενέργεια ιοντισμού ενός ατόμου είναι E i1 (σε kj mol 1 ), η ελάχιστη συχνότητα φωτός (σε s 1 ή Ηz) που μπορεί να προκαλέσει ιοντισμό στο άτομο δίνεται από τη σχέση, 1000Ει1 ν, ΝΑ h όπου Ν Α ο αριθμός του Avogadro και h η σταθερά του Planck. (3 μονάδες) 16. Δίνονται τα άτομα: 19 Κ, 3 Li, 11 Νa. Να κατατάξετε τα άτομα κατά σειρά αυξανόμενης ατομικής ακτίνας. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] (4 μονάδες) 17. Δίνονται τα στοιχεία 0 Ca και 1 Sc. α) Ποιες είναι οι ηλεκτρονιακές δομές των στοιχείων αυτών στη θεμελιώδη κατάσταση; β) Ποιο από τα δύο αυτά στοιχεία έχει τη μικρότερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. γ) Να γραφούν οι ηλεκτρονιακές δομές των ιόντων Ca + και Sc 3+. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] (4μονάδες) 381

396 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 18. Ένα στοιχείο Χ ανήκει στην 3η περίοδο του Π.Π. και στην 15η (VA) ομάδα. α) Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Χ; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β) Ποιος ο ατομικός αριθμός ενός άλλου στοιχείου Υ που ανήκει στην ίδια ομάδα με το Χ και έχει μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού (Ε i1 ); Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ] (4 μονάδες) 19. Για τα στοιχεία Α, Β, Γ με ατομικούς αριθμούς Ζ, Ζ+1, Ζ+, αντίστοιχα, δίνονται οι ακόλουθες ενέργειες ιοντισμού σε kj mol 1. α) Σε ποια ομάδα του περιοδικού πίνακα ανήκει το στοιχείο B; β) Να αιτιολογήσετε γιατί η Ε i του Β είναι μεγαλύτερη από την Ε i του Γ. γ) Να κατατάξετε τα στοιχεία Α, Β, Γ κατά αύξουσα ατομική ακτίνα. [ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 016] (7 μονάδες) 0. Δίνονται τα στοιχεία Α, Β, Γ και Δ με ατομικούς αριθμούς 11, 14, 16 και 19, αντίστοιχα. α) Να προσδιορίσετε τη θέση των στοιχείων αυτών στον Π.Π. (ομάδα, περίοδο και τομέα). β) Ποιο από τα στοιχεία αυτά έχει τη μικρότερη τιμή της Ε i1 και επίσης τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα; γ) Ποιος ο ατομικός αριθμός ενός στοιχείου που ανήκει στην ίδια ομάδα με το στοιχείο Β και ταυτόχρονα διαθέτει μικρότερη ατομική ακτίνα και μεγαλύτερη ηλεκτραρνητικότητα από αυτό; δ) Δύο από τα στοιχεία αυτά χαρακτηρίζονται ως μέταλλα, ένα ως αμέταλλο και ένα ως μεταλλοειδές. Ποιο είναι ποιο; (10 μονάδες) 38

397 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 1ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ Θέμα Α Για τις παρακάτω ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής Α1 - Α5 να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση (4x5 = 0 μόρια). Α1. Σχετικά με το ατομικό πρότυπο του Bohr για το άτομο του Η, ποια από τις προτάσεις που ακολουθούν είναι λανθασμένη; Α) Η ενέργεια του ηλεκτρονίου αυξάνεται όσο αυξάνεται η τιμή του κύριο κβαντικού αριθμού Β) Σύμφωνα με τη μηχανική συνθήκη, το ηλεκτρόνιο κινείται γύρω από τον πυρήνα σε ορισμένες μόνο επιτρεπόμενες κυκλικές τροχιές καθορισμένης ενέργειας, με άλλα λόγια η ε- νέργεια του ηλεκτρονίου είναι κβαντισμένη Γ) Σύμφωνα με την οπτική συνθήκη, τo ηλεκτρόνιο εκπέμπει ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας, μόνον όταν μεταπηδήσει από τροχιά μεγαλύτερης ενέργειας Ε i σε τροχιά μικρότερης ενέργειας Ε f Δ) Η διαφορά ενέργειας μεταξύ της στιβάδας Κ και της στιβάδας L είναι μικρότερη από τη διαφορά ενέργειας μεταξύ της L και της Μ Α. To ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου έχει m l = 0. Το ηλεκτρόνιο αυτό: Α) βρίσκεται στη στιβάδα Κ Β) βρίσκεται σε τροχιακό s Γ) βρίσκεται σε τροχιακό s ή p Δ) μπορεί να βρίσκεται σε οποιοδήποτε τροχιακό Α3. Ποιος είναι ο μικρότερος ατομικός αριθμός στοιχείου που έχει στη θεμελιώδη του κατάσταση ένα ζεύγος ηλεκτρονίων σε p υποστιβάδα; Α) 4 Β) 8 Γ) 6 Δ) 9 Α4. Ποια από στις παρακάτω ηλεκτρονιακές δομές εξωτερικής στιβάδας αντιστοιχεί σε ά- τομο με τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού σε σχέση με όλα τα υπόλοιπα; Α) s p 1 Β) s p 4 Γ) 3s 3p 3 Δ) s Α5. Σε ποια κατεύθυνση υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα παρουσίας ενός ηλεκτρονίου i. σε τροχιακό s, ii. σε τροχιακό p x ; Α) i. Στον άξονα x, ii. στον άξονα x Β) i. Στον άξονα x, ii. στο επίπεδο που ορίζεται από τους άξονες y και z Γ) i. Στον άξονα x, ii. στους άξονες y και z Δ) i. Σε όλες τις κατευθύνσεις, ii. στον άξονα x Θέμα Β Β1. Nα χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λανθασμένες. Δεν απαιτείται αιτιολόγηση. Α) Ο κύριος κβαντικός αριθμός (n) είναι ενδεικτικός της έλξης πυρήνα - ηλεκτρονίου. Β) Όλα τα στοιχεία που έχουν ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα ανήκουν στη η (ΙΙΑ) ομάδα του περιοδικού πίνακα. Γ) To Al O 3 είναι επαμφοτερίζον οξείδιο. Δ) Από τα στοιχεία 13 Al, 16 S, 17 Cl και 0 Ca το πιο ηλεκτροθετικό στοιχείο είναι το 0 Ca. Ε) Στην κβαντομηχανική εικόνα για το άτομο του Η, το ψ εκφράζει την πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε στοιχειώδη περιοχή (ΔV) του χώρου γύρω από τον πυρήνα, ενώ το eψ εκφράζει την κατανομή ή την πυκνότητα του ηλεκτρονιακού νέφους στο χώρο γύρω από τον πυρήνα. [5 μόρια] 383

398 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Β. Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου, σε διεγερμένη κατάσταση, έχει ενέργεια: 18,1810 E (J) 16 α) Σε ποιες υποστιβάδες μπορεί να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο, αν είναι επίσης γνωστό ότι έχει m l = ; β) Πόσα φωτόνια διαφορετικών συχνοτήτων μπορούν να παραχθούν κατά την αποδιέγερση του ηλεκτρονίου (μετάβαση στη θεμελιώδη κατάσταση είτε απευθείας είτε μέσω ενδιάμεσων στιβάδων); [7 μόρια] Β3. Να θεωρήσετε την 3η περίοδο του περιοδικού πίνακα. α) Πόσα στοιχεία διαθέτει η περίοδος αυτή; β) Να γράψετε τις ηλεκτρονιακές δομές (σε υποστιβάδες) του αλκαλίου και του αλογόνου της 3ης περιόδου, στη θεμελιώδη κατάσταση. γ) Ποιος ο ατομικός αριθμός του στοιχείου της 3ης περιόδου με τα περισσότερα μονήρη (ασύζευκτα) ηλεκτρόνια; δ) Να προσδιορίσετε τον ατομικό αριθμό (Ζ) του στοιχείου της 3ης περιόδου με τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα και του στοιχείου με τη μεγαλύτερη ενέργεια πρώτου ιοντισμού. Σε όλες τις περιπτώσεις να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. [13 μόρια] Θέμα Γ Γ1. Ένα άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση διαθέτει μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα Μ. Να προσδιορίσετε τους δυνατούς ατομικούς του αριθμούς. [10 μόρια] Γ. Ένα ηλεκτρόνιο ενός ατόμου του στοιχείου Χ ανήκει στη στιβάδα σθένους του και χαρακτηρίζεται από τους κβαντικούς αριθμούς: 0, +1/, 1 και 3 (με τυχαία σειρά). α) Ποιος κβαντικός αριθμός αντιστοιχεί σε κάθε τιμή; β) Το άτομο του στοιχείου, στη θεμελιώδη κατάσταση, έχει στη στιβάδα σθένους άλλα τρία ηλεκτρόνια που έχουν την ίδια ενέργεια με το ηλεκτρόνιο που διαθέτει την παραπάνω τετράδα κβαντικών αριθμών. i. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Χ; ii. Ποιος ο ατομικός αριθμός του σεληνίου (Se) αν ξέρουμε ότι βρίσκεται ακριβώς κάτω στον περιοδικό πίνακα από το στοιχείο Χ; iii. Να συγκρίνετε τις ατομικές ακτίνες του στοιχείου Χ με την ατομική ακτίνα του Se. Σε όλες τις περιπτώσεις να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. [15 μόρια] Θέμα Δ Δ1. Στο απόσπασμα του περιοδικού πίνακα που ακολουθεί εμφανίζονται 4 στοιχεία που ανήκουν στις περιόδους, 3 και 4 και στις ομάδες 14η (IVA), 15η (VA) και 16η (VIA). η 3η 4η Ο S Ge As Se α) i. Σε ποιο τομέα του περιοδικού πίνακα ανήκουν τα στοιχεία αυτά; ii. Ποιο ή ποια από τα στοιχεία αυτά διαθέτουν συμπληρωμένη υποστιβάδα τύπου d; β) i. Να γραφεί η ηλεκτρονιακή δομή της εξωτερικής στιβάδας όλων των παραπάνω στοιχείων. ii. Ποιο από τα στοιχεία αυτά έχει μεγαλύτερο άθροισμα κβαντικών αριθμών spin; γ) Ποια από τα στοιχεία αυτά εμφανίζει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα και ποιο τη μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού; δ) Ποιο από τα στοιχεία σχηματίζει με το 1 Μg ένωση με τον περισσότερο ιοντικό χαρακτήρα; Ποιος ο τύπος της ένωσης αυτής; [13 μόρια] 384

399 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Δ. Το δισθενές κατιόν Χ + του ατόμου ενός στοιχείου Χ έχει ηλεκτρονιακή δομή στη θεμελιώδη του κατάσταση: 1s s p 6. α) Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Χ; Ποια η θέση του στοιχείου Χ στον περιοδικό πίνακα (ομάδα, περίοδος, τομέας); β) Το μονοσθενές κατιόν Υ + έχει ηλεκτρονιακή δομή επίσης 1s s p 6 στη θεμελιώδη του κατάσταση. i. Nα συγκρίνετε την ιοντική ακτίνα του κατιόντος Χ + με την ιοντική ακτίνα του κατιόντος Υ +. ii. Να συγκρίνετε τις ατομικές ακτίνες των στοιχείων Χ και Υ. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. [1 μόρια] 385

400 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ Θέμα Α Για τις παρακάτω 7 ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής γράψτε τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση (7 x 3 = 1 μόρια). Α1. Ποια από τις ακόλουθες μεταπτώσεις του ηλεκτρονίου του ατόμου του Η απαιτεί την απορρόφηση φωτονίου μικρότερης συχνότητας; Α) από n = 6 σε n = Β) από n = 4 σε n = 6 Γ) από n = 3 σε n = 6 Δ) από n = 1 σε n = Α. To μήκος κύματος κατά de Broglie ενός σωματιδίου είναι: Α) ανεξάρτητο από την κινητική του ενέργεια, Κ Β) ανεξάρτητο από την ταχύτητά του, υ Γ) ανάλογο με την ταχύτητά του και αντιστρόφως ανάλογο με τη μάζα του Δ) αντιστρόφως ανάλογο με την ορμή του Α3. Ποιο από το παρακάτω είναι το στοιχείο Μ του οποίου το ιόν Μ 3+ έχει δομή 3d, στη θεμελιώδη του κατάσταση; Α) Τi Β) 3 V Γ) 5 Mn Δ) 6 Fe Α4. Πόσα ηλεκτρόνια του ιόντος 30 Zn + στη θεμελιώδη του κατάσταση έχουν m l = 1; Α) Β) 4 Γ) 6 Δ) 8 Α5. Στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, οι ηλεκτρονιακές υποστιβάδες που συμπληρώνονται διαδοχικά στη δεύτερη σειρά των στοιχείων μετάπτωσης (τα στοιχεία μετάπτωσης τις 5ης περιόδου), τις λανθανίδες και τις ακτινίδες είναι, αντίστοιχα οι υποστιβάδες: η σειρά στοιχείων μετάπτωσης Λανθανίδες Ακτινίδες Α) 3d 5f 4f Β) 4d 4f 5f Γ) 4d 5d 6d Δ) 5d 4f 5f Α6. H χημική εξίσωση που αντιστοιχεί στην ενέργεια πρώτου ιοντισμού για το στοιχείο βρώμιο είναι η εξής: Α) Br (g) + e Br (g) Β) Br(g) Br + (g) + e Γ) Br(g) + e Br (g) Δ) Br + (g) + e Br(g) Α7. Θεωρείστε τα οξείδια μερικών στοιχείων τις 3ης περιόδου του Π.Π., Na O, MgO, Al O 3, P 4 O 10 και SO 3. Ποια από τις επιλογές Α, Β, Γ ή Δ αποδίδει τον όξινο (Ο), βασικό (Β) ή επαμφοτερίζοντα (Ε) χαρακτήρα των οξειδίων αυτών; 386 Na O MgO Al O 3 P 4 O 10 SO 3 Α) Ο Ο Ε Β Β Β) Β Β Β Ο Ο Γ) Β Β Ε Ο Ο Δ) Β Β Ε Ε Ε Α8. Να αναφέρετε δύο ομοιότητες και δύο διαφορές της περιγραφής του ατόμου του υ- δρογόνου, α) σύμφωνα με τη θεωρία του Bohr και β) σύμφωνα με την κβαντομηχανική. [4 μόρια]

401 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ Θέμα Β Β1. α) Ποιος είναι ο αριθμός των φασματικών γραμμών εκπομπής που προκύπτουν από η- λεκτρονιακές μεταπτώσεις μεταξύ των 4 πρώτων ενεργειακών στιβάδων του ατόμου του Η; Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. [3 μόρια] E β) Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου υδρογόνου μεταπίπτει από τη στιβάδα Ν στη στιβάδα L και στη συνέχεια από την L στην Κ. Ποια η τιμή του λόγου λ 1 /λ των μηκών κύματος λ 1 και λ των παραγόμενων φωτονίων κατά την πρώτη και τη δεύτερη μετάπτωση; [5 μόρια] Β. Ποια από τις ηλεκτρονιακές δομές Α - Δ που ακολουθούν: A: 1s 3s 1 B: 1s s 3 Γ: 1s s p 6 3s 3p 4 Δ: 1s s p x p y 0 p z 0 α) Αντιβαίνει στην απαγορευτική αρχή του Pauli. β) Αντιβαίνει στον κανόνα του Hund. γ) Αντιστοιχεί σε διεγερμένη κατάσταση. δ) Αντιστοιχεί σε θεμελιώδη κατάσταση. [4 μόρια] Β3. Tο ιόν με φορτίο + ενός στοιχείου έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 9, στη θεμελιώδη κατάσταση. α) Ποια η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου στη θεμελιώδη κατάσταση; β) Σε ποια ομάδα, περίοδο και τομέα ανήκει στο στοιχείο; [6 μόρια] Β4. Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή, στη θεμελιώδη κατάσταση, των ατόμων των στοιχείων που ακολουθούν. [7 μόρια] α) Το πρώτο μέλος των ευγενών αερίων. β) Το στοιχείο του p τομέα με το μικρότερο ατομικό αριθμό. γ) Το στοιχείο μετάπτωσης με το μικρότερο ατομικό αριθμό. δ) Το τρίτο μέλος της ομάδας των αλογόνων. ε) Το στοιχείο της ης περιόδου με το μεγαλύτερο αριθμό ασύζευκτων ηλεκτρονίων. στ) Το αλκάλιο με τη μικρότερη ατομική ακτίνα. ζ) Το στοιχείο της 4ης περιόδου του οποίου το δισθενές κατιόν διαθέτει 5 μονήρη ηλεκτρόνια. Θέμα Γ Γ1. α) Για το άτομο του He δίνεται η εξίσωση που αντιστοιχεί στην ενέργεια πρώτου ιοντισμού: Ηe(g) He + (g) + e, Ε i1 = 37 kj mol 1. i. Nα εξηγήσετε γιατί η τιμή αυτή είναι η μεγαλύτερη από τις τιμές των ενεργειών πρώτου ιοντισμού όλων των άλλων στοιχείων του Π.Π. ii. Να γράψετε την αντίστοιχη εξίσωση που αντιστοιχεί στην ενέργεια δεύτερου ιοντισμού (Ε i ) για το ίδιο στοιχείο. Να συγκρίνετε την Ε i1 με την Ε i. β) Ποιος ο ατομικός αριθμός του μετάλλου Μ για το οποίο θα περιμένατε τη μεγαλύτερη τιμή ενέργειας δεύτερου ιοντισμού (Ε i ) από όλα τα στοιχεία του Π.Π.; Να αιτιολογήσετε σύντομα την επιλογή σας. [10 μόρια] 387

402 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Γ. α) Πόσα στοιχεία, στη θεμελιώδη κατάσταση των ατόμων τους, διαθέτουν μονήρη ηλεκτρόνια στη στιβάδα Μ και ποιοι είναι οι ατομικοί τους αριθμοί; β) Ένα από τα στοιχεία αυτά (Χ) ανήκει στην 16η ομάδα (VIA) του περιοδικού πίνακα. Ποιος είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου Α που ανήκει στην ίδια ομάδα με το Χ και διαθέτει μεγαλύτερη Ε i1 από το Χ; γ) i. Ποιος ο ατομικός αριθμός ενός άλλου στοιχείου Υ που ανήκει στην ίδια περίοδο με το Χ και έχει μεγαλύτερη τιμή ενέργειας πρώτου ιοντισμού (Ε i1 ) από αυτό; ii. Να συγκρίνετε την ατομική ακτίνα του Χ με αυτή του Υ. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. [15 μόρια] Θέμα Δ Δ1. i. Να τοποθετήσετε τα στοιχεία: Ηe, 9 F, 11 Na, 14 Si, 15 P, 17 Cl και 19 Κ στο παρακάτω τμήμα του περιοδικού πίνακα. [3 μόρια] ii. Nα αντιστοιχήσετε τα παραπάνω στοιχεία με τις ενέργειες πρώτου ιοντισμού τους, σύμφωνα με τον πίνακα που ακολουθεί: [7 μόρια] Στοιχεία Ε i1 (kj mol 1 ) Α. He Β. F. 496 Γ. Na Δ. Si Ε. P ΣΤ. Cl Ζ. Κ Δ. Ένα από τα στοιχεία αυτά ανήκει στην 3η περίοδο και έχει τις εξής τιμές για τις διαδοχικές ενέργειες ιοντισμού E i = 1577 kj mol 1, E i3 = 38 kj mol 1, E i4 = 4354 kj mol 1 και Ε i5 = kj mol 1. Να προβλέψετε ποιο μπορεί να είναι το στοιχείο αυτό και να αιτιολογήσετε σύντομα την επιλογή σας. [4 μόρια] Δ3. Να αντιστοιχήσετε τα ίδια στοιχεία με τις τιμές των ατομικών τους ακτίνων (σε Ǻ) σύμφωνα με τον πίνακα που ακολουθεί: [7 μόρια] Στοιχεία Ατομικές ακτίνες (σε Ǻ) Α. He 1. 0,57 Β. F. 1,66 Γ. Na 3. 1,11 Δ. Si 4. 1,07 Ε. P 5. 1,0 ΣΤ. Cl 6.,03 Ζ. Κ 7. 0,8 Δ4. i. Ποιο από τα παραπάνω στοιχεία προβλέπετε να σχηματίζει ιόν του τύπου Χ 3 με ηλεκτρονιακή δομή ευγενούς αερίου; Να γράψετε την ηλεκτρονιακή δομή του ιόντος αυτού. ii. Να συγκρίνετε τις ιοντικές ακτίνες των ιόντων, F, Νa + και Si 4+. [4 μόρια] 388

403 ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ 389

404 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 390

405 ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ 1.1. Δ. 1.. Β Β Δ Δ Γ Δ Δ Δ Γ Α Δ Γ Γ Α Β Δ α) Λ, β) Λ, γ) Σ, δ) Σ, ε) Σ, στ) Σ, ζ) Λ, η) Λ, θ) Σ, ι) Σ Α-3, Β-1, Γ-, Δ , 0, + και Κ: +1, Cl: από +5 σε 1, Ο: από σε 0, οξειδώνεται το Ο, ανάγεται το Cl. 1.. α) 1, +1, +7, +5, β) +3, +6, 3, α) Ι: 3 και 1, ΙΙ: 3 και +1, ΙΙΙ. 3 και +3. β) Μετατροπή Ι ΙΙ. 1ος ορισμός: Αποβολή ατόμων Η, 3ος ορισμός: Αύξηση του ΑΟ ενός ατόμου C από 1 σε +1. Μετατροπή Ι ΙΙΙ. 1ος ορισμός: Αποβολή ατόμων Η και πρόσληψη ενός ατόμου Ο, 3ος ορισμός: Αύξηση του ΑΟ ενός ατόμου C από 1 σε +3. Μετατροπή ΙΙ ΙΙΙ. 1ος ορισμός: Πρόσληψη ενός ατόμου Ο, 3ος ορισμός: Αύξηση του ΑΟ ενός ατόμου C από +1 σε α) Oξειδωτικό: ΜnO, αναγωγικό: HCl. β) ΜnO + 4HCl MnCl + Cl + HO α) οξειδώνεται το Cd και ανάγεται το Ni, β) αναγωγικό είναι το Cd(s) και οξειδωτικό το NiO(s) α), β) KCrO7 + 14HΒr 3Br + CrBr3 + KBr + 7HO. γ) Ως αναγωγικό. δ) Από τα 14 άτομα Br, τα 6 άτομα οξειδώνονται και τα υπόλοιπα διατηρούν τον ΑΟ = Στο προπένιο ο C(1) έχει ΑΟ = και ο C() έχει ΑΟ = 1. Το κύριο προϊόν της αντίδρασης είναι η -προπανόλη, στην οποία ο C(1) έχει ΑΟ = 3 και ο C() έχει ΑΟ = 0. Ο C(1) ανάγεται και ο C() οξειδώνεται α) NH3 + 3CuO Ν + 3Cu + 3HO β) KCrO7 + 3CO + 4HSO4 Cr(SO4)3 + 3CO + KSO4 + 4HO γ) KMnO4+5FeCl +8HCl MnCl+5FeCl3+KCl+4HO δ) KCrO7 + 3CO + 8HCl CrCl3 + 3CO + KCl + 4HO ε) KMnO4 + 10FeSO4 + 8HSO4 MnSO4 + 5Fe(SO4)3 + KSO4 + 8HO στ) 4KMnO4 + 5CH3CHOH + 6HSO4 5CH3COOH + 4ΜnSO4 + KSO4 + 11HO ζ) KCrO7 + 3CH3CH(OH)CH3 + 4HSO4 3CH3COCH3 + Cr(SO4)3 + KSO4 + 7HO ) Al + 3Cu(ΝΟ3) Al(ΝΟ3)3 + 3Cu ) FeO3 + 3C Fe + 3CO 3) 5CO + IO5 5CO + I 4) HNO3 + 3HS NO + 3S + 4HO 5) 4ΗCl + O Cl + HO 6) SO + HS 3S + HO 7) HO + FeCl + HCl FeCl3 + HO 8) 3Cl + 6KOH 5ΚCl + KClO3 + 3HO 9) 3CaOCl + NH3 3CaCl + N + 3HO 10) HNO3 + 3ΗΟ NO + 3O + 4HO 11) S + 4HNO3 4NO + SO + HO 1) KMnO4+16HCl MnCl+5Cl+KCl+8HO 13) KCrO7+14HBr CrBr3+3Br+KBr+7HO 14) KMnO4+5HO+3HSO4 MnSO4+5O+KSO4+8HO 15) KCrO7+3HS+4HSO4 Cr(SO4)3+3S+ KSO4+7HO 16) KMnO4+5SO+3HSO4 +HO ΜnSO4+5HSO4 + KSO4 17) KCrO7 + 3CH3CHOH + 8HSO4 Cr(SO4)3 + 3CH3COOH + KSO4 + 11HO 18) 5HCOOH+ΚMnO4 +3ΗSO4 MnSO4+5CO+KSO4 + 8HO 19) 3Zn + 8HNO3 3Zn(NO3) + NO + 4HO 0) KCrO7+3SnCl+14HCl CrCl3+3SnCl4+KCl + 7HO 1) M + xηso4 M(SO4)x + xso + xho ) (y x)kmno4 + 5ΜClx + 8(y x)hcl (y x)mncl +5MCly + (y x)kcl + 4(y x)ho 3) Ι + 10ΗΝΟ3 ΗΙΟ3 + 10ΝΟ + 4ΗΟ 4) Ca3(PO4) + 6SiO + 10C P4 + 10CO + 6CaSiO KCrO7 + 6FeCl + 14HCl CrCl3 + 6FeCl3 + KCl + 7HO, 100 ml α) O FeCl, γιατί μπορεί να οξειδωθεί σε FeCl3. β) 1,7 g, 3,5 g α) 76%, β. 5 ml % v/v CO και 75% v/v CO Cu + HSO4 CuSO4 + SO + HO (1) x mol x mol x = 1,1/,4 = 0,05 mol. Cu + 4HΝO3 Cu(ΝΟ3) + ΝO + HO 0,05 mol 0,1 mol V= 0,1,4 =,4 L ,5 % w/w β) 3,4 g, 3,81 g Δεν θα αποχρωματιστεί n(no) = 6,7/,4 = 0,3 mol. Μ + 4HΝO3 Μ(ΝΟ3)3 + ΝO + HO 0,3 mol 0,3 mol Για το μέταλλο Μ: n = m/ar, Ar = 16,8/0,3 = β) 4 g α) ΚΜnO4+5SnCl+16HCl MnCl+5SnCl+KCl +8HO β) c = 0,1 Μ, γ) V = 40 ml α) C + HSO4 CO + SO + HO και S + HSO4 3SO + HO. β) 6,88 L α) SO + Cl + ΗΟ ΗSO4 + HCl. β) 0,5 L α) x =, β) 33,33% α) KMnO4 +5CO + 3HSO4 MnSO4 + 5CO + KSO4 + 3HO Οξειδωτικό σώμα είναι το KMnO4 και αναγωγικό το CO. 391

406 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Η ποσότητα του CO(g) είναι n = 5,6/,4 = 0,5 mol και επομένως τα mol του CO είναι 0,5 mol που αντιστοιχούν σε 7 g (για το CO, Μr = 8). γ) Η ποσότητα του KMnO4 που αντιδρά με τα 0,5 mol CO είναι 0,1 mol (από τη στοιχειομετρία της παραπάνω αντίδρασης) και άρα: c = n/v = 0,1/0,5 = 0, M. δ) To M παθαίνει οξείδωση από + σε +x και επομένως η μεταβολή του ΑΟ είναι (x ): (x )ΚMnO4+10MSO4+8(x )HSO4 (x )MnSO4+5M(SO4)x+(x )KSO4+8(x )HO Τα (x ) mol KMnO4 αντιδρούν με 10 mol FeSO4 Tα 0,1 mol 0,5 mol Από την παραπάνω αναλογία προκύπτει: x = α) Η αντίδραση (1) δεν είναι οξειδοαναγωγική, ενώ η αντίδραση () είναι οξειδοαναγωγική. β) 6FeCl + KCrO7 + 14ΗCl 6FeCl3 + CrCl3 + KCl + γ) 57,6% w/w. 7HO α) Οξειδοαναγωγική. Το S οξειδώνεται από +4 σε +6 και το Ι ανάγεται από 0 σε 1. NaSO3 + Ι + ΗΟ NaSO4 + HI. β) 0, Μ. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 1.Γ.Α. 3.Δ 4.Β 5.Δ 6.Β 7. α) Σ, β) Λ. 8. Οξειδοαναγωγική είναι η α (οξειδώνεται το Na και ανάγεται το Η) και η γ (οξειδώνεται ο C από 0 σε +4 και ανάγεται το S από +6 στο ΗSO4 σε +4 στο SO). 9. Οξειδοαναγωγική. Οξειδώνεται ο C() από + σε +3 και ανάγεται ο C(1) από +3 σε + (στο CHCl3). 10. Στις ομοιοπολικές ενώσεις δεν έχουμε αποβολή ηλεκτρονίων, αλλά μόνο μετατόπιση του κοινού ζεύγους ηλεκτρονίων προς το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο. Στην περίπτωση αυτή, ως οξείδωση μπορεί να χαρακτηριστεί μόνο με τον ορισμό της οξείδωσης ως η αύξηση του αριθμού οξείδωσης ενός ατόμου ή ιόντος 11. 3Cu + NH3 3Cu + N + 3HO. H συνολική μεταβολή του ΑΟ του Cu είναι 3 = 6 και η συνολική μεταβολή του ΑΟ του Ν είναι επίσης α) KCrO7+3ΗS+8HCl CrCl3+3S +ΚCl+7HO β) KMnO4+5HO+3HSO4 MnSO4+5O+KSO4+8HO 13. 4,56 g FeSO4, 91,% w/w.. ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ.1. Δ... Β..3. Γ..4. Γ..5. Β..6. Γ..7. α) Λ, β) Λ, γ) Λ, δ) Σ, ε) Λ..8. α) Σ, β) Λ, γ) Σ, δ) Λ..9. Δ..10. Δ..11. Α..1. Β..13. Γ..14. Δ..15. Γ Α..17. Α..18. Β..19. Α..0. Α..1. α) Λ, β) Λ. γ) Σ... α) Ενδόθερμη, γιατί ΔΗ > 0. β) Ε mol ΝΟ Ε a mol ΝΟ, 1 mol Ο ΔΗ πορεία αντίδρασης γ) ΔΗ = 115 kj, Εa = = 149 kj. δ) 1 Δ[ΝΟ ] 1 Δ[ΝΟ] Δ[Ο ] υ = = = Δt Δt Δt.3. Σωστές είναι οι προτάσεις δ, ε..4. α = 1, β =, γ =..5. i. Β. ii. Α: 1 Μ 0 Μ, Β: 0 Μ 1 Μ, Γ: 0 Μ Μ..6. I: Γ, ΙΙ: Β, ΙΙΙ: Δ, ΙV: Α..7. Β..8. Α-α-4, Β-β-3, Γ-δ-, Δ-γ ,01 Μ s α) 0,15 Μ s 1, β) υα = υγ = 0,15 Μ s 1, υβ = 0,3 Μ s 1, γ. Α: 4 Μ 1 Μ, Β: 6 Μ 0 Μ, Γ: 0 Μ 3 Μ..31. α) t1: 3, 4, 1 mol, t:, 3, 3 mol, β) 0, Μ s 1, υα = υβ = 0, Μ s 1, υγ = 0,4 Μ s α) Το Β. Από τις καμπύλες αντίδρασης βλέπουμε ότι η καμπύλη Ι αντιστοιχεί στο αντιδρών Β και δεν τελειώνει με το τέλος της αντίδρασης. β) Γ: 0 Μ 0,4 Μ, Δ: 0 Μ 0,6 Μ. γ) υ = 0,0 Μ s 1. δ) υα = 0,04 Μ s 1, υβ = 0,0 Μ s 1, υγ = 0,04 Μ s 1, υδ = 0,06 Μ s 1. ε) Ίση με το μηδέν (τέλος αντίδρασης)..33. α) x = 3. Α(g) + Β(g) 3Γ(g) + Δ(g) 0,6 0,4 0, 0,4 0,6 0, 0,4 0,6 0, β) υα = 0,0 Μ s 1, υb = 0,04 Μ s 1, υγ = 0,06 Μ s 1, υδ = 0,0 Μ s 1, υ = 0,0 Μ s 1. γ) 0,05 Μ s α) 4 mol. β) 10 Μ s 1. γ) Μ. δ) i. υ = 0, i. [A] = 0, [B] = M, [Γ] = 4 Μ , Μ s α) Oξειδοαναγωγική. To Ο οξειδώνεται από 1 σε 0 και επίσης ανάγεται από 1 σε. β) 0-00 min: υ = 10 5 Μ min 1, υ(ηο) = 10 5 Μ min min: υ = 4, Μ min 1, υ(ηο) = 8, Μ min 1. H ταχύτητα της αντίδρασης μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. γ) V(O) = 0,005,4 = 0,056 L = 56 ml. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1.Δ.Γ 3.Δ 4.Α 5.Β 6.Γ 7.Α 8.Β 9.Α 10.Δ 11. α) Σ, β) Σ.

407 1. υ(ν) = 0,00 mol L 1 s 1, υ(h) = 0,006 mol L 1 s 1, 1 υ(νh3) = 0,004 mol L 1 s 13. α) x = 4 mol. β) υ = 0,01 Μ s 1, υ(cο) = 0,0 Μ s 1, υ(o) = 0,01 Μ s 1, υ(co) = 0,0 Μ s 1. γ) Όχι, γιατί η ταχύτητα της αντίδρασης δεν έχει μηδενιστεί. γ) Έχει ολοκληρωθεί γιατί έχει μηδενιστεί η ποσότητα του CO και επομένως υ = ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ 3.1. Γ. 3.. Γ Δ Δ Β i. Γ, ii. Β Β Α Α Γ Γ Β Α Α Γ α). Λ, β) Σ, γ) Λ, δ) Σ, ε) Σ Ομογενείς είναι η 1 και η Εννοούμε ότι εξελίσσονται και οι δύο αντίθετης φοράς αντιδράσεις με την ίδια όμως ταχύτητα (και επομένως οι ποσότητες των αντιδρώντων και των προϊόντων δεν μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου α = 0, α = 0, α) 6 mol PCl5, mol PCl3, mol Cl, β) 0,6 Μ, 0, Μ, 0, Μ ,68 g ΝΗ α) 0,1, 0,1 και 0, mol, β) / α) λ = 1 mol, μ = 10 mol, β) α = / [CO] = 0,96 M, [H] = 0,3 M, [CH3OH] = 0,04 M α) 0,4 mol N και,6 mol H. β) 50%. γ) 0, α = 0,3 (30%), 1 mol NH α) 0 atm, β) 30 atm, γ),5 atm α) x = y =, β) 0,6 mol, γ) α = / α) 40% v/v NO, 60% v/v Br. β) α = 0,5. γ) κ(νο) = 0,5, κ(βr) = 1/ α) 3 mol, 13 mol, mol, β) 16,67%, 7,% και 11,11%, γ) 0, α) α + β (αx/4), β) 80% α) 4ΝΗ3(g) + 5Ο(g) 4ΝΟ(g) + 6ΗΟ(g). β) 750 mol αέρα. γ),9% v/v σε ΝΗ3. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3 1. Γ. Γ 3. Γ 4. Α 5. α) 0,4 και,6 mol, β) 50%. 6. α) 50%, β) 4 L. 7. α) Καμπύλη 1: Γ, καμπύλη : Β, καμπύλη 3: Α, λ = 3, β) 0,5 mol B, 0,75 mol Γ, γ) 0,8. 4. ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΡΧΗ LE CHATELIER 4.1. Γ. 4.. Γ Γ i. Β, ii. Α Δ Δ Δ Β Α Β Α Β Α Β i. Β, ii. Α Β Β Α Β Δ Α. 4.. α) Λ, β) Σ, γ) Λ, δ) Λ, ε) Λ, ζ) Σ n5, n3, n1, n0, n, n α) Ετερογενής, I: Α, ΙΙ: Γ, λ =, β) i. δεξιά, ii. δε θα μεταβληθεί, γ) t = 0: Q = 0, t = t1: Q = 1/16, t = t: Q = 4/ α) Αυξήσαμε τη θερμοκρασία. β) Από t = 0 μέχρι t = t1 ο λόγος παραμένει σταθερός, από t = t1 μέχρι t = t ο λόγος μειώνεται και για t > t παραμένει σταθερός α) Προσθήκη επιπλέον ποσότητας του Γ(g), 1-A(g), -B(g), 3-Γ(g). β) i. Προς τα δεξιά, ii. προς τα αριστερά. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 4 1.Α.Δ 3.Δ 4.Δ 5.Α 6. α) Σ, β) Σ. 7. α) θα μειωθεί, β) θα μειωθεί, γ) καμία μεταβολή, δ) καμία μεταβολή, ε) καμία μεταβολή. 8. α) Με την προσθήκη NaCl(s) στο διάλυμα προκύπτουν ιόντα Cl (NaCl Na + + Cl ). Η αύξηση της συγκέντρωσης των ιόντων αυτών έχει ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση της ισορροπίας προς τα δεξιά και το κίτρινο χρώμα ενισχύεται (αρχή Le Châtelier). β) Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ισορροπία μετατοπίζεται προς την ενδόθερμη κατεύθυνση (αριστερά). Επομένως, η αντίδραση προς τα δεξιά είναι εξώθερμη (αρχή Le Châtelier). 9. Β (αρχή Le Châtelier). 5. ΣΤΑΘΕΡΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ 5.1. Δ. 5.. Β Α Β Α Γ Δ i. Β, ii. Γ. 393

408 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Γ Γ Γ Β Α Α Α α) Λ, β) Λ, γ) Σ, δ) Λ, ε) Σ K c = 3 K.K 394 c1 c Kc3 = 0, α-4, β-3, γ Εξώθερμο α) Καμπύλη (1): σώμα Δ, καμπύλη (): σώμα Α. β) Θα αυξηθεί. γ) υγ/υβ = 3/. 5.. α) Προς τα αριστερά (αυξάνεται η ποσότητα του CO και μειώνεται του CO), β) μειώνεται α) i. Δεξιά, ii. δεξιά. β) Εξελίσσεται αντίδραση προς τα δεξιά, μέχρι να αποκατασταθεί χημική ισορροπία α) λ = 10 mol, μ = 5 mol, β) 0,6 (60%) α) mol, β) 0,8, 0,8,,4 mol α) i. 0,, 0,1 και 0,1 mol, ii. 0,3 mol, β) 1 mol α) 0,05, β) 18 L α) Από 0,05 mol, β) από 1 mol α) 0,3, 0,1, 0,3 και 0,3 mol, β) 3, γ) 0, α) /3, β) 0,4, γ) 0%, 40% και 40% v/v α) 0,6, β) 3,15, γ) Η: Από 1 Μ 0,4 Μ (ασυμπτωτικά), Ν: από 1 Μ 0,8 Μ (ασυμπτωτικά), ΝΗ3: από 0 Μ 0,4 Μ (ασυμπτωτικά) 5.3. α) 0,5 mol, 75%, β) 0,0675, γ) 0,1 mol α) 0,5, β) 0,4 mol CO, 0,4 mol H, 0, mol CO και 0, mol HO α) i. 0,8, ii. 64. β) 0,8. γ) 0, mol H, 0, mol I και 1,6 mol HI α) 1 mol και 1 mol, β) 16, γ) mol α) 0, mol, β) 0,015, γ) 4 L α) α = 1, β =, γ =, β) οι ενώσεις Α και Β από 10 mol η κάθε μία, γ) α = 0,4 και Κc = 1/ α) 0,065, β) αριστερά, γ) ενδόθερμη α) mol, 0,5, β) 0, α) 4, β) 1, 1 και mol, γ) Δεν ισχύει ο νόμος της Χ.Ι α) 19, 75%, β) θα μειωθεί α) 0,01, 0,0, 0,03 και 0,06 Μ, β) 9, γ) 9,84 atm α) x =, β) Κc = 8, γ) δεν ισχύει ο νόμος της ισορροπίας α) 4, β),, 4 και 4 mol α) 5, β. i. αύξηση, ii. 0 L α) 0,4, 0,4 και 3, mol, β) i. προς τα αριστερά, ii. μειώνεται, μειώνεται, γ) 0,5, 0,5 και 3 mol α) 0,5, 0,5 και 1 mol, β) Η, Ι: Από 0,5 Μ 0,5 Μ (ασυμπτωτικά), ΗΙ: Από 0 Μ 0,5 Μ (ασυμπτωτικά), γ) 0,8, 0,8 και 1,6 mol α) 0,5, 0,5, β) 4, mol α) 4, β) 0,8, γ) 3 ή 1/ α) 0,1 M, β) 0,05 M, γ) 16, g α) 1 L, β),0 mol, γ) L α) i. Kc = 0,05, α = 1/3, ii. 16,4 atm, β) 1,4 mol α), β) 1,5 και 3 mol, γ) ΝΟ: Μ /3 Μ 1 Μ (ασυμπτωτικά), ΝΟ4: Μ /3 Μ 0,5 Μ (ασυμπτωτικά) α) Κc = 1, α = /3. β) 3 mol. γ) [SO3] = 0,8 M, [NO] = 0, M, [SO] = [NO] = 0,3 M (η ισορροπία δεν αλλάζει θέση, αλλά ο υποδιπλασιασμός του όγκου επιφέρει διπλασιασμό όλων των συγκεντρώσεων) α) 0,, β) 0,5 L, γ) Kc =, α) 3 mol NO4 και 6 mol NO, β) 4/9, γ) ενδόθερμη, δ) Kc/Kc = α) Kc = 8, β) α = 5 mol και β = 14 mol, γ) η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα της αντίδρασης προς τα αριστερά, δ) τη χρονική στιγμή t έχει αποκατασταθεί η χημική ισορροπία, ε) προς τα δεξιά η αντίδραση είναι εξώθερμη α) α = /3, β) 15,75 g, γ) x = 0,15 mol ή x = 0,3 mol α) mol, mol, mol. β) 0,01 Μ min 1. γ) x = 3 mol, 1,5 mol, 1,5 mol,,5 mol α) 0,01 Μ min 1, 0,0 Μ min 1, β) 100, γ) προς τα δεξιά, θα αυξηθεί α) i. υ = 0,01 Μ min 1, υ(sο 3 ) = 0,0 Μ min 1, ii. α = /3. β) 6,4 g α),6-4,8-0,8 mol, Kc = 0,3, β) 1,1 L α) HSO4 + ΚΒr SO + Br + KSO4 + ΗΟ. β) 95, g KBr. γ) 0,1 mol H, 0,1 mol Br, 0,6 mol HBr. δ) 0, mol H, 0, mol Br, 0,4 mol HBr α) i. 3Cu + 8ΗΝΟ 3 3Cu(NO 3 ) + NO + 4Η Ο, οξειδοαναγωγική, ii.,4 L NO(g). β) i. Κ c = 4, α = 0,8 (80%), ii M s 1. γ) i. H αύξηση του όγκου δεν επηρεάζει τη θέση της ισορροπίας, αλλά η συγκέντρωση του Ν θα μειωθεί. ii. H μείωση της θερμοκρασίας πηγαίνει την ισορροπία προς τα δεξιά (αύξηση της συγκέντρωσης του Ν ). δ) λ = 3,5 mol α) α = 0,5, Κc =. β) 0,35 mol. γ) όχι. δ) α) 6ΚCl + KCrO7 + 7HSO4 3Cl + Cr(SO4)3 + 4KSO4 + 7HO β) c = 0, M. γ) α = 0,. δ) εξώθερμη, Κc(θ) = 0, α) Κατασκευάζουμε τους πίνακες για τις ισορροπίες: mol PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl (g) Αρχικά 0, Μεταβολές x x x mol COCl (g) CO(g) + Cl (g) Αρχικά 0, Μεταβολές y y y Μετά την αποκατάσταση και των δύο ισορροπιών στο δοχείο θα συνυπάρχουν: (0, x) mol PCl5, x mol PCl3, (x + y) = 0,15 mol Cl, (0, x) mol COCl, y mol CO. Από την έκφραση της σταθεράς για την 1η ισορροπία, έχουμε: x (x + y) 0,15=, x = 0,1 mol. 0, x x + y = 0,15, y = 0,05 mol. Το ποσοστό διάσπασης του COCl είναι 5%. [CO] [Cl ] y (x + y) 0,05 0,15 β) Kc = = = = 0,05 [COCl ] 0, y 0,15

409 ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 5 1.Δ..Β. 3.Β. 4.Ε. 5. α) Η ποσότητα της NH3 θα μειωθεί και η τιμή της Kc θα μειωθεί. β) Η ποσότητα της NH3 θα μειωθεί και η τιμή της Kc θα μείνει σταθερή. 6. α) 0,5, β) 0,6 mol. 7. α) α = 3/11, β) Κc = 0,15, γ) εξώθερμη. ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΟ ΚΡΙΤΗΡΙΟ (1) Θέμα Α: Α1. Γ. Α. Γ. Α3. Γ. Α4. Δ. Α5. α) Λ. β) Σ. γ) Σ. δ) Σ. ε) Σ. Θέμα Β Β1. α) KCrO7 + 3CO + 8HCl CrCl3 + 3CO + KCl + 4HO β) KMnO4 + 10FeSO4 + 8HSO4 MnSO4 + 5Fe(SO4)3 + KSO4 + 8HO γ) NH3 + 3CuO Ν + 3Cu + 3HO Β. α) Ενδόθερμη. β) Ε E a = 64 kj προϊόντα ΔΗ = 115 kj αντιδρώντα πορεία αντίδρασης γ) ΔΗ = 115 kj, Εa = = 149 kj. 1 Δ[ NO ] δ) υ = Δt Β3. Kc1 = 004, Kc = 0,. Θέμα Γ Γ1. FeCl. Με το KMnO4 αντιδρά μόνο ο FeCl (έστω x mol). Η ποσότητα του KMnO4 είναι: n = 0,1 0,0 = 0,00 mol. KMnO4 + 5FeCl + 8HCl MnCl + 5FeCl3 + KCl + 4HO 0,00 mol 0,01 mol m(fecl) = 0,01 17 = 1,7 g. Άρα m(fecl3) = 4,5 1,7 = 3,5 g. Γ. α) i. x = 3. ii. Α(g) + Β(g) 3Γ(g) + Δ(g) 0,6 0,4 0, 0,4 0,6 0, 0,4 0,6 0, β) υα = υδ = 0,0 Μ s 1, υb = 0,04 Μ s 1, υγ = 0,06 Μ s 1, υ = 0,0 Μ s 1. γ) Α(g) + Β(g) 3Γ(g) + Δ(g) 0,6 0,4 0,05 0,1 0,15 0,05 0,55 0,3 0,15 0,05 Δ[ Δ] 0,05-1 υ = = = 0,05Μ s Δt 1 Θέμα Δ α) Ν (g) + 3Η ΝΗ 3 (g) α β y 3y y α y β 3y y α y = 5, β 3y = 5, y = 5 και επομένως, y =,5 mol, α = 7,5 mol και β = 1,5 mol. απόδοση (α) = 0,6 (60%), Kc =. β) V = 8/7 L. γ) i. Κc = 6, ii. εξώθερμη. Θέμα Ε α) α = /3, β) 15,75 g, γ) x = 0,15 mol ή x = 0,3 mol. ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΟ ΚΡΙΤΗΡΙΟ () Θέμα Α Α1. Γ. Α. Δ. Α3. Δ. Α4. Β. Α5. α) Σ. β) Σ. γ) Λ. δ) Σ. ε) Σ. Θέμα Β Β1. α) 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3) + NO + 4ΗΟ β) ΚCrO7 + 6FeCl + 14HCl CrCl3 + 6FeCl3 + KCl + 7ΗΟ Β. α) Με βάση τους συντελεστές της αντίδρασης, προκύπτει: (1) Β(g), () Δ(g). β) [Α]τελ = 0, [Γ]τελ = 0,9 Μ. γ) Αυξάνεται, γιατί αυξάνεται ο συνολικός αριθμός mol. Β3. α) Ι Α, ΙΙ Γ, ΙΙΙ Β. β) Μείωση της ποσότητας του Α(g) (αρχή Le Châtelier). Θέμα Γ Γ1. α) [ΝΟ] = 0,6 Μ, [Η] = 0,3 Μ, [Ν] = 0,1 Μ, [ΗΟ] = 0, Μ, υ(νο) = 0,0 Μ s 1, υ(η) = 0,0 Μ s 1, υ(ν) = 0,01 Μ s 1, υ(ηο) = 0,0 Μ s 1. β) Όχι, γιατί η ταχύτητα της αντίδρασης δεν έχει μηδενιστεί. γ) Έχει ολοκληρωθεί γιατί έχει μηδενιστεί η ποσότητα του Η και επομένως υ = 0. Γ. 0,05 M. Θέμα Δ Δ1. α = 4 mol, β = 6 mol, Kc = 4, απόδοση = /3. Δ. γ = 1 mol. Δ3. V = 1 L. Δ4. εξώθερμη, Κc = /3. ΜΕΡΟΣ Β: ΟΞΕΑ - ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟ- ΠΙΑ 6. ΟΞΕΑ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΤΑ BRÖNSTED - LOWRY 6.1. Δ. 6.. Γ Δ i. Β, ii. Γ Α. To HClO4 είναι το μοναδικό από τα 4 οξέα που είναι ισχυρό. Όλα τα άλλα είναι ασθενή Γ. Η συζυγής βάση προκύπτει από το συζυγές οξύ με απόσπαση Η Β A. Το ClO3 είναι το μοναδικό σωματίδιο από τα 4 που δεν έχει Η. Ακόμη και η NH3 που στα υδατικά διαλύματα λειτουργεί ως ασθενής βάση, παρουσία ισχυρότερης βάσης μπορεί να λειτουργήσει ως οξύ Γ A A Α Γ Ε Δ Δ. Μία ισορροπία κατά Brönsted - Lowry είναι μετατοπισμένη προς το ασθενέστερο οξύ και την ασθενέστερη βάση. 395

410 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ Α) Λανθασμένη. Μπορεί να είναι και ομοιοπολικές (μοριακές) ενώσεις. Β) Λανθασμένη. Στα υδατικά της διαλύματα η ΝΗ3 παίζει το ρόλο της βάσης και προσλαμβάνοντας Η + μετατρέπεται στο συζυγές της οξύ (ΝΗ4 + ). Γ) Σωστό. Για να παίξει το ρόλο του οξέος θα πρέπει να αποβάλλει Η +, οπότε θα πρέπει να διαθέτει άτομα Η. Δ) Λανθασμένη. Ένα οξύ είναι ασθενές όταν ιοντίζεται σε μικρό ποσοστό και άρα απαντάται κυρίως με τη μορφή των μορίων του. Ε) Σωστό. ΣΤ) Λανθασμένη. Η συζυγής βάση ενός οξέος μπορεί να είναι ουδέτερο μόριο, ανιόν ή και κατιόν. Ζ) Λανθασμένη. Βάση είναι ουσία που μπορεί να προσλάβει Η + (θεωρία Βrönsted - Lowry). Η) Σωστή. Το ιόν ΗΡΟ4 μπορεί να αποβάλλει Η + και να μετατραπεί στη συζυγή του βάση (ΗΡΟ4 ), αλλά και να προσλάβει Η + και να μετατραπεί στο συζυγές του οξύ (Η3ΡΟ4). Θ) Σωστή. Όσο ισχυρότερο είναι ένα οξύ τόσο πιο ασθενής η συζυγής του βάση. Ι) Σωστή. Όταν μία ουσία είναι οξύ ή βάση κατά Arrhenius (σε υδατικά διαλύματα) θα είναι οξύ ή βάση και κατά Brönsted - Lowry, ενώ ένα οξύ ή μία βάση μπορεί να είναι κατά Brönsted - Lowry αλλά όχι κατά Arrhenius. Η θεωρία Arrhenius περιορίζει τον ορισμό των οξέων και των βάσεων στα υδατικά τους διαλύματα, ενώ η θεωρία Brönsted - Lowry χαρακτηρίζει τα οξέα και τις βάσεις ως δότες ή δέκτες Η +, αντίστοιχα, ανεξάρτητα από το είδος του διαλύτη Σύμφωνα με τη θεωρία Lewis περί οξέων και βάσεων η ΝΗ3 είναι βάση καθώς μπορεί να λειτουργήσει ως δότης του μη δεσμικού ζεύγους ηλεκτρονίων της α) το NH4 + (ΝΗ3), β) το HO (ΟΗ ), γ) το HCl (Cl ) H NH3 είναι και οξύ και βάση (αμφιπρωτική ουσία), το NH4 + οξύ, το NH βάση Α) ΝΗ3: B, Β) ΝΗ4 + : O, Γ) CO3 : B, Γ) HCO3: O. 6.. Το νερό, λόγω της πολικότητας του, προσανατολίζεται μεταξύ των ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος του NaCl. Τότε, οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των ιόντων εξασθενίζουν, εξ αιτίας της μεγάλης διηλεκτρικής σταθεράς νερού, τα ιόντα απομακρύνονται και επέρχεται ρήξη του κρυστάλλου. Έχουμε, δηλαδή διάσταση σε θετικά ιόντα (κατιόντα) και αρνητικά ιόντα (ανιόντα), όπως φαίνεται στο σχήμα. Έτσι, τα δίπολα μόρια του νερού αποσπούν ιόντα από το κρυσταλλικό ιοντικό πλέγμα. Έτσι, τα ιόντα «απελευθερώνονται» και περνούν στο διάλυμα. Μέσα στο διάλυμα τα ιόντα δεν είναι «γυμνά», αλλά περιβάλλονται από ένα ορισμένο αριθμό μορίων νερού με τα οποία συνδέονται με ισχυρές ηλεκτροστατικές έλξεις (εφυδάτωση) α) HCl + F Cl + ΗF ( ) β) HClO4 + HO ClO4 + H3O + ( ) γ) HSO4 + HO ΗSO4 + H3O + ( ) δ) CH3COO + HCO3 CH3COOΗ + HCO3 ( ) 6.4. CN Το ιόν [Fe(HO)6] 3+ παίζει το ρόλο οξέος με συζυγή βάση το ιόν [Fe(HO)5(ΟΗ)] +. Το ΗΟ παίζει το ρόλο της βάσης με συζυγές οξύ το ιόν H3O α) HCO3 + OH CO3 + HO β) CH3COO + HO CH3COOH+OH γ) HSO4 + S SO4 + ΗS ΝΗ + ΗΟ ΝΗ3 + ΟΗ, η ΝΗ Σύμφωνα με τη θεωρία του Arrhenius, ένα οξύ ή μία βάση εκδηλώνει την όξινη ή τη βασική συμπεριφορά αποκλειστικά και μόνο στα υδατικά διαλύματα. Στις εξισώσεις (1) και () η όξινη και η βασική συμπεριφορά εξηγείται μόνο με βάση τη θεωρία Brönsted - Lowry με τη μεταφορά ενός Η + από το HCl (οξύ) στην ΝΗ3 (βάση) α) ClO4, HS, PH3, CO3, β) ΗCN, ΗSO4, H3O +, HCO α) HSO3 + ΗΟ SO3 + Η3Ο + HSO3 + ΗΟ ΗSO3 + ΟH β) HSO3 + ΝΗ3 SO3 + ΝΗ4 + HSO3 + HCl HSO3 + Cl α) Ισχυρές βάσεις κατά Arrhenius είναι τα υδροξείδια των μετάλλων της 1ης και ης ομάδας του Π.Π., π.χ. ΝaOH, KOH και Ca(OH). Ισχυρές βάσεις κατά Brönsted - Lowry είναι τα ιόντα ΝΗ, CH3O και Ο. β) O + ΗΟ ΟΗ 6.3. α) (CH3)NH. β) (CH3)NH + + ΗΟ (CH3)NH + Η3Ο +. γ) Η (CH3)NH είναι ισχυρότερη βάση από το Cl α) NaCl Na + + Cl (διάσταση). β) CH3COONa Na + + CH3COO (διάσταση) CH3COO + HO CH3COOH + OH (υδρόλυση). γ) NH4Cl ΝH4 + + CΝ (διάσταση) ΝH4 + + HO NH3 + H3O + (υδρόλυση) CΝ + HO HCN + OH (υδρόλυση). δ) KCN K + + CN (διάσταση) CΝ + HO HCN + OH (υδρόλυση) HCl < HClΟ4, Cl > ClΟ4. Η ισχύς ενός οξέος εξαρτάται και από την ισχύ της βάσης με την οποία αλληλεπιδρά. Το HΟ είναι αρκούντως ισχυρή βάση ώστε να κάνει πλήρεις και τους δύο ιοντισμούς, με αποτέλεσμα στο νερό και τα δύο οξέα να εμφανίζονται ως ισχυρά. Στο διαιθυλαιθέρα που είναι α- σθενέστερη βάση, το HClO4 δείχνει τη μεγαλύτερη τάση να δίνει Η +, με αποτέλεσμα στο διαλύτη αυτό το HClO4 να εμφανίζεται ισχυρότερο του HCl Με τη διάστασή του το άλας ΝaSO4 παράγει συγκέντρωση ιόντων Na + ίση με 0,8 Μ. Η συγκέντρωση του NaCl είναι 1,17/58,5 = 0,0 Μ, οπότε με τη διάσταση προκύπτει: [Νa + ] = 0,0 M. H συγκέντρωση του διαλύματος Na3PO4 είναι 0,164 g/l = 0,164/164 = 10 3 M που αντιστοιχεί σε [Νa + ] = Μ. Στο άλλο διάλυμα NaCl ισχύει: [Νa + ] = 0, Μ. Ε- πομένως, η μεγαλύτερη συγκέντρωση ιόντων είναι στην περίπτωση Α Νa3PO4 3 Na + + PO4 3 0,4 Μ 1, Μ 0,4 Μ Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του Sr(OH): c = 0, mol/0,5 L = M. Sr(OH) Sr + + OH M 10 4 M Επομένως, [ΟΗ ] = 10 4 M Υπολογίζουμε τη [F ]: 0,9 mg/l = g/l = (9/19) 10 4 mol/l = 4, M. Από τη διάσταση του άλατος προκύπτει ότι η συγκέντρωσή του NaF είναι επίσης 4, M NaCl Na + + Cl 0,45 Μ 0,45 Μ 0,45 Μ ΜgCl Mg + + Cl 0,05 Μ 0,05 Μ 0,1 Μ

411 Επομένως: [Νa + ] = 0,45 Μ, [Mg + ] = 0,05 Μ, [Cl ] = 0,55 Μ ΚCl: 0, 0,5 = c1 1, c1 = 0,1 M. CaCl: 0,1 0,5 = c 1, c = 0,05 M. KCl K + + Cl CaCl Ca + + Cl 0,1 Μ 0,1 Μ 0,05 Μ 0,1 Μ Επομένως: [Cl ] = 0,1 + 0,1 = 0, M α) n(hcl) = 1,1/,4 = 0,05 mol. c1 = n/v = 0,05/0,5 = 0,1 M. HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,1 M 0,1 M Επομένως: [Η3Ο + ] = 0,1 Μ. β) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του αραιωμένου διαλύματος: 0,1 0,5 = c 5, c = 0,01 M. HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,01 M 0,01 M γ) n1(h3o + ) = c1 V1 = 0,1 0,5 = 0,05 mol. n(h3o + ) = c V = 0,01 5 = 0,05 mol. Παρατηρούμε ότι η ποσότητα των ιόντων Η3Ο + στο αρχικό και στο αραιωμένο διάλυμα είναι ίση n(naoh) = 400/40 = 10 mol. c1 = n/v = 10/1000 = 0,01 M. NaΟΗ Na + + ΟΗ 0,01 M 0,01 M Επομένως: [ΟΗ ] = 0,01 Μ Έστω x mol KOH και y mol Ca(OH). Θα ισχύει: 56x + 74y = 9,3 (1). Tα δύο συστατικά θα έχουν συγκεντρώσεις, c1 = x/0, και c = y/0,, αντίστοιχα. Από τις διαστάσεις των δύο βάσεων προκύπτει: ΚΟΗ Κ + + ΟΗ Ca(ΟΗ) Ca + + ΟΗ c1 c1 c c Ισχύει: c1 + c = 1, (x/0,) + (y/0,) = 1 (). Από τις εξισώσεις (1) και (), προκύπτει: x = 0,1 mol και y = 0,05 mol. Οι ποσότητες αυτές αντιστοιχούν σε μάζες, m1 = 0,1 56 = 5,6 g και m = 0,05 74 = 3,7 g α) n1 = 1,1/,4 = 0,05 mol, c1 = 0,05/ = 0,05 M. n = 3,15/63 = 0,05 mol, c = 0,05/ = 0,05 M. HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,05 M 0,05 M HΝΟ3 + ΗΟ Η3Ο + + ΝΟ3 0,05 M 0,05 M Επομένως: [Η3Ο + ] = 0,05 + 0,05 = 0,05 Μ. β) Έστω ότι πρέπει να προσθέσουμε V(L) νερού. Υπολογίζουμε τις νέες συγκεντρώσεις: ΗCl: 0,05 = c1 ( + V), c1 = 0,05/( + V) (1) ΗΝΟ3: 0,05 = c ( + V), c = 0,05/( + V) () HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl c1 c1 HΝΟ3 + ΗΟ Η3Ο + + ΝΟ3 c c [Η3Ο + ] = c1 + c = 0,05/10 = Μ (3). Από τις (1), () και (3) προκύπτει: V = 18 L. γ) Mε την προσθήκη επιπλέον ποσότητας ΗΝΟ3 (έστω n mol), οι νέες συγκεντρώσεις θα είναι: HCl: 0,05 M, HNO3: c = (0,05 + n)/ (4) HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,05 M 0,05 M HΝΟ3 + ΗΟ Η3Ο + + ΝΟ3 c c Θα ισχύει: 0,05 + c = 0,5 (5). Από τις (4) και (5) έχουμε: n = 0,9 mol HNO3 που αντιστοιχούν σε μάζα m = 0,9 63 = 56,7 g. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 6 1. Α.. Α. 3. Γ. 4. Α. 5. Γ. 6. Α. 7. Γ. 8. Β. 9. Γ. 10. Α. 11. Α. 1. Δ. 13. Α. 14. Δ. 15. Δ. 16. Δ. 17. Β. Το τελικό διάλυμα όγκου 70 ml περιέχει NaSO4 σε συγκέντρωση 0,00/0,07 = /70 Μ και Na3PO4 σε συγκέντρωση 0,00/0,07 = 15/70 Μ. Από τη διάσταση των δύο αλάτων προκύπτει ότι: [Na + ] = (4/70) + (45/70) = 0,7 Μ. 18. Συζυγές οξύ Συζυγής βάση HSO4 HSO4 Η3Ο + ΗΟ AsH3 AsH HCO3 HCO3 19. Δες απάντηση στην ερώτηση Βλ. θεωρία. Παραδείγματα: α) Το NaCl είναι ιοντική ένωση και παθαίνει διάσταση: NaCl Νa + + Cl. β) Το ΗCl είναι ομοιοπολική (ιοντισμός): ΗCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl. γ) Κατά Brönsted - Lowry, το HO μπορεί να λειτουργήσει και ως οξύ (και να μετατραπεί στη συζυγή του βάση ΟΗ ) και ως βάση (και να μετατραπεί στο συζυγές του οξύ Η3Ο + ). δ) Τo ιόν Νa + που προκύπτει κατά τη διάσταση π.χ. του NaCl προσλαμβάνει μόρια νερού από το υδατικό διάλυμα σχηματίζοντας σωματίδια του τύπου [Na(HO)x] + στα οποία το αρνητικό τμήμα του ΗΟ (άτομο Ο) είναι προσανατολισμένο προς το κατιόν Νa α) HS + ΗΟ S + Η3Ο + β) HS + ΗΟ ΗS + ΟH β) i. HS + ΝΗ3 S + ΝΗ4 + ii. HS + CH3COOH HS + CH3COO. α) To NaO είναι βασικό οξείδιο (οξείδιο μετάλλου) και αντιδρά με το νερό ως εξής: NaO + ΗΟ ΝaOH, κατά την οποία σχηματίζονται 0,0 mol NaOH. Τελικά, το διάλυμα Χ έχει συγκέντρωση 0,0/0, = 0,1 Μ. Από την (πλήρη) διάσταση του NaOH προκύπτει: [ΟΗ ] = 0,1 Μ. β) Για να έχουμε [ΟΗ ] = 0,1/4 Μ θα πρέπει και η συγκέντρωση του NaOH να γίνει 0,1/4 Μ. Από τη σχέση της αραίωσης προκύπτει: 0,1 0, = 0,1/4 V, V = 0,8 L. Άρα, ο όγκος του νερού θα είναι 600 ml. 7. ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ - ph 7.1. B. 7.. Β Δ. Σε οποιοδήποτε υδατικό διάλυμα Κw = στους 5 ο C Γ i. B, ii. Γ Γ i. Β. Ca(ΟΗ) Ca + + ΟΗ 0,05 Μ 0,1 Μ [ΟΗ ] = 0,1 Μ, poh = 1, ph = 13. ii. Α. ph =, [H3O + ] = 0,01 M HA + HO A + H3O + 0,005 M 0,01 M 7.8. Α. Το ουδέτερο ph μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. 397

412 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ i. Α. O ιοντισμός του ΗΝΟ3, χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος, θα αυξάνει τη συγκέντρωση των ιόντων Η3Ο + και επομένως το ph μειώνεται (ph < 1). ii. Α. Υπολογίζουμε τις συγκεντρώσεις των δύο συστατικών μετά την ανάμιξη: ΗCl: 0,1 1 = c1, c1 = 0,05 M. ΗBr: 0,1 1 = c, c1 = 0,05 M. HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,05 M 0,05 M HBr + ΗΟ Η3Ο + + Br 0,05 M 0,05 M Επομένως: [Η3Ο + ] = 0,1 Μ, ph = Γ. Βλέπε απάντηση της ερώτησης 7.9. ii Γ. Εφόσον η συγκέντρωση των Η3Ο + από τον ιοντισμό του οξέος είναι μικρότερη από 10 6 Μ θα πρέπει να συνυπολογιστεί και η συγκέντρωση των Η3Ο + από τον ιοντισμό του νερού. Τελικά, το ph θα είναι ελάχιστα κάτω από την τιμή 7 (πρακτικά ίση με 7) Β. ph = 7, [H3O + ] = 10 7 M. [H3O + ] [OH ] = 10 14, [OH ] = 10 7 M Β. NaΟΗ Na + + ΟΗ ΚΟΗ Κ + + ΟΗ 0,1 M 0,1 M 0, M 0, M Το διάλυμα του ΚΟΗ έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση ιόντων ΟΗ και άρα είναι πιο βασικό (έχει μεγαλύτερο ph) Δ α) Ca(ΟΗ) Ca + + ΟΗ c c c [ΟΗ ] = c, poh = logc. Επομένως: ph = pkw poh = pkw + logc = pkw + logc + log. β) HCl + HO Cl + H3O + c c c ph1 = log0,1 = 1. To HSO4 είναι διπρωτικό οξύ, ισχυρό οξύ στο 1ο στάδιο ιοντισμού και ασθενές στο ο: HSO4 + HO ΗSO4 + H3O + c c c ΗSO4 + HO SO4 + H3O + c x x x [H3O + ] = 0,1 + x > 0,1 M. ph = log(0,1 + x) < log0,1 = 1. Επομένως: ph1 > ph c (Μ) ph poh NaOH 0,01 1 HCl 0, HNO KOH 0, Ca(OH) HClO4 0, Ca(OH) 0,005 1 HBr KOH α) ph ph1 =, log[h3o + ] + log[h3o + ]1 = log100, [H3O + ]1/[H3O + ] = 100. β) [Η3Ο + ]Α = 1000 [Η3Ο + ]Β, log[η3ο + ]Α = 3 + log[η3ο + ]Β, phb pha = 3. Πιο όξινο είναι το διάλυμα Α (έχει μικρότερο ph) α) Μεγαλύτερη, β) 6, α) θ < 5 ο C, β) ph = poh = 7,5, γ) όξινο, δ) i. 11, ii. 11, α) HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,01 M 0,01 M [Η3Ο + ] = 0,01 Μ, ph =. β) 6,3 g HNO3/100 ml, 63 g/l HNO3 (Mr = 63), c = 1 M. HΝΟ3 + ΗΟ Η3Ο + + ΝΟ3 1 M 1 M [Η3Ο + ] = 1 Μ, ph = 0. γ) 0,04 g NaOH / 100 ml διαλύματος, 0,4 g/l, 0,01 mol/l (Mr = 40), c = 0,01 M. NaOH Na + + OH 0,01 M 0,01 M [OH ] = 0,01 M, poh =, ph = 1. δ) ph = CaO + HO Ca(OH) mol mol c = 0,05/1 = M. Ca(ΟΗ) Ca + + ΟΗ [ΟΗ ] = 10 Μ, [Η3Ο + ] = 10 1 M, ph = To διάλυμα ΗCl με ph = 1 έχει c1 = 0,1 M και το διάλυμα με ph = 3 έχει c = 10 3 M. To τελικό διάλυμα θα περιέχει ΗCl με c = 0,01 Μ. Ισχύει: 0,1 V V = 0,01 (V1 + V), V1/V = 1/ Από την εξίσωση διάστασης του Βa(OH) προκύπτει ότι τo διάλυμα με ph = 13 έχει c1 = 0,05 M. Επίσης, το διάλυμα με ph = 11 έχει c = M. Από τη σχέση ανάμιξης διαλυμάτων της ίδιας διαλυμένης ουσίας, έχουμε: 0,05 0, = cτελ 1,1, cτελ = Μ. Από τη διάσταση του Βa(OH) προκύπτει: ph = Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του ΗΒr. n =,916/81 = 0,036 mol, c = 0,036/0,4 = 0,09 M. HCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,01 M 0,01 M HBr + ΗΟ Η3Ο + + Br 0,09 M 0,09 M [H3O + ] = 0,1 M, ph = mg. Βλ. προηγούμενη άσκηση n = 5,6/,4 = 0,5 mol HCl, c1 = 0,5/0,5 = 0,5 M. Για τη συγκέντρωση του αραιωμένου διαλύματος: 0,5 0,05 = c 0,15, c = 0,1 M, ph = α) 4, β) ml α) ph = 1, ph = 10, β) 1 : 10, γ) 33,3 mg Στα 100 g διαλύματος υπάρχουν 3,54 g HCl. Στα (100/1,03) ml διαλύματος υπάρχουν 3,54 g HCl και άρα στo 1 L διαλύματος υπάρχουν 36,5 g HCl = 1 mol, c = 1 M. α) ph = 0, β) ph =, γ) 100 ml n(hcl) = 0,3 0, = 0,06 mol, n(zn) = 1,3/65 = 0,0 mol. Zn + HCl ZnCl + H 0,0 0,06 0,0 0,04 0,0 0,0 0,0 α) 448 ml Η(g). β) Στο τελικό διάλυμα έχουμε περίσσεια HCl με συγκέντρωση 0,0/0, = 0,1 M. ph = α) c1 = 0,01/0, = 0,05 M. Από τη διάσταση του Ba(OH) προκύπτει: ph = 13.

413 β) Το ph του αραιωμένου διαλύματος θα είναι ίσο με 1 και άρα η συγκέντρωση του διαλύματος θα είναι c = 0,005 M. Από τη σχέση της αραίωσης διαλυμάτων θα έχουμε: 0,05 0, = 0,005 V, V = L. Άρα πρέπει να προσθέσουμε 1,8 L νερού. γ) Για να προκύψει διάλυμα με ph = 1, θα πρέπει η συγκέντρωση του διαλύματος σε NaOH να είναι c = 0,01 Μ και άρα n = 0,01 0, = 0,00 mol που αντιστοιχεί σε μάζα m = 0,00 40 = 0,08 g α) ph = 1, β) 0,185 g, γ) 0,45 mol Έστω x mol Na και y mol Ca. Na + HO NaOH + H x mol x mol (x/) mol Ca + HO Ca(OH) + H y mol y mol y mol Ισχύει: (x/ + y) 400 = 44,8, x + y = (1). c1 = x/0,4 (), c = y/0,4 () Από τις διαστάσεις των δύο βάσεων: [ΟΗ ] = (x + y)/0,4 = 0,01 (λόγω της (1)). Επομένως, poh =, ph = α) ph = 1, β) 8,35 g, γ) 4500 ml (4,5 L) α) ph = 1,, 3, β) phορ = 7, γ) Μ (oι τιμές του ph αρχίζουν από 13 και καταλήγουν σε τιμή πρακτικά ίση με 7) α) ph = 1, poh =, [OH ] = 10 M. c = 0,05/5 = M. Μ(ΟΗ)x Μ x+ + xoh x [OH ] = x = 10, x =. β) c = 0,05/5 = M. ph = 11, [OH ] = 10 3 M < c = M και επομένως η Β είναι ασθενής βάση (αν ήταν ισχυρή: [OH ] = Μ). γ) Από τη διάσταση της Μ(ΟΗ) στο αραιωμένο διάλυμα (ph = 11) προκύπτει ότι η συγκέντρωσή της είναι c1 = M. Από τη σχέση αραίωσης προκύπτει ότι ο όγκος του αραιωμένου διαλύματος είναι: V1 = 50 L και επομένως V(HO) = 45 L Η συγκέντρωση c του τελικού διαλύματος υπολογίζεται από τη σχέση: = c 100, c = M. Επομένως, θα πρέπει να συνυπολογίσουμε και τη συγκέντρωση των Η3Ο + που προκύπτουν από τον ιοντισμό του νερού: HCl + HO H3O + + Cl ΗΟ H3O + + ΟΗ x x [Η3Ο + ] [ΟΗ ] = 10 14, ( x) x = Από τη σχέση αυτή προκύπτει: x x = 0. H λύση της εξίσωσης αυτής δίνει ως δεκτή λύση: x = M και επομένως: [Η3Ο + ] = = 3, Μ. Τελικά ph = 6,48 (εντός ορίων) Διάλυμα Δ1: ΗCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,1 Μ 0,1 Μ 14 Kw [OH ] 1 = = = 10 M. 1 0,1 10 Άρα n(oh )1 = = mol. Για το διάλυμα Δ: c1 V1 = c V, 0,1 1 = c 10, c = 0,01 M. ΗCl + ΗΟ Η3Ο + + Cl 0,01 Μ 0,01 Μ 14 Kw 10 1 [OH ] = = = 10 M. 0,01 10 n(oh ) = = mol. n(oh ) 10 = n(oh ) λ = = ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 7 1. Γ.. Α. 3. Γ. 4. Γ. 5. Δ. 6. A. 7. Γ. 8. Α. 9. Γ. 10. Γ. 11. Β. 1. A. 13. Β. 14. Δ1: ΝaOH Na + + OH c1 c1 Δ: Ca(OH) Ca + + OH c c Θα πρέπει να ισχύει: c = c1 και άρα: c1 > c. 15. Α (ph = 1), Β (ph = 3), Δ (ph = 7), Γ. 16. Εφόσον το διάλυμα έχει πολύ μικρή συγκέντρωση θα πρέπει να θεωρήσουμε και τη [Η3Ο + ] που προέρχονται από τον ιοντισμό του ΗΟ. ΗCl + HO H3O + + Cl HO H3O + + OH c c c x x [Η3Ο + ] = c + x (1). [Η3Ο + ] [OH ] = Κw, [OH ] = Κw/[Η3Ο + ] = x (). Συνδυάζοντας τις (1) και () προκύπτει η ζητούμενη. 17. Διάλυμα c ph poh 1. NaOH HNO Βa(OH) 0,005 Μ 1 4. HΑ α) [Η3Ο + ] < [OH ] και άρα το διάλυμα θα είναι βασικό. β) Σε κάθε υδατικό διάλυμα στους 5 o C ισχύει: [Η3Ο + ] [OH ] = και επομένως: 10 3 [OH ] [OH ] = 10 14, [OH ] = 10 5,5 Μ. poh = log[oh ] = log10 5,5 = 5,5 ph = 14 poh = 14 5,5 = 8, ,1/40 = 0,005 =, mol Ca. Ca + HO Ca(OH) + H,5 10 3,5 10 3, V(H) =,5 10 3,4 = 56 ml. To διάλυμα που προκύπτει έχει συγκέντρωση:, /0,5 = Μ. Ca(OH) Ca + + OH poh =, ph = α) Σε κάθε 100 ml διαλύματος έχουμε 0,63 g = 0,01 mol ΗΝΟ3 και επομένως c1 = 0,1 M. ΗΝΟ3 + HO H3O + + ΝΟ3 0,1 0,1 0,1 ph = log0,1 = 1. β) Στο αραιωμένο διάλυμα θα ισχύει: ph = 3, [Η3Ο + ] = Καθώς το οξύ είναι ισχυρό η νέα συγκέντρωση θα είναι c = Από τη σχέση αραίωσης, προκύπτει: 0,1 0,1 = 10 3 V, V = 5 L, οπότε ο όγκος του νερού που πρέπει να προστεθεί είναι 4950 ml. 8. ΣΤΑΘΕΡΕΣ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ ΝΟΜΟΣ ΑΡΑΙΩΣΗΣ ΤΟΥ OSTWALD 8.1. Β. 8.. Γ Α Γ Γ. 399

414 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ i. B, ii. B Α. Κατά τη συμπύκνωση αυξάνεται η (αρχική) συγκέντρωση του CH3COOH και επομένως αυξάνεται η [Η3Ο + ] και άρα μειώνεται η [ΟΗ ] Δ. Αφού η συγκέντρωση του τελικού διαλύματος είναι ανάμεσα στις αρχικές συγκεντρώσεις θα πρέπει και ο βαθμός ιοντισμού να είναι ανάμεσα στους βαθμούς ιοντισμού των αρχικών διαλυμάτων i. Δ, ii. B, iii. Α. Τα οξέα εμφανίζουν ph < 7. Aν ήταν ισχυρό θα είχε ph = Α Δ. Το ισχυρότερο οξύ είναι αυτό με τη μεγαλύτερη τιμή της Ka στην ίδια θερμοκρασία. Κa(HCOOH) = 10 4 < Κa(ΗΝΟ) = και επομένως το ΗΝΟ είναι το ισχυρότερο οξύ Α Β Β. Το αραιωμένο διάλυμα θα έχει c = 0,01 Μ (από τη σχέση αραίωσης των διαλυμάτων). Αν το ΗΑ ήταν ισχυρό οξύ το αραιωμένο διάλυμα θα είχε ph = και όχι ph = 3. Επομένως, το ΗΑ είναι ασθενές οξύ. Έτσι, με την αραίωση σε δεκαπλάσιο όγκο το ph δεν θα αυξηθεί κατά 1 αλλά κατά λιγότερο α) Στο διάλυμα Δ3. Ο ιοντισμός είναι ενδόθερμο φαινόμενο και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier η ισορροπία ιοντισμού οδεύει προς τα δεξιά με την αύξηση της θερμοκρασίας με αποτέλεσμα την αύξηση της τιμής της σταθεράς ιοντισμού. β) Εφόσον οι βαθμοί ιοντισμού είναι μικρότεροι από 0,1, ι- σχύει: Κa = α c (προσεγγιστική έκφραση νόμου αραίωσης του Ostwald). Από τη σχέση αυτή προκύπτει α1 > α (εφόσον c > c1). Επίσης: α3 > α1, καθώς με την αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται η τιμή της Ka.Τελικά: α3 > α1 > α (σωστή η επιλογή 3) A. Από τον 1ο και το ο ιοντισμό του HSO4 προκύπτει ότι: [HSO4] = 0, [Η3Ο + ] = 0,1 + x, [HSO4 ] = 0,1 x, [SO4 ] = x (Προσοχή! δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις) Δ. Με την αύξηση της θερμοκρασίας και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η ισορροπία πηγαίνει προς τα δεξιά, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η τιμή της [H3O + ], να αυξάνεται η τιμή της σταθεράς Κa και να μειώνεται η τιμή της pka Α) Λανθασμένη. Για το αρχικό και το τελικό διάλυμα ισχύουν, αντίστοιχα: [Η3Ο + ] αρχ = Κa cαρχ (1) και [Η3Ο + ] τελ = Κa cτελ (). Με εφαρμογή του νόμου της αραίωσης έχουμε: cαρχ = cτελ (3). Από τις (1), () και (3) έχουμε τελικά: + + [H O ] = [Η Ο τελ 3 ] αρχ Β) Λανθασμένη. Η Ka αυξάνεται με αύξηση της θερμοκρασίας. Γ) Λανθασμένη. Για ένα ζεύγος συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης, ισχύει: Κa Kb = Kw, οπότε όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της σταθεράς ιοντισμού Ka ενός ασθενούς οξέος ΗΑ, τόσο μικρότερη είναι η τιμή της σταθεράς ιοντισμού Kb της συζυγούς του βάσης A στην ίδια θερμοκρασία. Δ) Σωστή. Από τη σχέση, Κa = a c, παρατηρούμε ότι ο βαθμός ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης (νόμος αραίωσης του Ostwald) και αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας (λόγω της αύξησης της τιμής της Κa). Ε) Σωστή. Ο βαθμός ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας (η ισορροπία ιονισμού οδεύει προς τα δεξιά με την αύξηση της θερμοκρασίας) και επίσης αυξάνεται με τη μείωση της συγκέντρωσης του ασθενούς οξέος Α) Λανθασμένη. Θα ήταν σωστή αν τα δύο διαλύματα είχαν τις ίδιες συγκεντρώσεις. Β) Λανθασμένη. Θα ήταν σωστή αν τα δύο διαλύματα είχαν τις ίδιες συγκεντρώσεις. Γ) Σωστή. Καθώς ο ιοντισμός ενός ασθενούς οξέος είναι ενδόθερμο φαινόμενο, σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η σταθερά ιοντισμού Κa αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Δ) Λανθασμένη. Σύμφωνα με το νόμο αραίωσης του Ostwald, ο βαθμός ιοντισμού α ασθενούς οξέος ΗΑ εξαρτάται από τη συγκέντρωση c και συγκεκριμένα μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης υπό σταθερή θερμοκρασία. Αντίθετα, η σταθερά ιοντισμού Ka παραμένει σταθερή με τη μεταβολή της συγκέντρωσης υπό σταθερή θερμοκρασία. E) Σωστή. Με την αραίωση η συγκέντρωση μειώνεται αλλά ο βαθμός ιοντισμού του αυξάνεται, υπό σταθερή θερμοκρασία και σύμφωνα με το νόμο αραίωσης του Ostwald. ΣΤ) Λανθασμένη. Με την αραίωση, η συγκέντρωση του διαλύματος υποδιπλασιάζεται και ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται αλλά δεν τετραπλασιάζεται (όπως προκύπτει με εφαρμογή του νόμου αραίωσης του Ostwald). Ζ) Λανθασμένη. Εφόσον ο βαθμός ιοντισμού εξαρτάται από τη συγκέντρωση και η τελική συγκέντρωση είναι ανάμεσα στις δύο αρχικές, θα πρέπει ο τελικός βαθμός ιοντισμού να είναι ανάμεσα στους δύο αρχικούς βαθμούς ιοντισμού. Η) Λανθασμένη: Κa(HCOOH) > Ka(CH3COOH), Kb(CH3COO ) > Kb(HCOO ), pkb(ch3coo ) < pkb(hcoo ). Θ) Λανθασμένη. Η σχέση ισχύει μόνο αν ισχύουν οι προσεγγίσεις, Ι) Σωστή. Ενώσεις με Κa < είναι τόσο πολύ ασθενή οξέα που πρακτικά δεν ιοντίζονται στα υδατικά τους διαλύματα α) pkb = logkb και επομένως, η αύξηση της pkb οδηγεί σε μείωσης της Kb. Ισχύει: Κb = [OH ] /c και επομένως, όσο η μείωση της Kb οδηγεί σε μείωση της [OH ] και άρα στη μείωση του ph (λιγότερο βασικό). β) Η μείωση στην τιμή της σταθεράς pkb οδηγεί στην αύξηση της τιμής της Kb και άρα, από το νόμο αραίωσης του Ostwald, στην αύξηση της τιμής του βαθμού ιοντισμού της βάσης A-3, B-5, Γ-4, Δ-, Ε-1, ΣΤ α) Ka βάσεις Kb HF 10 3 F CH3COOH 10 5 CH3COO 10 9 HCN CN 10 4 HClO 10 8 ClO 10 6 β) F, CH3COO, ClO, CN Βλ. θεωρία α) Με τη συμπύκνωση του διαλύματος αυξάνεται η συγκέντρωσή του. Επομένως, ο α μειώνεται (νόμος αραίωσης του Ostwald). β) Από τον πίνακα ιοντισμού του CH 3 COOH, προκύπτει: [Η 3 Ο + ] = Κ a c. Mε την αύξηση της συγκέντρωσης, αυξάνεται η [Η 3 Ο + ], οπότε το ph μειώνεται.

415 γ) Με τη συμπύκνωση του διαλύματος, η [Η 3 Ο + ] αυξάνεται και επομένως η [ΟΗ ] μειώνεται. Ισχύει: n(οη ) = [ΟΗ ] V. Mε την συμπύκνωση του διαλύματος και ο όγκος του διαλύματος μειώνεται, οπότε η ποσότητα (mol) των ιόντων ΟΗ μειώνεται α) H σχέση προκύπτει με συνδυασμό των σχέσεων: Κa = α c και α = x/c. Στη σχέση που αποδείχθηκε, αντικαθιστούμε: [Η3Ο + ] = 10 ph και Κa = 10 pka. β) Γράφουμε τον ιοντισμό του οξέος και αντικαθιστούμε τις συγκεντρώσεις στην έκφραση της Κa (χωρίς τις προσεγγίσεις). Στη συνέχεια γράφουμε τον ορισμό του α α) i. α1 = 10 3 /c1, α = 10 3 /c. Επειδή c > c1 θα ισχύει: α1 > α. ii. Ka(HA) = (10 3 ) /(c ) και Ka(HΒ) = (10 3 ) /(c 10 3 ). Επειδή c > c1 θα ισχύει: Ka(HA) > Ka(HΒ) και άρα το ΗΑ είναι ισχυρότερο οξύ. iii. Καθώς το ΗΑ είναι ισχυρότερο οξύ από το ΗΒ, η βάση Β θα είναι ισχυρότερη από τη βάση Α. iv. [A ] = 10 3 M = [B ]. β) Με την αραίωση του Δ1 θα έχουμε: c1 0,01 = c1 0,1, c1 = c1 10. Επίσης: α1 = 10 3 /c1, α1 = 10 4 /c1. Τελικά προκύπτει ότι: α1 = α1, δηλαδή ο βαθμός ιοντισμού του οξέος δεν μεταβάλλεται με την αραίωση του διαλύματος και άρα το ΗΑ είναι ισχυρό οξύ. γ) Με την αραίωση του Δ θα έχουμε: c 0,01 = c V, Ka(HΒ) = (10 3 ) /c, Ka(HΒ) = (10 4 ) /c. Με επεξεργασία των σχέσεων αυτών προκύπτει: V = 1 L α) i. ph(δ) < ph(δ1), ii. το ΗΒ είναι πιο ισχυρό. β) i. Ο βαθμός ιοντισμού του ΗΒ στο Δ3 είναι μεγαλύτερος από το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο Δ1, ii. ph(δ3) < ph(δ1). γ) i. Στο διάλυα Δ, ii. V(HO) = 1,56V α) ph = 3, β) ph =, γ) ph = 11, δ) ph =, α) Αν n mol η ποσότητα του CH3COOH η συγκέντρωσή του θα είναι: c = n/0, (1). Από τον ιοντισμό του CH3COOH, έχουμε: CH3COOH + ΗΟ CH3COO + H3O + c x c x x = 10 3 M Κa = 10 5 = 10 6 /c, c = 0,05 M. Από τη σχέση (1): n = 10 και άρα m = = 0,6 g. β) Αν n mol η ποσότητα της ΝΗ3 θα ισχύει: n = V/,4 (1) και c = n/0,5 (). Από το νόμο αραίωσης του Ostwald: Κb = α c, 10 5 = 0,0 c, c = 0,05 M. Από τη σχέση (): n = 0,05 mol και από τη σχέση (1): V = 0,05,4 = 0,56 L α) Στα 100 ml υπάρχουν 0,03 g HF και επομένως στo 1 L υπάρχουν 0,3/0 = 0,015 mol HF. Άρα, c = 0,015 M. Ka/c = 7, /0,015 = 0,05 > 0,01 και άρα δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις. β) HF + ΗΟ F + H3O + 0,015 x x x Ka = 7, = x /(0,015 x). Δεκτή λύση: x = 0,003 (η άλλη λύση είναι αρνητική). Επομένως: [H3O + ] = [F ] = x = Μ, [ΗF] = 0,01 M, [OH ] = /[H3O + ] = 3, Μ α) n = 4,5/45 = 0,1 mol B, c = 0,1/0,5 = 0, M. [OH ] = α c = , = 10 3 Μ. β) poh = 3, ph = 11. γ) Από το νόμο αραίωσης του Ostwald με την προσεγγιστική του έκφραση, έχουμε: Kb = α c = ( ) 0, = HA + HO A + H3O + c x c x x Ka = x /c, c = 0,5 M. α = x/c (ορισμός του α) = 10 3 /0,5 = α) n = 0,36/180 = 10 3 mol (Μr = 180) και άρα c = 10 3 / = 0,1 M. HA + HO A + H3O + 0,1 x 0,1 x x Ka = x /c, 10 5 = x /0,1, x = [H3O + ] = 10 3, ph = 3. β) Το διάλυμα του γαστρικού υγρού έχει ph = και επομένως είναι πιο όξινο από το διάλυμα της ασπιρίνης ΝaOH Na + + OH 10 3 M 10 3 M poh = 3, ph = 11. ΝΗ3 + ΗΟ ΟΗ + ΝΗ4 + c x c x x = 10 3 M 10 5 = (10 3 ) /c, c = 0,05 M β) α = x/c = 10 3 /0,05 = 0,0. γ) 5 L Από το νόμο αραίωσης του Ostwald: Κa(HA) = 0,1 0,0 = 10 4, Κa(HΒ) = 0,05 0,1 = (5 10 ) 0,1 =, Επομένως, το ΗΒ είναι ισχυρότερο α) Για το διάλυμα του ΗΝΟ3: HΝΟ3 + ΗΟ Η3Ο + + ΝΟ3 0,01 M 0,01 M [Η3Ο + ] = 0,01 Μ, ph =. Για το διάλυμα του ΗΝΟ: HΝΟ + ΗΟ Η3Ο + + ΝΟ c x x x = 10 M = (10 ) /(c 10 ), c = 0,1 Μ. β) Θεωρούμε την προσέγγιση: c x c = 10 4 /c, c = 0, Μ. Το ποσοστό λάθους υπολογίζεται ως εξής: [(0, 0,1)/0,1] 100 = 4,8% α) ph = 3, [Η3Ο + ] = 10 3 Μ. Για το ΗΑ: α = 10 3 /10 3 = 1. Δηλαδή το ΗΑ ιοντίζεται πλήρως και άρα είναι ισχυρό οξύ. C6H5COOH + ΗΟ C6H5COO + H3O + 0,0 x 0,0 Μ x x = 10 3 M α = 10 3 /0,0 = 0,05 < 1 (ασθενές οξύ). β) Κa = (10 3 ) /0,0 = Κb = Kw/Ka = / = Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση των ιόντων Η3Ο + στο αρχικό διάλυμα: HA + HO A + H3O + 1 x 1 x x Ka = = x /1, x = [H3O + ]1 = 10 3 M. Με την αραίωση το ph του διαλύματος αυξάνεται. ph ph1 = 1, log[h3o + ] ( log[h3o + ]1 = log10, log([h3o + ]1/[H3O + ] = log10, [H3O + ] = [H3O + ]1/10 = 10 4 M. HA + HO A + H3O + 1 y 1 y y = 10 4 M = y /c, c = 0,01 M. Λόγω της αραίωσης: 1 0,05 = 0,01 V, V = 5 L και επομένως ο όγκος του νερού που προστέθηκε είναι 4,95 L ή 4950 ml α) Για το αρχικό διάλυμα: HA + HO A + H3O + c1 x c1 x x = 10 3 M Κa = 10 6 /c1 (1) Στο αραιωμένο διάλυμα ισχύει ph = 4 και επομένως [H3O + ] = 10 4 M. 401

416 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 HA + HO A + H3O + c y c1 y y = 10 4 M Κa = 10 8 /c () Από τις σχέσεις (1) και (), προκύπτει: c1 = 100 c (3). Επίσης, στα δύο διαλύματα ισχύουν: α1 = 10 3 /c1 και α = 10 4 /c. Με τη βοήθεια και της (3), προκύπτει: α/α1 = 10. β) Για το αρχικό και το αραιωμένο διάλυμα ισχύει: c1 V1 = c V, 100 c V1 = c V, V/V1 = Από το νόμο αραίωσης του Ostwald: Κa = 0,0 0,5 = Για το αραιωμένο διάλυμα: HCOOH + HO HCOO + H3O + c y c y y = 10,5 M Κa = 10 4 = (10,5 ) /c, c = 0,05 M. c1 V1 = c V, 0,5 0,1 = 0,05 V, V = 1 L. Επομένως, ο όγκος του νερού που προστέθηκε είναι 900 ml α) c1 = n/v = 0,15/0,5 = 0,5 M. α = x/c1 = 10 3 /0,5 = Ka = α c1 = β) Ka = α c1, Ka = 4 α c και άρα c1 = 4 c. c1 V1 = c V, c1 0,1 = c V, 4 c 0,1 = c V, V = 0,4 L. Επομένως, ο όγκος του νερού που προστέθηκε είναι 300 ml α) c = 0,1 M, Κb = 10 5, [NH4 + ] = [OH ] = 10 3 M, [H3O + ] = M. β) 0,18 mol ΝΗ α) Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση (c) του τελικού διαλύματος: 0,9 0,1 + 0,1 0,7 = c 0,8, c = 0, M. O βαθμός ιοντισμού μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο του Ostwald (με την προσεγγιστική του έκφραση): Κb = α c, 10 5 = α 0,, α = 0,01. β) Έστω V1 o όγκος του πρώτου διαλύματος και V ο όγκος του δεύτερου, οπότε ο όγκος του τελικού διαλύματος θα είναι: V3 = V1 + V. H συγκέντρωση (c3) του τελικού διαλύματος μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο του Ostwald: 10 5 = ( ) c3, c3 = 0,8 Μ. Επίσης, θα ισχύει: : 0,9 V1 + 0,1 V = 0,8 (V1 + V). Μετά από πράξεις, προκύπτει: V1/V = α) HA + HO A + H3O + 0,5 x x x Κa = = x /0,5, x = 10,5, ph =,5. β) Από το νόμο του Ostwald, με την προσεγγιστική του έκφραση, υπολογίζουμε τη συγκέντρωση (c) του αραιωμένου διαλύματος: Κa = = 0,04 c, c = 0,05 Μ. Επίσης, ισχύει: 0,5 0, = 0,05 V, V = L και επομένως ο όγκος του νερού που προστέθηκε είναι: 0, = 1,8 L Έστω V(mL) ο όγκος της ΝΗ3(g). Η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί σε: n = (V/400) ml και άρα V = n 400 (1). Η συγκέντρωση του διαλύματος θα είναι: c = n/0,5 και άρα n = 0,5 c (). ΝΗ3 + ΗΟ ΟΗ + ΝΗ4 + c x c x x 10 5 = x /c, x = 10 5 c (3). Επειδή 10 < ph < 11, 4 > poh > 3. Επομένως, 10 4 < [ΟΗ ] < 10 3 και άρα 10 8 < x < Από τη σχέση (3): 10 8 < 10 5 c < 10 6, 10 3 < c < 10 1, ενώ και με τη βοήθεια της (): < n < Tέλος, από την (1): 11, ml < V < 110 ml. Σημείωση: Στο ίδιο αποτέλεσμα θα καταλήγαμε και αν υπολογίζαμε τον όγκο της αέριας NH3 που θα έδινε ph = 10 και στη συνέχεια τον όγκο που θα έδινε ph = 11, οπότε ο ζητούμενος όγκος θα είναι ανάμεσα στους δύο υπολογιζόμενους pka(ha) + pkb(β ) = Από τις εξισώσεις ιοντισμού των δύο οξέων, έχουμε: 40 x Ka (HA) =, x Ka (HB) = c 10c Με διαίρεση κατά μέλη των δύο παραπάνω εξισώσεων, προκύπτει: Ka (HA) = 10 Ka(HB) Με λογαρίθμηση: pka(hβ) pka(hα) = α) HS + HO HS + H3O + Κa1 = [Η3Ο + ] [HS ]/[HS] (1) HS + HO S + H3O + Κa = [Η3Ο + ] [S ]/[HS ] () Επομένως: Κa1 Κa = [Η3Ο + ] [S ]/[HS]. Αν θέσουμε: Κa1 Ka = Ka, προκύπτει η ζητούμενη σχέση, στην οποία η Ka αντιστοιχεί στην ολική σταθερά ιοντισμού του HS. γ) HS + HO HS + H3O + 0,1 x 0,1 M x x Κa = 10 7 = x /0,1, x = 10 4, ph = α) Κb = CH3NH3 + ] [ΟΗ ]/[CH3NH] και επομένως: [CH3NH]/[CH3NH3 + ] = [ΟΗ ]/Κb = 10 / = 5. β) CH3NH + HO CH3NH3 + + ΟΗ c x x x = 10 Kb = = x /c, c = 0,5 M. Επίσης α = x/c = 0, α) , 180. β) 800 ml α) 11, 10, β) 0,67 L, γ) 300 ml α) Για το διάλυμα του HA: Ka = 10 5 = x /0,1, x = 10 3 M, ph = 3. β) x + 1 = 3, x =. γ) Έστω n mol η ποσότητα του Zn. Η ποσότητα του HCl στο αρxικό διάλυμα είναι n = 0,1 mol. Zn + HCl ZnCl + H n 0,1 n n n n Στο διάλυμα απομένει HCl (0,1 n) Μ. Επειδή το ph του τελικού διαλύματος καθορίζεται από την περίσσεια του HCl θα ισχύει: 0,1 n = 0,01 και επομένως n = 0,045 mol που αντιστοιχούν σε m = 0, =,95 g Zn (Ar = 65) α) Για το διάλυμα της NH3: poh = 3, [OH ] = 10 3 M. Από τον ιοντισμό της ΝΗ3 προκύπτει: 10 5 = 10 6 /c1 και άρα c1 = 0,1 M. Mε την αραίωση των 100 ml του Δ1 θα ισχύει: c1 0,1 = c 10 V1 και επομένως c1 = c 10 (1). Από το νόμο αραίωσης του Ostwald προκύπτει: Κb = α1 c1 και Κb = c, α οπότε με τη βοήθεια της (1) προκύπτει: α/α1 = 10 0,5. β) Με την αραίωση των υπολοίπων 100 ml του Δ1 θα ισχύει: c1 0,1 = c3 V3 (). Με την αραίωση το ph μειώνεται και επομένως το νέο ph θα έχει τιμή 10,5 που αντιστοιχεί σε [OH ] = 10 3,5 M. Από τον ιοντισμό της ΝΗ3, έχουμε: 10 5 = (10 3,5 ) /c3 και άρα c3 = 0,01 Μ. Τέλος, από την εξίσωση (): V3 = 1 L και άρα το νερό που προστέθηκε έχει όγκο: = 900 ml α) Έστω c1 η συγκέντρωση του HCOOH στο διάλυμα με ph = και c η συγκέντρωση στο διάλυμα με ph = 3. Από τον πίνακα ιοντισμού του HCOOH στα δύο διαλύματα προκύπτει: 10 4 = 10 4 c1, c1 = 1 Μ και 10 4 = 10 6 c, c = 0,01 Μ. β) Από το νόμο αραίωσης του Ostwald, έχουμε: 10 4 = α1 c1 και άρα α1 = 0,01. Αντίστοιχα για το άλλο διάλυμα: 10 4 = α c και άρα α = 0,1. γ) Έστω ότι αναμιγνύουμε V1 (L) από το 1o διάλυμα με V (L) από το o διάλυμα, οπότε προκύπτει διάλυμα με συγκέντρωση c και όγκο V = V1 + V. Ισχύει: 1 V1 + 0,01 V = c (V1 + V) (1). Από τον πίνακα ιοντισμού του HCOOH υπολογίζουμε τη

417 συγκέντρωση c = 0,1 M. Από την εξίσωση (1): 1 V1 + 0,01 V = 0,1 (V1 + V), V/V1 = α) Αρχικά παρατηρούμε ότι δεν ισχύουν οι προσεγγιστικές εκφράσεις καθώς οι βαθμοί ιοντισμού είναι μεγαλύτεροι από την τιμή 0,1. Έστω c1 και c οι συγκεντρώσεις των δύο διαλυμάτων. Για το διάλυμα Δ1 ισχύει: [Η3Ο + ]1 = α1 c1 = 0,5 0,04 = 0,01 και άρα ph =. Δ: [Η3Ο + ] = α c = 0,01, ph =. β) Κa(HA) = c1/(1 α1 α1) = 0,5 0,04/(1 0,5) = 10 /3. Κa(HΒ) = c/(1 α α) = 0, 0,05/(1 0,) =, < 10 /3. Επομένως, το ΗΑ είναι ισχυρότερο από το ΗΒ. γ) Κa(HΒ) =, = 0,5 c /(1 0,5), c = 0,03 Μ. Για το αραιωμένο διάλυμα Δ ισχύει: 0,05 0,06 = 0,03 V, V = 0,1 L ή 100 ml και επομένως ο όγκος του νερού που πρέπει να προστεθεί είναι ίσος με = 40 ml Από τον ιοντισμό του HCl έχουμε: [Η3Ο + ] = 0,1 Μ. Για το διάλυμα του HSO4, έχουμε: HSO4 + ΗΟ HSO4 + Η3Ο + c c c HSO4 + ΗΟ SO4 + Η3Ο + c x x x [Η3Ο + ] = c + x = 0,1 Μ (1). Με αντικατάσταση στην τιμή της σταθεράς ιοντισμού του HSO4 : + [H3O ] [SO4 ] 0,1 x 1,3 10 = = () [HSO4 ] c x Από (1) και () προκύπτει: c 0,09 Μ α) 13, 11, β) 0,01, γ) στο Δ1, 4,95 L α) 0,3 g, β) 11, γ) 100 ml α) 0,1 Μ, β) 10 5, γ) 150 ml α) i. 10,5, ii. το HCOOH. β) στο Δ, 450 ml. γ) στο Δ1, 450 ml α) 10 5, 1 Μ, β) 40 ml, γ) 7,9 L α) 0,0, 10 5, β) 0,05 Μ, γ) στο Δ1, 1 L α) c = 0,1 Μ, [NH4 + ] = [OH ] = 10 3 M, [H3O + ] = M, β) 150 ml, γ) 40,3 L α) Το ΗΑ, γιατί έχει μεγαλύτερη τιμή της σταθεράς ιοντισμού. β) 300 ml. γ) Στο Δ, 1,5 L. Σε όλες τις περιπτώσεις πρέπει να δείξουμε την ισχύ των προσεγγίσεων Η σχετική μοριακή μάζα του RCOOH είναι: Mr = 14ν Έστω n τα mol του οξέος και c η συγκέντρωση του διαλύματος που σχηματίζει. Θα ισχύουν: n = 13,8/(14ν + 46) (1) και c = n/0,6 (). ph =, x = [H3Ο + ] = 10 M. α = x/c, c = x/α = 10 /0,0 = 0,5 Μ. α) Θεωρούμε την προσέγγιση: c x c και επομένως: Κa = x /c = (10 ) /0,5 = β) Από τη σχέση () προκύπτει n = 0,5 0,6 = 0,3 mol και από την (1) ν = 0. Επομένως, ο συντακτικός τύπος του οξέος θα είναι: ΗCOOH. γ) Υπολογίζουμε τη σταθερά Κa του ΗΑ με βάση την προσεγγιστική έκφραση του νόμου αραίωσης του Ostwald: Ka = 0,0 0,1 = Επομένως, το ΗCOOH είναι ισχυρότερο οξύ από το ΗΑ α) i. HΓ, ΗΑ, ΗΒ, ΗΔ, ii. Δ4, Δ, Δ1, Δ3, β) 10 5, , γ) i. 150 ml, ii. 150 ml. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 8 1. Γ.. Α. 3. Α. 4. Γ. 5. Δ. 6. Α. 7. Β. 8. Γ. 9. Α. 10. Δ. 11. Α. 1. Γ. 13. Β. 14. Με την αραίωση διαλύματος ασθενούς οξέος η συγκέντρωση μειώνεται και επομένως, σύμφωνα με το νόμο αραίωσης του Ostwald, ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται. Mε την α- ραίωση η [Η3Ο + ] μειώνεται και επομένως η [ΟΗ ] αυξάνεται. 15. α) CH3COOH (οξύ), CN (βάση), CH3COO (βάση), HCN (οξύ). β) Προς τα δεξιά (προς το ασθενέστερο οξύ, το HCN). 16. Για το διάλυμα του ΗΑ ο βαθμός ιοντισμού του αυξάνεται μετά την αραίωση: α1 = 10 /c1, α1 = 10 3 /0,01 c1 = 0,1/c1 > α1 και άρα το οξύ ΗΑ είναι ασθενές (αν ήταν ισχυρό ο βαθμός ιοντισμού θα παρέμενε σταθερός με την αραίωση). Για το διάλυμα του ΗΒ ο βαθμός ιοντισμού μένει σταθερός με την αραίωση: α = 10 /c, α = 10 4 /0,01 c = α και άρα το οξύ ΗΒ είναι ισχυρό. 17. α) α1 = [Η3Ο + ]/c = 10 3 /c (1) και α = [Η3Ο + ]/c = 10 /c (). Από τις (1) και () προκύπτει ότι: α1 < α. β) Ka(HA) = (10 3 ) /c = 10 6 /c (3) και Ka(HΒ) = (10 ) /c = 10 4 /c (3). Παρατηρούμε ότι Ka(HA) < Ka(HΒ) και επομένως το ΗΒ είναι ισχυρότερο οξύ. γ) Επειδή Ka(HA) < Ka(HΒ), θα ισχύει: Kb(A ) > Kb(Β ) και άρα η βάση A θα είναι ισχυρότερη. δ) [Α ] = 10 3 Μ < [Β ] = 10 Μ. 18. α) Κb(CH3NH) = 0,01 1 = 10 4, Κb(NH3) = 0,0 0,05 = 10 5 και επομένως η CH3NH είναι ισχυρότερη βάση. β) Από τον πίνακα ιοντισμού της CH3NH, υπολογίζουμε ότι το ph του αρχικού διαλύματος Δ1 είναι: ph = 1. Αντίστοιχα, για το αρχικό διάλυμα Δ: ph = 11. Άρα. για να γίνει το ph = 11,5 θα πρέπει να προσθέσουμε νερό στο διάλυμα Δ1, ώστε το ph του να μειωθεί στην τιμή 11,5. Από τον πίνακα ιοντισμού της CH3NH, υπολογίζουμε ότι c1 = 0,1 Μ. Από τη σχέση αραίωση προκύπτει ότι για το αραιωμένο διάλυμα Δ1: V1 = 1 L και επομένως ο όγκος του νερού 900 ml. γ) Με την αραίωση ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται και άρα πρέπει να αραιώσουμε το διάλυμα με το μικρότερο βαθμό ιοντισμού ώστε να γίνουν τελικά ίσοι, δηλαδή το Δ1. Για το Δ1 μετά την αραίωση: 10 4 = 0,0 c1, c1 = 0,5 Μ. Από την αραίωση προκύπτει ότι ο όγκος του διαλύματος έγινε V1 = 0,4 L και επομένως το Δ1 αραιώθηκε με 300 ml ΗΟ. 19. Η σχετική μοριακή μάζα της αμίνης είναι: Mr = 14ν Έστω n τα mol της αμίνης και c η συγκέντρωση του διαλύματος που σχηματίζει. Θα ισχύουν: n = 13,5/(14ν + 17) (1) και c = n/0,6 (). RΝH + HO RΝH3 + + OΗ c x x x ph = 1, poh =, x = [OH ] = 10 M. α = x/c, c = x/α = 10 /0,0 = 0,5 Μ. α) Θεωρούμε την προσέγγιση: c x c και επομένως: Κb = x /c = (10 ) /0,5 = β) Από τη σχέση () προκύπτει n = 0,5 0,6 = 0,3 mol και από την (1) ν =. Επομένως, ο συντακτικός τύπος της αμίνης θα είναι: CH3CHNH. γ) Kb = α c = 0,0 0,1 = Επομένως, η αμίνη είναι πιο ισχυρή βάση από τη βάση Β. 9. ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ ΑΛΑΤΩΝ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗ 9.1. α) KOH + HNO3 KNO3 + HO 403

418 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 β) Ca(ΟΗ) + HClO 4 Ca(ClO 4) + H O γ) CH 3COOH + NaOH CH 3COONa + H O δ) NH 3 + HCl NH 4Cl ε) CH 3NH + HNO 3 CH 3NH 3NO 3 ζ) HCN + NaOH NaCN + H O η) Ca(ΟΗ) + CH 3COOH (CH 3COO) Ca + H O θ) NH 3 + H SΟ 4 (NH 4) SO Α. Το CH 3COONa διίστανται στα ιόντα CH 3COO και Νa +, από τα οποία το CH 3COO λειτουργεί ως ασθενής βάση, συζυγής του CΗ 3CΟΟΗ. H NH 3 και η CH 3OH (μεθανόλη) είναι ομοιοπολικές ενώσεις. Το NaNO 3 είναι ιοντική ένωση αλλά δίνει ουδέτερο διάλυμα B. Το άλας ΚNO 3 δίνει ουδέτερο διάλυμα καθώς κανένα από τα ιόντα του δεν υδρολύεται Α. Προκύπτει το άλας NH 4Cl το οποίο με διάσταση και υδρόλυση του ιόντος ΝΗ 4 + δίνει όξινο διάλυμα Δ. Tο CH 3COO υδρολύεται λειτουργώντας ως ασθενής βάση και επομένως δίνει 7 < ph < A. Από τα οξέα που δίνονται το C 6H 5OH είναι το ασθενέστερο καθώς έχει τη μικρότερη K a. Επομένως, η συζυγής βάση, C 6H 5O, θα είναι η ισχυρότερη και θα δίνει το μεγαλύτερο ph Α. Το KOH είναι ισχυρή βάση, το KCN λειτουργεί ως ασθενής βάση λόγω της υδρόλυσης του ιόντων CN, το NH 4Br λειτουργεί ως ασθενές οξύ λόγω της υδρόλυσης των ιόντων ΝΗ 4 + και το HClO 4 είναι ισχυρό οξύ Α. Με τη διάσταση του ΝΗ 4ΝΟ προκύπτουν τα ιόντα ΝΗ 4 + και NΟ, τα οποία προέρχονται από ασθενείς ηλεκτρολύτες και επομένως υδρολύονται. Καθώς το ph είναι όξινο θα ισχύει: Κ a(nh 4+ ) > Κ b(no ) Β. Το NaNO 3 δίνει ουδέτερο διάλυμα Γ. Το ΝΗ 4Cl δίνει όξινο διάλυμα, λόγω υδρόλυσης των ιόντων ΝΗ i. Α. Από την αντίδραση της εξουδετέρωσης προκύπτει περίσσεια ΝaOH σε συγκέντρωση 0,01 Μ. Από τη διάσταση του NaOH, προκύπτει: ph = 1. ii. Δ. Από την αντίδραση εξουδετέρωσης προκύπτει περίσσεια HCl σε συγκέντρωση 0,01 Μ. Από τον ιοντισμό του HCl προκύπτει: ph = Γ. Η βάση Β είναι ασθενής (αν ήταν ισχυρή θα έδινε ph = 1). Mε την εξουδετέρωση προκύπτει το άλας BHCl το ο- ποίο με διάσταση δίνει τα ιόντα ΒΗ + και Cl από τα οποία το ΒΗ + υδρολύεται οπότε προκύπτει όξινο ph Δ. n(ηs) = c V = 0,1 mol. ΗS + NaOH NaS + HO 0,1 mol 0, mol Η ποσότητα του NaOH είναι η μεγαλύτερη από όλες τις άλλες περιπτώσεις και αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο όγκο διαλύματος NaOH Δ. NaΑ Na + + Α Α + ΗΟ ΗΑ + OH c x x x Επομένως: [HA] = [OH ] Δ. Η πρόταση 1 είναι λανθασμένη καθώς με τη θεώρηση της προσεγγιστικής σχέσης, [Η3Ο + ] = K a c, προκύπτει ότι η [Η3Ο + ] του διαλύματος Δ1 είναι 10 φορές μεγαλύτερη από την [Η3Ο + ] του διαλύματος Δ. Η πρόταση είναι σωστή καθώς το διάλυμα Δ έχει μικρότερη [Η3Ο + ] και επομένως μεγαλύτερο ph. Η πρόταση 3 είναι σωστή καθώς τα δύο διαλύματα έχουν ίσες ποσότητες (σε mol) από τα δύο οξέα και επομένως απαιτούν την ίδια ποσότητα NaOH για την εξουδετέρωσή τους Στο διάλυμα του NaHCO3 το ιόν ΗCO3 δρα ως αμφιπρωτικό σώμα: HCO3 + HO H3O + + CO3 HCO3 + HO HCO3 + OH Το τελικό διάλυμα εμφανίζει βασικό ph γιατί για το HCO3 ισχύει: Κb > Ka. Το HSO4 εμφανίζει μόνο ιδιότητες ασθενούς οξέος (αν είχε και βασικό χαρακτήρα θα οδηγούσε στο σχηματισμό μορίων θειικού οξέος, που είναι ισχυρό οξύ). Το διάλυμα αυτό, επομένως, εμφανίζεται όξινο α) Προς τα δεξιά, διότι το οξύ ΝΗ4 +, Ka = , είναι ασθενέστερο οξύ από το ΗF. β) Η σταθερά Κ δίνεται από τη σχέση: + [F ] [NH4 ] Ka(HF) Kb(NH3) 6 K = = = 1,4 10. [HF] [NH3 ] Kw γ) Όξινο. Και τα δύο ιόντα που προκύπτουν από τη διάσταση του άλατος υδρολύονται και ισχύει: Κa(NH4 + ) > Kb(F ) Α-7, Β-1, Γ-3, Δ-, Ε-4, ΣΤ-5, Ζ α) Μεγαλύτερο ph σημαίνει μεγαλύτερη [ΟΗ ] και ε- πομένως μεγαλύτερη Kb. Επομένως ισχυρότερη βάση είναι η CH3ΝΗ. β) Ίσες συγκεντρώσεις και ίσοι όγκοι από κάθε βάση σημαίνει ίσες ποσότητες σε mol και επομένως οι δύο βάσεις απαιτούν την ίδια ποσότητα HCl για την εξουδετέρωση. γ) Τα δύο διαλύματα εξουδετέρωσης περιέχουν τα άλατα CH3ΝΗ3Cl και NH4Cl σε ίσες συγκεντρώσεις. Καθώς το ιόν CH3ΝΗ3 + είναι ασθενέστερο οξύ από το NH4 + (η συζυγής βάση είναι ισχυρότερη), το διάλυμα του άλατος CH3ΝΗ3Cl θα έχει μεγαλύτερο ph (λιγότερο όξινο) από το διάλυμα του ΝΗ4Cl α) Α: βασικό, Β: ουδέτερο, Γ: βασικό, Δ: όξινο, β) HCN, ΗClO, ΗΝΟ3, γ) το Γ Τα 84 ml οδοντόκρεμας περιέχουν g ΝaF = 10 3 mol ΝaF. Στο διάλυμα των 0 ml η συγκέντρωση του NaF είναι 0,1 Μ. Από τη διάσταση του άλατος και την υδρόλυση των ιόντων F (Kb = ) προκύπτει τελικά: ph = α) 9 (υδρόλυση του ιόντος CH3COO ), β) 5 (υδρόλυση του ιόντος ΝΗ4 + ), γ) 7 (δεν υδρολύεται κανένα από τα ιόντα του άλατος), δ) 7 (υδρολύονται και τα δύο ιόντα του άλατος και ισχύει: Ka = Kb) Έστω n mol NaClO. Η συγκέντρωση του διαλύματος θα είναι: c = n/0, (1). NaClO Na + + ClO c c c ClO + ΗΟ ΗClO + OH c x x x = 10 4 M (10 ) Kb = = = c c = 0,03 M. Από τη σχέση (1), n = mol NH4NO3 NH4 + + NO3 c1 c1 c1 404

419 NH4 + + ΗΟ NH3 + H3O + c1 x x x = 10 6 M K a = =, c1 = 10 M 5 10 c1 H αρχική ποσότητα του NH4NO3 είναι: n1 = ,5 = mol. Με την προσθήκη επιπλέον ποσότητας NH4NO3 η συγκέντρωση αυξάνεται σε c. NH4NO3 NH4 + + NO3 c c c NH4 + + ΗΟ NH3 + H3O + c x y y = 10 5,5 M K a = =,c = 10 M 5 10 c H συνολική ποσότητα του NH4NO3 είναι: n = 10 0,5 = mol. Επομένως, προστέθηκαν = 4, mol NH4NO3, που αντιστοιχούν σε μάζα m = 0,36 g n = 0,41/8 = mol CH3COONa. c1 = n/v = /0,05 = 0,1 M. CH3COONa CH3COO + Na + CH3COO + HO CH3COOH + OH 0,1 x 0,1 M x x Kb = x /0,1, x = 10 5, ph1 = 9. Το αραιωμένο διάλυμα θα έχει ph = 8. Mε την αντίστροφη διαδικασία υπολογίζουμε: c = 10 3 M. Αλλά c = /V, οπότε V = 5 L n1 =,45/98 = 0,05 mol CH3COOK, n =,05/8 = 0,05 mol CH3COONa. c1 = c = 0,05/0,5 = 0,05 M. CH3COOK CH3COO + K + 0,05 0,05 0,05 CH3COONa CH3COO + Na + 0,05 0,05 0,05 CH3COO + HO CH3COOH + OH 0,1 x 0,1 M x x Kb = x /0,1, x = 10 5, ph = To διάλυμα με ph = περιέχει HCl 0,01 M, ενώ το διάλυμα με ph = 13 περιέχει Βa(OH) 0,05 Μ. Μετά την αντίδραση εξουδετέρωσης, Βa(OH) + HCl ΒaCl + HO, θα έχουμε περίσσεια Ba(OH) καθώς το τελικό ph είναι βασικό. Γράφουμε τη συγκέντρωση της περίσσειας του Βa(OH) και εξισώνουμε τη συγκέντρωση των ιόντων OH με 0,01 Μ (από ph = 1). Τελικά: V1/V = 4, α) και 3, β) 7, γιατί κανένα από τα ιόντα του άλατος δεν υδρολύεται, γ) α) n(naoh) = 0,1 0,05 = mol. ΗΑ + ΝaOH NaA + HO Στα 50 ml του διαλύματος Υ1 υπάρχουν mol HA και άρα στα 100 ml του διαλύματος Υ1 υπάρχουν 10 mol HA. n = m/mr, Mr = m/n = 1,03/10 = 103. β) Το διάλυμα της εξουδετέρωσης περιέχει ΝaA σε συγκέντρωση: c = /0,1 = 0,05 M. NaA A + Na + 0,05 0,05 0,05 A + HO HA + OH 0,05 x 0,05 M x x = 10 5 Kb = x /0,05 = Επομένως: Ka = / 10 9 = α) Β + ΗΟ ΒΗ + + ΟΗ 1 x 1 M x x 10 6 = x, x = 10 3 M, poh = 3, ph = 11. α = x/c = β) Β + ΗΝΟ3 ΒΗΝΟ ΒΗΝΟ3 ΒΗ + + ΝΟ3 ΒΗ + + ΗΟ Β + Η3Ο + 1 y 1 M y y 10 8 = y, y = 10 4, ph = α) 80 ml, β) ph = 8, , α) 0,01, 10 5, β) 10 ml, γ) 80 ml α) 3, β) 9, γ) 9, α) 0,01, 10 5, β) 0, mol, γ) α) 10 4,, β) i. 8,5, ii. 13,5 L α) CH3COONa, β) 9, 10 4, γ) το ΗA α) 0,01, 10 5, β) 10 ml, γ) 80 ml α) 14, β) 9, Για το διάλυμα Δ1: ΗΑ + ΗΟ Α + Η3Ο + c ω c ω ω + [H3O ] 1 Ka(HA) = (1) c Για το διάλυμα Δ: NH4Cl NH4 + + Cl 10c 10c 10c ΝΗ4 + + ΗΟ ΝΗ3 + Η3Ο + 10c y 10c y y [H3O ] 10 [H3O ] Ka(NH4 ) =, =, 10c Kb(NH3) 10c 14 10c 10 Kb(NH3) = () + [H3O ] 1 Από (1) και (): Ka(HA) Kb(NH3) = 10. Με λογαρίθμηση προκύπτει: pka(ha) + pkb(nh3) = α) Η ποσότητα του ΗΑ είναι: n = 0,01 0,1 = 10 3 mol. ΗΑ + Ca(ΟΗ) CaA + HO / 10 3 / H συγκέντρωση του διαλύματος είναι ίση με Μ. Ca(ΟΗ) Ca + + OH Μ 10 Μ poh =, ph = 1. β) Από το νόμο αραίωσης του Ostwald στο αρχικό διάλυμα: Κa(HA) = α c = Η συγκέντρωση του CaA είναι: c = 10 3 /( 0,) =, Μ. CaΑ Ca + + Α, Μ Μ Α + ΗΟ ΗΑ + OH x x x Kb(A ) = / = x /5 10 3, x = 10 5,5, poh = 5,5, ph = 8, α) 0,0 και 10 5, β) L, γ) ph = α) ph =1, β) 50 ml, γ) ph = 5, α) 10, β) 9 και 10 4, γ) 4,5 L. 405

420 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ V = 1,1 L α) 10 4, β) 0,01 Μ,. α) 1:10, 10,5, 10,5, 10 11,5, 3. 0,1 mol, ph = α) i. 1, ii , iii. 800 ml. β) [ΗΑ] = 10 4 Μ, [ΟΗ ] = 10 4 Μ, [Α ] = Μ, [Η3Ο + ] = Μ, [Νa + ] = Μ. γ) α) i. 0, M, ii. 10 5, β) ph = 9, γ) ph = ,0 M α) HCl + Βa(OH) BaCl + HO 10 3 mol mol mol HA + Βa(OH) BaA + HO 10 3 mol mol mol H συνολική ποσότητα της βάσης Ba(OH) για την εξουδετέρωση και των δύο οξέων είναι 10 3 mol και επομένως η συγκέντρωση θα είναι: c = 10 3 /0,1 = 0,01 Μ. β) Το διάλυμα της εξουδετέρωσης περιέχει BaCl σε συγκέντρωση /0, =, Μ και BaΑ σε συγκέντρωση /0, =, Μ. ΒaCl Ba + + Cl, Μ Μ ΒaA Ba + + A, Μ Μ A + HO HA + OH x x x = 10 5,5 M Kb(A ) = / = 10 9 Ka(HA) = / 10 9 = [Βa + ] = Μ, [Cl ] = Μ, [A ] = Μ, [OH ] = 10 5,5 M, [H3O + ] = 10 8,5 M Tα 0 ml του Δ1 περιέχουν 3 0,0 = 0,06 mol οξέος και αντιδρούν με 4 0,015 = 0,06 mol KOH. Επομένως, το 1 mol του οξέος του διαλύματος Δ1 αντιστοιχεί σε 1 mol KOH και άρα το οξύ είναι μονοπρωτικό: ΗΑ + ΚΟΗ ΚΑ + ΗΟ 0,06 0,06 mol Tα 40 ml του διαλύματος Δ περιέχουν 1,5 0,04 = 0,06 mol οξέος και κατανάλωσαν 1 0,03 = 0,03 mol Ca(OH). Επομένως, τα mol του οξέος του διαλύματος Δ αντιστοιχούν σε 1 mol Ca(OH) και άρα και το οξύ του δεύτερου διαλύματος είναι μονοπρωτικό, καθώς απαιτεί τη μισή ποσότητα Ca(OH): ΗΑ + Ca(OH) CaΑ + ΗΟ 0,06 0,03 mol Σημείωση: Μπορούμε και στις περιπτώσεις να θεωρήσουμε το οξύ με το γενικό τύπο ΗxA και με βάση τη γενική αντίδραση: ΗxA + xkoh KxA + xho, θα προσδιορίσουμε την τιμή του x (αν x = 1: μονοπρωτικό οξύ, x = : διπρωτικό οξύ). Για την εξουδετέρωση με το Ca(OH) μπορούμε να δουλέψουμε με την εξίσωση: ΗxA + xca(oh) CaxA + xho. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 9 1. Β.. Α. 3. Δ. 4. Β. 5. Α. 6. Γ. 7. Δ. 8. Γ. 9. Β. 10. Α. 11. α) CH3COΟΝa, β) διάσταση CH3COΟΝa, υδρόλυση CH3COO, αυτοϊοντισμός ΗΟ Γ, Β, 3 Στ, 4 Ε, 5 Δ. 13. α) Προς τα δεξιά, προς το ασθενέστερο οξύ. β) Ουδέτερο. Διάσταση CH3COONH4, υδρόλυση και των δύο ιόντων, για τα οποία ισχύει: Κa = Kb. 14. α) Φιάλη 1: διάλυμα NH4Cl, φιάλη : διάλυμα CH3COOH, φιάλη 3: διάλυμα ΗCl, φιάλη 4: διάλυμα CH3COONH4, φιάλη 5: διάλυμα CH3COONa. β) Κa(CH3COOH) = Kb(ΝΗ3) = Εφόσον τα διαλύματα έχουν τον ίδιο όγκο, το μεγαλύτερο όγκο διαλύματος HCl 1 Μ για την πλήρη εξουδετέρωσή, θα απαιτεί το διάλυμα βάσης με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση. Εφόσον όλα τα διαλύματα βάσης έχουν το ίδιο ph, τη μεγαλύτερη συγκέντρωση θα έχει η πιο ασθενής βάση, δηλαδή η NH3 (πρέπει να γίνουν οι αναλυτικοί υπολογισμοί). 16. α) i. Αραιωμένο διάλυμα Δ1: ph = 1, [OH ] = 10 M. Ba(OH) Ba + + OH 0,005 M 0,005 M 10 M Ισχύει: c1 V1 = c1 V1, 0,01 0,1 = 0,005 V1, V1 = 0, L ή 00 ml και επομένως προστέθηκαν 100 ml νερού. ii. Για το αραιωμένο διάλυμα Δ3: ph = 3, [H3O + ] = 10 3 M. HCl + HO Cl + H3O M 10 3 M, c3 = 10 3 M. Ισχύει: c3 V3 = c3 V3, 0,0 0,1 = 0,001 V3, V3 = L και επομένως προστέθηκαν 1900 ml νερού. β) Για το αρχικό και το αραιωμένο διάλυμα Δ, ισχύουν: Κa(HA) = α 0,0 = (3α) c, c = (0,0/9) Μ. Επίσης: c V = c V, 0,0 0,1 = (0,0/9) V, V = 0,9 L ή 900 ml και επομένως προστέθηκαν 800 ml νερού. γ) Επειδή έχουμε εξουδετέρωση ισχυρής βάσης με ισχυρό οξύ και το τελικό ph είναι όξινο, θα έχουμε περίσσεια HCl: Ba(OH) + HCl BaCl + HO 0,01 V1 0,0 V 0,01 V1 0,0 V1 0,01 V1 0,0 (V V1) 0,01 V1 Για την περίσσεια του οξέος: c = 0,0 (V V1)/(V1 + V) (1). Το τελικό ph θα καθορίζεται από την περίσσεια του HCl: HCl + HO Cl + H3O + c = 10 M 10 M 0,0 (V V1)/(V1 + V) = 10, V/V1 = 3. δ) Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί (σε mol): Ba(OH) + HCl BaCl + HO Ba(OH) + HA BaA + HO Τελικά απομένουν μόνο τα δύο άλατα σε συγκεντρώσεις 10 3 /0,4 =, Μ το καθένα. BaΑ Ba + + A, M M Α + HO HΑ + OH x x x Από το ph του τελικού διαλύματος, έχουμε: ph = 9, poh = 5, [ΟΗ ] = x = 10 5 M. Θεωρούμε την προσέγγιση: x Μ, οπότε από την έκφραση της σταθεράς ιοντισμού του ιόντος A, προκύπτει: 5 [OH ] (10 ) 8 Kb(A ) = = = Τέλος, από τη σχέση Κa Kb = Kw, υπολογίζουμε τη σταθερά ιοντισμού του οξέος ΗΑ: 14 Kw 10 7 Ka(HA) = = = K (A ) 10 b

421 10. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΟΙΝΟΥ ΙΟΝΤΟΣ Γ Α A Β Γ Γ A Δ Δ B Γ Όλες σωστές α) Οδεύει προς την πλευρά των μορίων της πυριδίνης, β) μειώνεται, γ) παραμένει σταθερή, δ) αυξάνεται και ε) μειώνεται α), β) Εξισώσεις διάστασης και ιοντισμού, πινακάκι, αντικατάσταση στις σταθερές ιοντισμού. γ) Εξισώσεις ιοντισμού των δύο οξέων, πινακάκι, αντικατάσταση στις σταθερές ιοντισμού α) Ισχυρό (αν ήταν ασθενές, η ισορροπία ιοντισμού του θα πήγαινε προς τα αριστερά, οπότε το ph θα αυξανόταν), β) i. ασθενές, γιατί σε αντίθετη περίπτωση το ph θα παρέμενε σταθερό, ii. ένα ισχυρό οξύ, π.χ. HCl α) 0,01, β) α) 0,01, β) α), 0,01, β) 0, ,7 g α) 5, β) 3,5, γ) 8, mol α) Κa = 10 4, α = 10, β) i. λ = 1, ii α) [CH5NH3 + ] = 0,05 M, [ΟΗ ] = 10 3 Μ, [Η3Ο + ] = Μ, [Cl ] = 0,05 Μ, β) 1, , γ) ισχυρότερη βάση είναι η CH5NH α) 0,0 Μ, β) 11, α) Ασθενές, β) 0,01 mol ,005 n 0, Με εφαρμογή του (προσεγγιστικού) νόμου αραίωσης του Ostwald για το διάλυμα Υ1, προκύπτει: K a = α c (1). Στο διάλυμα Υ έχουμε το ΗΑ σε συγκέντρωση c/ και ΗCl σε συγκέντρωση επίσης c/. mol/l HCl + HO H3O + + Cl c/ c/ c/ mol/l HA + HO H3O + + A Ισορροπία c/ x x + c/ x x (c /) α c α c K a = = = () c / 10 0 Από τις σχέσεις (1) και () προκύπτει: α = 0, ph = α) 0,05, β) η Α : , 10 5 Μ Για το αρχικό διάλυμα έχουμε: ΝΗ4Cl ΝΗ4 + + Cl c c c ΝΗ3 + ΗΟ ΝΗ4 + + ΟΗ c1 x c1 x + c x Kb = x (c/c1) (1) Αν οι συγκεντρώσεις των δύο συστατικών στο αραιωμένο διάλυμα είναι c1 και c, αντίστοιχα, θα ισχύουν: c1 0,5 = c1 V () και c 0,5 = c V (3), όπου V ο όγκος του αραιωμένου διαλύματος. Για το αραιωμένο διάλυμα έχουμε: ΝΗ4Cl ΝΗ4 + + Cl c c c ΝΗ3 + ΗΟ ΝΗ4 + + ΟΗ c1 y c1 y + c y Kb = y (c /c1 ) (4). Από τις () και (3): (c1 /c ) = (c1/c) και επομένως, από τις (1) και (4): x = y. Oι βαθμοί ιοντισμού της ΝΗ3 στο αρχικό διάλυμα είναι: α = x/c1 (5) και στο τελικό διάλυμα: 3 α = y/c1 = x/c1 (6). Από τις τελευταίες εξισώσεις, προκύπτει: c1 = 3 c1. Από την εξίσωση (): V = 1,5 L και άρα πρέπει να προσθέσουμε 1 L ΗΟ α) 10 6 και , β) ph = 3, γ) 10 3 και : α) Κb = και α/α1 =, β) ph = α) 1 Μ, 10 4, β) 4 ml, 1, γ) 0,05 mol α),5, β) 8,5, γ) β) 0, Με τη θεώρηση του νόμου αραίωσης του Οstwald για τα διαλύματα Δ1 και Δ, έχουμε: K a = 1 α 1 c, K a = α c. Από τις δύο αυτές σχέσεις προκύπτει η σχέση (1). Στο διάλυμα Δ έχουμε τα δύο οξέα ΗΑ και ΗΒ σε συγκεντρώσεις από c/. Εφαρμόζοντας την Ε.Κ.Ι, έχουμε: mol/l HΑ + HO H3O + + Α c/ x x x mol/l HΒ + HO H3O + + Β c/ y y y x (x + y) Ka 1 = = α3 (x + y) c / Ka = α4 (x + y), όπου x + y = [H3O + ] στο διάλυμα Δ. Από τη σχέσεις αυτές προκύπτει η σχέση () α) 0,01, 3, β) 10 4, 1, γ) 5, α) ph = και Ka = , β) 0,5 mol HCl, γ) ph = ph = α) 0,1 mol, β) 100 ml, γ) ph = 4 και ph = α) 10 6, β) i. 9 L, ii. 8 L, γ) i , ii. 10 3, , δ) M α) 11,, β) 6,3 g HNO3 και 4,6 g HCOOH, γ) 0, , Για το διάλυμα του CH3COOH έχουμε α = 10 3 /0,1 = 0,01 < 0,1 και επομένως ισχύουν οι προσεγγίσεις. Άρα, Κa = Με την προσθήκη του ΗCl(g) σε συγκέντρωση 10 3 Μ έχουμε επίδραση κοινού ιόντος: HCl + ΗΟ Η3O + + Cl 407

422 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ CH3COOH + ΗΟ CH3COO + Η3O + 0,1 x x x [CH3COOH] = 0,1 x 0,1 M, [CH3COO ] = x, [Η3O + ] = x. Προσοχή! Στην τελευταία σχέση δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις καθώς η συγκέντρωση 10 3 Μ είναι μικρή (θεωρήστε την προσέγγιση και παρατηρείστε το αποτέλεσμα). Ε- πομένως: 10 5 = x ( x)/0,1. Από την επίλυση της εξίσωσης προκύπτει x = 0, Μ (ως δεκτή λύση) και επομένως [Η3O + ] = x = 1, Μ Από τη σχέση της αραίωσης προκύπτει ότι τo Δ3 έχει συγκέντρωση 0,1 Μ. Από τη διάσταση του ΗCOONa και την υδρόλυση του ιόντος ΗCOO προκύπτει: Κb(ΗCOO ) = Με ανάλογη διαδικασία προκύπτει ότι τo διάλυμα Δ4 έχει συγκέντρωση 0,1 Μ, οπότε από τη διάσταση του CΗ3COONa και την υδρόλυση του ιόντος CΗ3COO προκύπτει ότι: Κb(CΗ3COO ) = Θεωρούμε V (L) από το διάλυμα Δ και V (L) από το διάλυμα Δ3 οπότε το τελικό διάλυμα (Δ5) θα έχει όγκο (V + V ). To Δ5 περιέχει και τα δύο άλατα CΗ3COONa και ΗCOONa σε συγκεντρώσεις c και c3, αντίστοιχα, που δίνονται από τις σχέσεις: 1 V = c (V + V ) (1) και 0,1 V = c3 (V + V ) (). Θεωρούμε τις διαστάσεις των δύο αλάτων και τις υδρολύσεις των δύο ιόντων CΗ3COO και ΗCOO, οπότε έχουμε επίδραση κοινού ιόντος μέσων των ΟΗ. Αν x η συγκέντρωση των CΗ3COO που υδρολύονται και y η αντίστοιχη για τα ιόντα ΗCOO, θα ισχύει: 10 9 = x (x + y)/c και = y (x + y)/c3, όπου x + y = Επομένως: x = 10 4 c και y = 10 5 c3. Προσθέτοντας κατά μέλη τις δύο αυτές εξισώσεις και αντικαθιστώντας στις (1) και () προκύπτει τελικά: V /V = Διάλυμα Δ1: + [ H3O ] 1 = Ka c (1) 1 Διάλυμα Δ: ΗΑ 0,05 Μ και ΝaA 0,05 Μ: + [ H3O ] = K () a +, ΔpH =,5, [H3 O ] 1 = 10 [H3O ], [H3 O ] 1 = 10 [H3O ] (3) Από (1), () και (3): Κa = και Όχι. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Βλέπε θεωρία.. Στο διάλυμα Δ (κοινό ιόν το Η3Ο + από το ΗCl και την υ- δρόλυση του ΝΗ4 + ). 3. α Κb(ΝΗ3) ph [ΝΗ4 + ] Ι. ΙΙ. ΙΙΙ. ΙV. V. 4. Με βάση το νόμο αραίωσης του Οstwald στο Υ1, έχουμε: K a = α 1 c (1). Στο διάλυμα Υ έχουμε τα δύο οξέα ΗΑ και ΗCl σε συγκεντρώσεις από c/. Εφαρμόζοντας την Ε.Κ.Ι., έχουμε: mol/l HCl + HO H3O + + Cl c/ c/ c/ mol/l HA + HO H3O + + A Ισορροπία c/ x x + c/ x + [A ] [H3O ] x (c /) c Ka = = = α (). [HA] c / Συνδυάζοντας τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει η ζητούμενη. 5. α) i. ph = 3, α = 0,01. β) i. Έχουμε Ε.Κ.Ι.: CH3COOH 0,1 M, HCl 0,1 M (ph = 1, α = 10 4 ), ii. μείωση του βαθμού ιοντισμού λόγω Ε.Κ.Ι. 6. α) ph = 5,β) ph = 13, γ) ph = 9, δ) ph = 11, ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Δ Δ Δ Γ Σωστή είναι η επιλογή Γ. Η μικρότερη μεταβολή του ph θα παρατηρηθεί στην περίπτωση του ρυθμιστικού διαλύματος (το HF είναι ασθενές οξύ) Α Γ Γ Δ Α Β Β Β Γ Β Γ Γ Μόνο η Δ είναι σωστή α) Όχι, β) βασικό Η σχέση προκύπτει από την εξίσωση των ρυθμιστικών διαλυμάτων και τη σχέση: pka + pkb = To II, το ΙΙΙ ή το IV Το διάλυμα περιέχει το ασθενές οξύ CH3COOH και τη συζυγή βάση CH3COO (από την πλήρη διάσταση του CH3COONa). i. Τα Η3Ο + που προκύπτουν από την πλήρη ιοντισμό του HCl αντιδρούν σύμφωνα με την εξίσωση: CH3COO + H3O + CH3COOH + HO Έτσι, τα ιόντα H3O + που προσθέσαμε δεσμεύονται σχεδόν πλήρως και το ρυθμιστικό διάλυμα να διατηρεί πρακτικά σταθερό το ph του. ii. Τα ΟΗ που προκύπτουν από τη διάσταση του NaOH δεσμεύονται από το CH3COOH: CH3COOH + OH HO + CH3COO Έτσι, το ph του διαλύματος διατηρείται και πάλι πρακτικά σταθερό. Η ποσότητα HCl ή NaOH που προσθέτουμε θα πρέπει να είναι σημαντικά μικρότερη από τις ποσότητες του CH3COONa ή του CH3COOH, ώστε να μη δεσμευθεί μεγάλη ποσότητά τους και το διάλυμα χάσει τη ρυθμιστική του ικανότητα Μόνο στην Α α) Είναι ρυθμιστικό, γιατί περιέχει το σύστημα HS/HS (το ΗS προκύπτει από τη διάσταση του NaHS). β) Διάσταση των δύο αλάτων: ΝaHPO4 Na + + HPO4 και ΝaHPO4 Na + + HPO4. Τα ιόντα HPO4 και HPO4 αποτελούν ζεύγος συζυγούς οξέος - συζυγούς βάσης. 408

423 11.5. α) ph = 5, β) ph = α) ph = 4, β) ph = ,13 Μ α) 10, β) ,36 mol c1/c = : ,3 g (NH4)SO Από 50 ml ph = 11, ph = 1, ph = ,14 g , πρακτικά καμία μεταβολή Μ ,73 g ,1 g < m < 41 g α) 1 mol, β) 0,45 mol α) i. 8, ii. 8, β) ml α) 0,1 Μ, 10 5, β) 9, γ) 100 ml α) 10 5, β) 11, γ) α) ii. 10 7, β) 10 : 1, γ) : α) 3, 8,5, β) 4, γ) : α) i.,5, ii. 10, β) α),5, β) 9 L, γ) 9/11 mol α) 11, β) 1 :, γ) 0,75 L α) ph = 9, β) 1,64 g, γ) 0,04 mol α) , β) από 500 ml, γ) i. 5, ii α) 0,5 L και 1 L, β) 1 L και 0,5 L, γ) 1,1 L α) 0,1 M, 0,01, β) mol, γ) α) 40 ml, β) 900 ml, γ) υπάρχει μόνο το άλας ΚΑ (βασικό διάλυμα) α) Ka = 10 5, α = 10, β) i. V(H) = 0,8 L, ii. ph = 8,5, γ) (/3) 10 mol α) 0,1 mol, β) ph = α) i. 1,5 M, ii. 5. β) i. Με τη συνεχή αραίωση το διάλυμα παύει να είναι ρυθμιστικό και το ph αυξάνεται μέχρι να γίνει οριακά ίσο με 7, ii. 0. γ) 0,75 mol α) 7,1, β) 1, To αρχικό ph υπολογίζεται από τη σχέση: ph1 = pka + log(cβ/co) (1). Με την προσθήκη n mol ΗCl έχουμε την αντίδραση: ΝaA + HCl NaCl + HA cβ n co cβ n co + n To τελικό ph υπολογίζεται από τη σχέση: cβ n ph = pka + log co + n cβ cβ n ph1 ph = log log = c c + n cβ (co + n) = log = log10 c (c n) o β o o Από την παραπάνω σχέση προκύπτει η ζητούμενη. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Δ.. Δ. 3. B. 4. Δ. 5. Γ. 6. Α. 7. Α. 8. [H3O + ] = Ka (co/cβ) = 3, 10 8 (0,3/0,01) < 10 7 και άρα ph < 7 (επιλογή Α). 9. Γ. 10. i. Λ. Για να είναι ένα διάλυμα ρυθμιστικό θα πρέπει να περιέχει ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση (το HCl είναι ισχυρό οξύ). ii. Λ. ph = pka + log(cβ/co) = pka + log(1/10) = pka 1. iii. Λ. To ph θα αυξηθεί λόγω Ε.Κ.Ι. To ph δε θα μεταβάλλετε σημαντικά μετά την προσθήκη του ΗCΟΟΚ(s), οπότε και θα έχει σχηματιστεί ρυθμιστικό διάλυμα. 11. α) ph(a) < ph(z) < ph(e) < ph(γ) < ph(b) < ph(δ). β) Το διάλυμα Ε είναι ρυθμιστικό διάλυμα και η προσθήκη μικρής ποσότητας NaOH(s) δε μεταβάλλει σημαντικά το ph του. 1. α) i. Με την ανάμιξη ποσοτήτων των διαλυμάτων της ΝΗ3 και του NH4Cl. ii. Με τη μερική εξουδετέρωση του διαλύματος της ΝΗ3 με το διάλυμα HCl, σύμφωνα με την αντίδραση: ΝΗ3 + ΗCl NH4Cl Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να ισχύει: n(nh3) > n(hcl). β) [OH ] = Kb (cβ/co) ή [Η3Ο + ] = Ka (co/cβ). 13. Υπολογίζουμε αρχικά τη συγκέντρωση (c) του διαλύματος CH3COONa. CH3COONa CH3COO + Na + c c c CH3COO + HO CH3COOH + OH c x c M x x = 10 5 M Kb = /10 5 = = (10 5 ) /c, c = 0,1 M. Στα 00 ml του διαλύματος περιέχονται n = 0,1 0, = 0,0 mol. Με την προσθήκη (έστω n mol) του αερίου HCl θα έχουμε την αντίδραση: CH3COONa + ΗCl CH3COOH + NaCl 0,0 n Για να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα θα πρέπει να αντιδράσει όλη η ποσότητα του HCl και επομένως: cβ = (0,0 n)/0, και co = n/0,. [Η3Ο + ] = Ka (co/cβ), 10 5 = 10 5 (co/cβ), co = cβ. Επομένως: 0,0 n = n, n = 0,01 mol. 14. α) Το Δ1 περιέχει ισχυρή βάση: Διάσταση, [ΟΗ ] = 1 Μ, poh = 0, ph = 14. HA + HO A + H3O + 0,5 x c1 x x = 10,5 M Κa = 10 5 /0,5 = β) ΗΑ + ΝaOH NaA + HO Η ποσότητα του NaOH είναι 0,1 mol και του ΗΑ επίσης 0,1 mol. Τελικά απομένει μόνο το άλας NaA (0,1 mol) σε συγκέντρωση 0,1/0,5 = 0, M. NaΑ Na + + Α 0, 0, 0, Α + ΗΟ ΗΑ + OH 0, x x x Κb(A ) = = x /0,, x = 10 5, ph = 9. γ) Οι αρχικές ποσότητες των δύο ουσιών είναι: 0, mol NaOH και 0,3 mol HA. Μετά την αντίδραση εξουδετέρωσης απομένουν 0,1 mol HA και 0, mol NaA (ρυθμιστικό διάλυμα). Οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις είναι 0,1/8 και 0,/8. Επομένως: [Η3Ο + ] = Ka (co/cβ) = 10 5 (1/) = 10 5, ph =

424 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 15. α) Έστω c η συγκέντρωση του διαλύματος Δ1 που περιέχει c mol CH3NH καθώς ο όγκος του είναι 1 L. Με την προσθήκη του HCl έχουμε την αντίδραση: CH3NH + HCl CH3NH3Cl To διάλυμα που προκύπτει είναι βασικό, καθώς [OH ] > 10 7 Μ. Περιπτώσεις: i. n = x, οπότε το διάλυμα θα περιέχει αποκλειστικά το άλας και άρα το ph θα είναι όξινο (απορρίπτεται). ii. n < x, οπότε το διάλυμα θα περιέχει το άλας CΗ3ΝΗ3Cl και την περίσσεια του HCl άρα το ph θα είναι πάλι όξινο (απορρίπτεται). iii. n > x, οπότε προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα. CH3NH + HCl CH3NH3Cl n x x x x n x x [OH ] = Kb (cβ/co), = (n x)/x, n = x (1). Mε την προσθήκη επιπλέον 0,06 mol HCl προκύπτει πάλι ρυθμιστικό διάλυμα καθώς ισχύει: [OH ] > 10 7 Μ. CH3NH + HCl CH3NH3Cl x 0,06 x 0,06 0,06 0,06 x 0,06 x + 0,06 Ισχύει: [OH ] = Kb (cβ/co), 1, = (x 0,06)/(x + 0,06), x = 0,1 mol και άρα n = 0, mol. β) Το διάλυμα Δ1 περιέχει CH3NH σε συγκέντρωση 0, Μ. CH3NH + ΗΟ CH3NH3 + + OH 0, y y y Kb = = y /0,, y = [OH ] = 10, ph = ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ 1.1. Γ. 1.. Γ Δ Δ Α A , Εφ όσον με το ερυθρό του μεθυλίου το διάλυμα γίνεται κίτρινο θα έχει ph > 6,. Επίσης, εφ όσον με τη φαινολοφθαλεΐνη το διάλυμα παραμένει άχρωμο, θα έχει ph < 8,. Επομένως, το διάλυμα θα εμφανίζει ph μεταξύ 6, και 8, α) κίτρινο: ph < 7, κόκκινο: ph > 9, β) όχι α) Για ph 4, β) κίτρινο, α) Το δείκτη Α (το διάλυμα HCl 1 M θα χρωματιστεί κίτρινο, ενώ το διάλυμα HCl 10 3 M θα χρωματιστεί μπλε). β) Tο δείκτη Β (το διάλυμα CH3COOH θα χρωματιστεί κόκκινο και το διάλυμα NH4Cl κίτρινο) α) Το διάλυμα HCl 0,1 Μ έχει ph = 1, που βρίσκεται στην όξινη περιοχή του δείκτη και επομένως το διάλυμα θα αποκτήσει κόκκινο χρώμα (όξινο χρώμα). β) Με τη σταδιακή προσθήκη του διαλύματος NaOH το ph θα αυξάνεται βαθμιαία. Στην περιοχή ph 4-6 το χρώμα του διαλύματος θα περάσει βαθμιαία από το κόκκινο στο κίτρινο. Όταν το phτου διαλύματος γίνει μεγαλύτερο από 6, χρώμα του διαλύματος θα σταθεροποιηθεί στο κίτρινο Α: κίτρινο, Β: κόκκινο, Γ: κίτρινο α) 0,75. β) γ) i. 0,03, ii α) 50%, β) 90,9%, γ) 9,1% α) κόκκινο, β) κόκκινο, γ) κίτρινο, δ) μπλε α) 5-6, β) i. άχρωμο, ii. μπλε, iii. κόκκινο Β Γ Γ. 1.. Α Δ i. B, ii. Γ, iii. B Α Δ Δ Β Δ Β Α) οξυμετρία, βάσεων, πρότυπο, οξέος, πρότυπο, βάσης, Β) ποσοτικού, πρότυπου, πλήρη, Γ) ογκομέτρησης, ογκομετρούμενη, πρότυπου, Δ) χρωματική, τελικό, Ε) ph, πεχάμετρο, όγκο, πρότυπου Εξουδετέρωσης, αλκαλιμετρία, NaOH, HCl, όξινο, ουδέτερο, βασικό ml, 7, άχρωμο, κόκκινο, κόκκινο, κίτρινο, μπλε, κίτρινο Το δείκτη Β Σωστές και οι δύο Όλες σωστές Σωστή η Γ Α) Λάθος, εξαρτάται και από το ph του διαλύματος, Β) Λάθος. Γ) Λάθος: Ισχύει: [ΗΔ]/[Δ ] = [Η3Ο + ]/Κa(HΔ]. Με την αραίωση η συγκέντρωση των ιόντων Η3Ο + μειώνεται και επομένως μειώνεται και ο λόγος [ΗΔ]/[Δ ]. Δ) Λάθος. Ισχύει: [ΗΔ]/[Δ ] = [Η3Ο + ]/Κa(HΔ]. Με την αραίωση η συγκέντρωση των ιόντων Η3Ο + μένει σταθερή (ρυθμιστικό διάλυμα) και άρα ο λόγος [ΗΔ]/[Δ ] μένει σταθερός α) Βασικό, λόγω CH3COONa, β) φαινολοφθαλεΐνη ,1 Μ α) Περίπου στα 5 ml. β) Αν ήταν ισχυρή στο ισοδύναμο σημείο θα είχαμε ph = 7. γ) 0,15 Μ. δ) Λόγω σχηματισμού ρυθμιστικού διαλύματος α) Σχηματισμός CH3COONa και στις δύο περιπτώσεις. β) i. ca = cb, ii. phα < phb, iii. αα < αβ. γ) i. pha > phb, γιατί στην πρώτη περίπτωση το άλας έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση, ii. ίσα (και στις δύο περιπτώσεις ph = pka) α) 0,3 Μ, β) 5,1% w/v, είναι σύμφωνο α) 0, Μ, β) 17,3 ml α) 0,4 Μ, β) 30 ml, γ) 30 ml α) 3, β) 4, γ) 7, δ) 10, ε) α) Το ισοδύναμο σημείο είναι στο ph = 7, πολύ μακριά από την όξινη περιοχή αλλαγής χρώματος του δείκτη. Θα προσδιορίσουμε μικρότερη συγκέντρωση του διαλύματος HCl από την πραγματική. β) Γιατί στην περιοχή κοντά στο ph = δεν έχουμε απότομη μεταβολή στο ph. γ) κίτρινο (ph = 5).

425 1.48. α) 0,05 M. γ) Κυανού της βρωμοθυμόλης. δ) Με τη χρήση του δείκτη αυτού θα σταματήσουμε αργότερα την ο- γκομέτρηση και άρα θα υπολογίσουμε μεγαλύτερη συγκέντρωση. Επίσης, δεν θα έχουμε απότομη μεταβολή χρώματος, καθώς μετά το ισοδύναμο σημείο η μεταβολή στο ph είναι μικρότερη ,1% w/w α) Γράφουμε την αντίδραση εξουδετέρωσης και κάνουμε τους υπολογισμούς (περίσσεια HCl), β) το ίδιο (περίσσεια βάσης) α) Tο ph στο ισοδύναμο σημείο είναι μεγαλύτερο από 7, β) i. 0,1 M, ii. 10 5, γ) i. στο Δ (ισοδύναμο σημείο), ii. στο Β και στο Γ, iii. στο Ε. δ) 13, γιατί το πρότυπο διάλυμα έχει συγκέντρωση 0,1 Μ (ph = 13), οπότε μεγάλη περίσσεια από το πρότυπο διάλυμα θα τείνει το ph προς την τιμή 13, ε) i. HΔ, ii. o HΔ1 θα άλλαζε χρώμα «νωρίτερα» (ph 5), άρα θα υπολογίζαμε μικρότερη συγκέντρωση για το ΗΑ (ασαφές ισοδύναμο σημείο), iii. κίτρινο α) 50 ml, ph = 5, β) i. ο VΙΣ θα μείνει ο ίδιος και το ph θα αυξηθεί, ii. ο VΙΣ θα αυξηθεί και το ph θα αυξηθεί α) 10 7, β) i. c = 0, Μ, ii. ph = 4, γ) V,1 ml c = 0,4 M, K a (HX) = α) Στο μέσο της ογκομέτρησης διαλύματος ασθενούς οξέος με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης, ισχύει: ph = pka (θέλει απόδειξη). Για το CH3COOH, Κa = 10 5 και άρα, pka = 5. Επομένως, η καμπύλη () ανήκει στο διάλυμα του CH3COOH και η καμπύλη (1) στο διάλυμα του HCOOH. β) i. Από τις παραπάνω καμπύλες παρατηρούμε ότι η ποσότητα του πρότυπου διαλύματος για τις δύο ογκομετρήσεις είναι η ίδια: n = 0, 0,0 = mol. Με βάση τις στοιχειομετρίες των δύο αντιδράσεων εξουδετέρωσης προκύπτει ότι και οι ποσότητες (σε mol) των δύο οξέων θα είναι επίσης ίσες. Αφού τα δύο ογκομετρούμενα διαλύματα έχουν και ίσους όγκους, θα έχουν και τις ίδιες συγκεντρώσεις (c1 = c = 0, M). Από την καμπύλη (1) που αντιστοιχεί στο διάλυμα του HCOOH και για το μέσο της ογκομέτρησης, έχουμε ph = pka = 4 και επομένως: Κa(ΗCOOH) = γ) O όγκος του διαλύματος του CH3COOH είναι: V = n/c = /0, = 0,0 L ή 0 ml και επομένως V1 = 0 ml, οπότε με βάση την καμπύλη ογκομέτρησης (1) στο ισοδύναμο σημείο ο όγκος του διαλύματος θα είναι = 40 ml και η συγκέντρωση του άλατος (ΗCOONa) θα είναι /0,04 = 0,1 Μ. Από τη διάσταση του άλατος, την υδρόλυση των ιόντων ΗCOO (Κb = ) και τη θεώρηση της κατάλληλης προσέγγισης προκύπτει τελικά: ph = 8, α) 0,15 Μ, β) 0 ml, γ) 0,08 Μ, δ) 4,8% w/v. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 1. Δ.. Δ. 3. Β. 4. Β. 5. Γ. 6. Α. 7. Β. 8. Δ. 9. Γ. 10. Α. 11. Γ. 1. α) Τόσο το ισοδύναμο όσο και το τελικό σημείο της ογκομέτρησης θα εμφανιστούν σε μεγαλύτερο όγκο πρότυπου διαλύματος βάσης, λόγω της απώλειας του πρότυπου διαλύματος. β) Εφόσον φαινομενικά θα χρειαστεί μεγαλύτερος όγκος πρότυπου διαλύματος βάσης για την εξουδετέρωσή του οξέος στο ογκομετρούμενο διάλυμα, η συγκέντρωση του οξέοσ θα βρεθεί μεγαλύτερη της πραγματικής. 13. Δες τη θεωρία. 14. Α) Σ, Β) Λ, Γ) Λ, Δ) Σ, Ε) Σ. 15. V1 = V και x > y. Τόσο στο αρχικό όσο και στο αραιωμένο διάλυμα περιέχονται ίσες ποσότητες (σε mol) CH3COOH και επομένως απαιτούν την ίδια ποσότητα πρότυπου διαλύματος για πλήρη αντίδραση. Επίσης, στο ισοδύναμο σημείο έχει σχηματιστεί η ίδια ποσότητα άλατος αλλά στη δεύτερη περίπτωση σε μικρότερη συγκέντρωση με αποτέλεσμα το διάλυμα στο ισοδύναμο σημείο της ης ογκομέτρησης να είναι λιγότερο βασικό σε σχέση με την πρώτη περίπτωση. 16. α) Το ph στο ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης θα είναι όξινο, λόγω της υδρόλυσης των ιόντων NH4 + και επομένως για τον προσδιορισμό του τελικού σημείου θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί δείκτης που αλλάζει χρώμα στην όξινη περιοχή. Έτσι, ο μαθητής Β μαθητής προσδιόρισε ακριβέστερα τη συγκέντρωση της ΝΗ3 στο ογκομετρούμενο διάλυμα. β) Ο δείκτης φαινολοφθαλεΐνη με περιοχή ph αλλαγής χρώματος 8,-10 αλλάζει χρώμα πριν από το ισοδύναμο σημείο (και μάλιστα όχι απότομα, γιατί είμαστε μακριά από το ισοδύναμο σημείο). Αυτό σημαίνει ότι θα προκύψει μικρότερη συγκέντρωση με τη χρήση του δείκτη αυτού, δηλαδή: ca < cβ. γ) Το μέγεθος (μήκος) του κατακόρυφου τμήματος επηρεάζεται, 1. από την ισχύ των δύο ηλεκτρολυτών (όσο πιο ισχυροί είναι οι ηλεκτρολύτες τόσο μεγαλύτερο είναι το κατακόρυφο τμήμα) και. από τις συγκεντρώσεις του ογκομετρούμενου και του πρότυπου διαλύματος (όσο μεγαλύτερες είναι οι συγκεντρώσεις τόσο μεγαλύτερο είναι το κατακόρυφο τμήμα) , Μ.. α) 10 5, β) ph = Το ΗΒ, γιατί έχει μεγαλύτερη Κa. 13. ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ mol mol ,01 mol α) 3, β) 1800 ml νερού, 10 / 10, γ) 4: α),5, 8,5 και 13, β) 5 L, γ) 5/11 L α) i. 0,0 M, ii. καμία,, β), 10 3, γ) α) 0,1 M, 10 5, β) 560 ml, γ) 5, α) i. 0, ii. 10 5, β) 5, γ) α) mol, β) 0,01 mol, γ) 0,0 mol α) Mε την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων έχουμε την αντίδραση: ΝΗ4Cl + NaOH NH3 + HO + NaCl 0, V1 0, V Διερεύνηση: i. 0, V1 = 0, V. Θα έχουμε τελικά μόνο ΝΗ3 που από τον ιοντισμό της δίνει ph > 7. ii. V1 < 0, V. Θα έχουμε ΝΗ3 καθώς και την περίσσεια του NaOH, οπότε πάλι ph > 7. iii. V1 > 0, V. Θα έχουμε την περίσσεια του ΝΗ4Cl καθώς και ΝΗ3 (ρυθμιστικό διάλυμα). Έστω ότι ισχύει η 1η περίπτωση, οπότε 0, V1 = 0, V και άρα V1 = V. Το τελικό διάλυμα θα περιέχει ΝΗ3 σε συγκέντρωση 0, V1/(V1 + V) = 0,1 M και το NaCl που δεν συμμετέχει στην τιμή του ph. Από τον ιοντισμό της ΝΗ3 υπολογίζουμε ότι: ph = 11. Καθώς θέλουμε για το τελικό διάλυμα να έχει ph = 10, θα πρέπει να αντιδρά όλη η ποσότητα του ΝaOH, δηλαδή θα ισχύει η τρίτη περίπτωση. ΝΗ4Cl + NaOH NH3 + HO + NaCl 0, V1 > 0, V 411

426 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 Τελικά θα περισσεύει NH4Cl σε συγκέντρωση co = 0, (V1 V)/(V1 + V) (1) και θα παραχθεί ΝΗ3 σε συγκέντρωση cβ = 0, V/(V1 + V) (). Για το ρυθμιστικό αυτό διάλυμα θα ισχύει: [ΟΗ ] = Kb (cβ/co) (3). Αντικαθιστώντας τις εξισώσεις (1) και () στην (3) προκύπτει μετά από πράξεις: V1/V = 11/10. β) Με βάση την προηγούμενη διερεύνηση προκύπτει ότι για να έχει το τελικό διάλυμα ph = 1 θα πρέπει να έχουμε περίσσεια NaOH. Δηλαδή: ΝΗ4Cl + NaOH NH3 + HO + NaCl 0, V1 < 0, V Για την περίσσεια του NaOH: c1 = 0, (V V1)/(V1 + V) Για την ΝΗ3: c = 0, V1/(V1 + V). Εφαρμόζουμε την Ε.Κ.Ι. (το ph θα καθορίζεται από την συγκέντρωση της περίσσειας του NaOH). Θα ισχύει: 0, (V V1)/(V1 + V) = 0,01. Μετά από πράξεις, προκύπτει: V1/V = 19/ α) : 1, β) 1 : 1, γ) 1 : α) i. 10 4, ii. 0,01, iii. ισχυρότερο είναι το HCOOH, β) 900 ml, γ) 1000 ml α) 10, β) 8,5, γ) α) 10 4, ii. 0,01 M, β) i. 1:10, ii. 10,5, 10,5, 10 11,5, γ) 0,1 mol α) i. 10 4, 0,01 M, β) 1:10, γ) 0,1 mol α) i. 0,3 M, ii. 40 ml, β) i. 5, ii. 58,8 ml, γ) α) i. 1%, 10 4, ii. HB > HA. β) 4 ml, 50%. γ) 1 L α) Το ΗΑ (ισχυρό οξύ). β) 0,1 Μ, γ) 5 ml α) 0,1 Μ και 0, Μ, β) ph = 1, γ) [H3O + ] = 10-5 M, [OH ] = M, [Cl ] = 1/30 M, [Na + ] = 1/15 M και [CH3COO ] = 1/30 M x = α) i. 13, ii β) 9. γ) i. 00 ml, ii. το ερυθρό του μεθυλίου ml α) i. HA + NaOH NaA + HO ii. 1 ml, iii. ασθενές, γιατί στο ισοδύναμο σημείο ισχύει: ph > 7, iv. 10 4, β) i.,7 g/l, ii. κακής ποιότητας α) Διάλυμα Δ1: 3,5 (10 ) 7 Ka(HA) = = , Μετά την ανάμιξη των δύο διαλυμάτων: ΗΑ 0,1 Μ, ΗΒ 0,1 Μ. [HA] 0,1 M, [A ] = x, [H 3 O + ] = x + y, [HB] 0,1 M, [B ] = y. 7 x(x + y) 8 Ka(HA) = 5 10 =, x (x + y) = 5 10 (1) 0,1 y(x + y) K a (HB) =, y (x + y) = Ka(HB) 0, 1 () 0,1 (x + y) = Κ a (HB) 0,1 = 6, Κ a (HB) = 1, β) Έστω V(L) ο όγκος του νερού που πρέπει να προσθέσουμε. Οι τελικές συγκεντρώσεις θα είναι: 0,0 c 1 (HA) = (3), 0,0 c (HB) = (4) 0, + V 0, + V [HA] c 1, [A ] = x, [H 3 O + ] = x + y, [HB] c, [B ] = y 7 x(x + y) 7 Ka(HA) = 5 10 =, x (x + y) = c (5) c 1 K (HB) = 1,5 10 a y(x + y) = c 7 7, y (x + y) = c 1,5 10 (6) (x + y) = 10 8 = (50c 1 + 1,5c ) 10 8, 50c 1 + 1,5c = 1 Από (3), (4), (5), (6): V = 1,05 L. γ) Στο αρχικό διάλυμα (Δ): x = = 10, 10 3 α(ηα) = = 10 4,5 10 0,1 Έστω V(L) ο όγκος του νερού που πρέπει να προσθέσουμε. Οι τελικές συγκεντρώσεις θα είναι: 0,0 c 1 (HA) =, 0,0 c (HB) = 0, + V 0, + V [HA] c 1, [A ] = x, [H 3 O + ] = x + y, [HB] c, [B ] = y. 7 x(x + y) 3 Ka (HA) = 5 10 = = 4 10 (x + y) c1 x + y = 1, M (x + y) = 10 8 = (50c 1 + 1,5c ) 10 8 Τελικά: V = 0,6 L (600 ml). δ) Γενικά, διακρίνουμε 3 περιπτώσεις: 1) Η ποσότητα του Ba(OH) να μην επαρκεί για την εξουδετέρωση των οξέων. ) Η ποσότητα του Ba(OH) να είναι ακριβώς αυτή που α- παιτείται για την εξουδετέρωση. 3) Να έχουμε περίσσεια Ba(OH). Καθώς δεν αποκλείεται αρχικά καμία περίπτωση, εξετάζουμε την περίπτωση : Γράφουμε τις εξουδετερώσεις των δύο οξέων και τελικά έχουμε ΒaA 0,05 M και BaB 0,05 Μ. Γράφουμε τις υδρολύσεις των ιόντων Α και Β και μετά την ε- φαρμογή της Ε.Κ.Ι.: ph = 10. Άρα, για να έχουμε ph = 1, θα ισχύει η περίπτωση 3. Τελικά:,1 10 mol Ba(OH) Κατά την ογκομέτρηση με το πρότυπο διάλυμα ΗCl ογκομετρείται το άλας NaA με βάση την αντίδραση: ΝaA + HCl HA + NaCl. Από την καμπύλη Ι υπολογίζουμε ότι μέχρι το ισοδύναμο σημείο (A) έχουν προστεθεί 0,1 0,05 = mol HCl και επομένως η ποσότητα του NaA στο ογκομετρούμενο διάλυμα είναι επίσης mol. Κατά την ογκομέτρηση με το πρότυπο διάλυμα ΝaOH έχουμε την αντίδραση: HA + ΝaOH ΝaA + HO. Από την καμπύλη ΙI υπολογίζουμε ότι μέχρι το ισοδύναμο σημείο (B) έχουν προστεθεί 0,1 0,05 = mol NaOH και επομένως η ποσότητα του HA στο ογκομετρούμενο διάλυμα είναι επίσης mol. Η συγκέντρωση του ΗΑ στο ισοδύναμο σημείο Α είναι: ( )/0,1 = 0,1 Μ. Η συγκέντρωση του ΝaΑ στο ισοδύναμο σημείο B είναι: ( )/0,1 = 0,1 Μ. Από τον ιοντισμό του ΗΑ και τη θεώρηση των σχετικών προσεγγίσεων προκύπτει: + [H3O ] 1 + Ka =, [ H3Ο ] 1 = Κa 0, 1 (1). 0,1 Επίσης, από τη διάσταση του άλατος NaA και την υδρόλυση του ιόντος Α προκύπτει: [OH ] =, [OH ] =, [H3Ο ] = Ka 10 (). Ka 0,1 Ka Με διαίρεση κατά μέλη των (1) και (): + [H3O ] 1 6 = [H3O ] Από την τελευταία σχέση με λογαρίθμηση προκύπτει: ph ph1 = 6. 41

427 13.6. Δ1. α) ph = 3, β) α = 10 3, γ) [Η3Ο + ] = [Α ] = 10 3 Μ, [ΟΗ ] = Μ, δ) V(HO) = 14,85 L. Δ. x =, β) 50 ml, γ) ph = 8, Δ1. α) ph = 1, β) K a = Δ. ph = 3,5. Δ3. V 1 /V = 1/. Δ4. Σταθερό (με την αραίωση ενός ρυθμιστικού διαλύματος το ph παραμένει το ίδιο, καθώς ο λόγος c β /c o δεν μεταβάλλεται) Δ1. α) α = 3/11, β) Κ c = 0,15, γ) εξώθερμη (με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία οδεύει προς τα αριστερά). Δ. Κ b = Δ3. 0,01 mol HCl. Δ4. α) [Δ ] / [ΗΔ] = 10, β) κόκκινο (περιοχή αλλαγής χρώματος 7-9) α) ΗΑ + ΗΟ Α + Η3Ο + Ο Β Β Ο β) i. 3, ii. 9,9 L, iii. 100 ml. γ) i. 11,5, ii. 10. δ) i. 5 ml, ii. 7. ε) i. 5 ml, ii. 5, iii. κατάλληλος. 1ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ: ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Θέμα Α Α1. Γ. Α. Γ. Α3. B. Α4. Α. Α5. Α: Σ, Β: Λ, Γ: Λ, Δ: Σ, Ε: Λ. Α.6. Επίδραση κοινού ιόντος έχουμε όταν σε διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη προσθέσουμε άλλο ηλεκτρολύτη (συνήθως ισχυρό) που να έχει κοινό ιόν με τον ασθενή ηλεκτρολύτη. Στην περίπτωση αυτή, ο βαθμός ιοντισμού μειώνεται, λόγω μετατόπισης της ισορροπίας ιοντισμού του ασθενούς ηλεκτρολύτη προς τα αριστερά, σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier. Έστω ότι σε διάλυμα CH3COOH προστίθεται ποσότητα CH3COONa(s) χωρίς μεταβολή του όγκου του διαλύματος και υπό σταθερή θερμοκρασία. CH3COOH + HO CH3COO + H3O + CH3COONa CH3COO + Na + Παρατηρούμε ότι με την προσθήκη CH3COO και σύμφωνα με την αρχή Le Châtelier, η ισορροπία ιοντισμού του CH3COOH μετατοπίζεται προς την πλευρά των μορίων, που δεν έχουν ιοντιστεί. Η μετατόπιση αυτή θα επιφέρει: α) μείωση του βαθμού ιοντισμού του οξέος, μείωση της [Η3Ο + ] και άρα αύξηση του ph (αύξηση της [OΗ ]) καθώς και αύξηση της [CH3COO ]. Η τιμή της σταθεράς Ka δε θα μεταβληθεί. Θέμα Β Β1. α) Σ (μεγαλύτερο ph, μεγαλύτερη [ΟΗ ], μεγαλύτερη Kb. β) Το διάλυμα εξουδετέρωσης της βάσης Β, γιατί το συζυγές οξύ ΒΗ + έχει μικρότερη τιμή Ka σε σχέση με το ΓΗ +. Β. Λόγω ιοντισμού του ΗSO4 (το ιόν αυτό δεν υδρολύεται γιατί το HSO4 είναι ισχυρό οξύ). Β3. α) 5 ml. β) Ασθενές, λόγω υδρόλυσης του ιόντος Α. γ) Βλέπουμε ποιο είναι το ph όταν έχουν προστεθεί 1,5 ml πρότυπου διαλύματος. Στο σημείο αυτό έχουμε ρυθμιστικό διάλυμα και μάλιστα ισχύει: cβ = cο, οπότε από την εξίσωση των ρυθμιστικών διαλυμάτων προκύπτει: ph = pka και επομένως Κa = 10 ph. Θέμα Γ. Γ1. α) Το διάλυμα Δ1 είναι ρυθμιστικό για το οποίο ισχύει: [ΟΗ ] = Κb (cβ/co) = 10 5 (1/0,) = 10 4 και επομένως phα = 10. β) Με την ανάμιξη 100 ml διαλύματος Δ1 με V (L) διαλύματος Δ προκύπτει νέο ρυθμιστικό διάλυμα στο οποίο τα δύο συστατικά έχουν συγκεντρώσεις έστω cβ και cο. Θα ισχύουν: 0, ,1 V = cβ (0,1 + V) (1) και 0, 0,1 + V = cο (0,1 + V) () Για το νέο ρυθμιστικό διάλυμα που προκύπτει θα ισχύει: [ΟΗ ] = Κb (cβ/co), 10 5 = 10 5 (cβ/co) και επομένως co = cβ (3). Από τις σχέσεις (1), () και (3), προκύπτει: V = 0,1 L ή 100 ml. γ) Με τη συνεχή προσθήκη (θεωρητικά άπειρη) διαλύματος Δ στο διάλυμα Δ1 οι δύο συγκεντρώσεις θα τείνουν στις συγκεντρώσεις του Δ, οπότε: [ΟΗ ] = Κb (cβ/co) = 10 5 (0,1/) = 10 6 και άρα ph = 8. Γ. Με την προσθήκη του διαλύματος HCl 0,1 M έχουμε: NH3 + HCl NH4Cl 0,1 0,1 V 0,0 Στην αντίδραση αυτή η ΝΗ3 είναι σε περίσσεια. Αν είχαμε πλήρη αντίδραση θα προέκυπτε αποκλειστικά το άλας NH4Cl που λόγω υδρόλυσης του ΝΗ4 + θα έδινε όξινο ph. Επίσης, αν είχαμε περίσσεια HCl θα είχαμε τελικά την περίσσεια του HCl και το παραγόμενο NH4Cl, οπότε το ph θα ήταν και πάλι όξινο. Έτσι: NH3 + HCl NH4Cl 0,1 0,1 V 0,0 0,1 V 0,1 V 0,1 V Τελικά, θα προκύψει και πάλι ρυθμιστικό διάλυμα με συγκεντρώσεις: co = (0,0 + 0,1 V)/(0,1 + V) (4) και cβ = (0,1 0,1 V)/(0,1 + V) (5). Για το διάλυμα αυτό θα ισχύει: [ΟΗ ] = Κb (cβ/co) (6). Από τις σχέσεις (4), (5) και (6) προκύπτει: V = 0,6 L ή 600 ml. Γ3. Με την προσθήκη του διαλύματος ΝaOH 0,1 M έχουμε την αντίδραση: NH4Cl + NaOH NH3 + NaCl + HO 0, 0,1 V 0,01 Στην αντίδραση αυτή το NaOH είναι σε περίσσεια. Αν είχαμε πλήρη αντίδραση θα προέκυπτε αποκλειστικά NH3 που θα έδινε ph < 1 (δεν μπορούμε να υπολογίσουμε ακριβώς το ph αλλά μπορούμε να δούμε ότι είναι μικρότερο από 1). Επομένως: NH4Cl + NaOH NH3 + NaCl + HO 0,0 0,1 V 0,1 0,0 0,0 0,0 Τελικά, θα προκύψει διάλυμα στο οποίο τα δύο συστατικά (NaOH και NH3) έχουν συγκεντρώσεις, αντίστοιχα: c1 = (0,1 V 0,0)/(0,1 + V) (7) και c = 0,1/(0,1 + V) (8). Μετά την Ε.Κ.Ι. και τη θεώρηση των προσεγγίσεων προκύπτει: V = 33,3 ml. Θέμα Δ. Δ1. Το διάλυμα Δ3 περιέχει ΗCOONa 0,1 M. Από την διάσταση του άλατος και την υδρόλυση των ιόντων HCOO, προκύπτει ότι: Κb(ΗCOO ) = και επομένως Κa(ΗCOOH) = Το διάλυμα Δ4 περιέχει CΗ3COONa 1 Μ ενώ το διάλυμα Δ5 περιέχει CΗ3COONa 0,1 Μ. Από τη διάσταση του CΗ3COONa και την υδρόλυση του CΗ3COO προ- 413

428 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 κύπτει: Κb(CΗ3COO ) = 10 9 και επομένως Κa(CΗ3COOH) = Τέλος, από τους ιοντισμούς των δύο ασθενών οξέων στα διαλύματα Δ1 και Δ, προκύπτουν, αντίστοιχα, ph = και ph =,5. Δ. To Δ6 περιέχει το CΗ3COONa και το ΗCOONa σε συγκεντρώσεις c και c, αντίστοιχα, που δίνονται από τις σχέσεις: 1 V = c (V + V ) (1) και 0,1 V = c (V + V ) (). Θεωρούμε τις διαστάσεις των αλάτων και τις υδρολύσεις των CΗ3COO και ΗCOO, οπότε έχουμε επίδραση κοινού ιόντος μέσων των ΟΗ. Αν x η συγκέντρωση των CΗ3COO που υδρολύονται και y η αντίστοιχη για τα ιόντα ΗCOO, θα ισχύει: 10 9 = x (x + y)/c και = y (x + y)/c, όπου x + y = Επομένως: x = 10 4 c και y = 10 5 c3. Προσθέτοντας κατά μέλη τις δύο αυτές εξισώσεις και αντικαθιστώντας στις (1) και () προκύπτει τελικά: V /V = 1:10. ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ: ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Θέμα Α Α1. Δ. Α. Β. Α3. Δ. Α4. Γ. Α5. α) Σ, β) Λ, γ) Σ, δ) Σ, ε) Σ. Α6. Ο βαθμός ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος εξαρτάται από τη φύση του οξέος, από τη φύση του διαλύτη, από τη θερμοκρασία, από τη συγκέντρωση του διαλύματος και από την επίδραση κοινού ιόντος. Θέμα Β Β1. α) ΗΑ ισχυρότερο, β) το διάλυμα A έχει μικρότερο ph, γ) ίδιο ph, δ) το διάλυμα του ΗΒ θα είχε μεγαλύτερο ph. Β. α) i. με ανάμιξη διαλυμάτων ΝΗ3 και NH4Cl και ii. με μερική εξουδετέρωση του διαλύματος ΝΗ3 από το διάλυμα HCl, β) βλ. θεωρία. Β3. βλ. θεωρία. Θέμα Γ. Γ1. 1 Μ, 10. Γ. 6. Γ3. [Κ + ] = 0,4 Μ, [Cl ] = 0, M, [A ] = 0, M, [H3O + ] = M, [OH ] = 1/ M. Θέμα Δ. α) Για το αρχικό (ρυθμιστικό) διάλυμα θα ισχύει: 10 5 = Κa (c1/0,1) (1). Κατά την ογκομέτρηση συμβαίνει η αντίδραση εξουδετέρωσης: HA + NaOH NaA + HO 0,05 c ,005 0,05 c1 0,05 c1 0,05 c1 0,05 (c1 + 0,1) Ισχύει: 0,05 c1 = , c1 = 0,1 Μ. Από την εξίσωση (1): Κa = β) Στο ισοδύναμο σημείο υπάρχει μόνο το NaA σε συγκέντρωση c = 0,01/0,1 = 0,1 Μ. NaA Na + + A A + HO HA + ΟΗ 0,1 x x x Kb(A ) = /10 5 = Επίσης: 10 9 = x /0,1, x = 10 5, poh = 5, ph = 9. γ) Το ph = 6 αντιστοιχεί πριν το τελικό σημείο της ογκομέτρησης και επομένως θα υπάρχει περίσσεια ΗΑ: HA + NaOH NaA + HO 0,005 0,1 V 0,005 0,1 V 0,1 V +0,1 V 414 Στο τελικό διάλυμα θα έχουμε, ΗΑ σε συγκέντρωση c3 = (0,005 0,1 V)/(0,05 + V) και ΝaA σε συγκέντρωση (0, ,1 V)/(0,05 + V). Θα ισχύει: 10 6 = 10 5 (c3/c4). Με αντικατάσταση των c3 και c4, προκύπτει: V = 40,9 ml. δ) Το ph = 1 αντιστοιχεί μετά το τελικό σημείο της ογκομέτρησης και επομένως θα υπάρχει περίσσεια ΝaΟΗ: HA + NaOH NaA + HO 0,005 0,1 V 0,005 0,005 0,005 +0,005 Στο τελικό διάλυμα θα έχουμε, ΝaOH σε συγκέντρωση c5 = (0,1 V 0,005)/(0,05 + V ) και ΝaA σε συγκέντρωση c6 = 0,1/(0,05 + V ). NaA Na + + A 0,1 0,1 0,1 NaOH Na + + OH c5 c5 c5 A + HO HA + ΟΗ 0,1 y y y + c5 [ΟΗ ] = c5 + y c5 = 0,01 (από ph = 1) και επομένως: (0,1 V 0,005)/(0,05 + V ) = 0,01, V = 61,1 ml. Δ. Έστω c η συγκέντρωση του του οξέος. Ισχύει: c = n/0,5 (1), όπου n = 10,05/Mr (). ΗClOx + ΚΟΗ ΚClOx + ΗΟ Η ποσότητα της βάσης είναι: 0,1 0,05 = mol ΚΟΗ, οπότε από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης προκύπτουν επίσης mol ΗClOx. Έτσι, η συγκέντρωση του διαλύματος του οξέος θα είναι: c = / = 0, M. Από τις σχέσεις (1) και (): Μr = 100,5 και άρα: ,5 + x 16, x = 4 (ΗClOx). To ΗClOx είναι ισχυρό οξύ και επομένως το ph στο ισοδύναμο σημείο θα είναι ίσο με 7. 3ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ: ΧΗΜΙΚΗ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ Θέμα Α Α1. Γ. Α. Γ. Α3. Γ. Α4. Γ. Α5. Δ. Α6. Βλ. θεωρία. Θέμα Β Β1. α) αύξηση, β) μείωση, γ) αύξηση, δ) αύξηση, ε) καμία μεταβολή, στ) καμία μεταβολή (αρχή Le Châtelier). Β. α) Αλκαλιμετρία, Α: προχοΐδα, Β: κωνική φιάλη. CH3CH(OH)COOH + ΝaΟΗ CH3CH(OH)COONa + HO β) Βλέπε θεωρία, 1 ml. γ) Όταν έχουν προστεθεί 6 ml ΝaOH: ph = pka = 4. δ),7 g/l. Ακατάλληλο διότι c = 3 10 M >,4 10 M. ε) Ναφθολοφθαλεΐνη διότι το ph στο ισοδύναμο σημείο είναι: 7 < ph < 8. Στην έναρξη της ογκομέτρησης το χρώμα του δείκτη είναι ροζ και στο τελικό σημείο πράσινο. Θέμα Γ. Γ1. α) α = 3/11, β) Κc = 0,15, γ) εξώθερμη (με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία οδεύει προς τα αριστερά). Γ. HA + HO A + H3O + c x x x [HA] = c x, [A ] = x. c x = 4x, c = 5x = 0,1, x = 0,0. α = x/c = x/5x = 0, (δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις!). Ka = x /(c x) = /0,08 = Θέμα Δ. Δ1. ph = 14, ph =,5, Δ. ph = 9, Δ3. ph = 1.

429 ΜΕΡΟΣ Γ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ 14. ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΚΑΙ ΤΡΟΧΙΑΚΑ Β Α Α. Μεγαλύτερη διαφορά ενέργειας αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη συχνότητα και άρα σε μικρότερο μήκος κύματος Γ. Το μικρότερο μήκος κύματος αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη συχνότητα και άρα σε μεγαλύτερη ενεργειακή διαφορά Α. Ισχύει ΔΕ1 = ΔΕ + ΔΕ3, επομένως h ν1 = h ν + h ν3 και άρα ν1 = ν + ν Α. Από τη σχέση de Broglie για το σωματίδιο α και το πρωτόνιο και διαίρεση των δύο σχέσεων κατά μέλη Γ. Στη θεμελιώδη κατάσταση θα έχει ενέργεια Ε1 =, Ε = 0 σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο δεν ανήκει στο άτομο (έχει διαφύγει από την έλξη του πυρήνα) Λανθασμένες είναι οι προτάσεις Α, Β, Δ και ΣΤ. Α: Ο τύπος Ε = h ν δίνει την ενέργεια ενός φωτονίου και όχι την ενέργεια όλης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Β: Το αντίθετο, μειώνεται με την αύξηση της ταχύτητάς του. Δ: Η ενέργεια της στιβάδας L είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια της στιβάδας K (λιγότερο αρνητική). ΣΤ: Εμφανίζουν την ίδια ορμή και όχι την ίδια ταχύτητα (διαφέρουν στη μάζα) Διατάσουμε τις μεταπτώσεις κατά σειρά αυξανόμενης ΔΕ. Ίδια θα είναι και η σειρά συχνοτήτων ενώ τα μήκη κύματος θα έχουν αντίστροφη σειρά. α) β-γ-δ-α-ε, β) z-φ-ω-ψ-χ Όσο αυξάνεται η τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού n, η ΔΕ μειώνεται, επομένως η συχνότητα ν μειώνεται (ΔΕ = h ν) και άρα το μήκος κύματος αυξάνεται (c = λ ν) α) Από την L στην Κ (μεγαλύτερη ενεργειακή διαφορά), β) λ1 = (7/5) λ α) Πρέπει να αποκτήσει ενέργεια ίση με το μηδέν και επομένως πρέπει να προσφερθεί ενέργεια ίση με, J. β) Πολλαπλασιάζουμε την προηγούμενη τιμή με τον αριθμό Avogadro και προκύπτει ενέργεια ίση με 1, J. γ) Η ενέργεια της στιβάδας L είναι ίση με 5, J και επομένως πρέπει να προσφερθεί ενέργεια ίση με 5, J α) To ηλεκτρόνιο (σχέση de Broglie). β) λe = 1836 λp α) Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια, καθένα από τα οποία έχει ενέργεια: Ε = h ν, όπου h η σταθερά του Planck και ν η συχνότητα της ακτινοβολίας. Με άλλα λόγια, η ενέργεια του φωτονίου εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της ακτινοβολίας και είναι ανάλογη με αυτή. Έτσι, η συχνότητα της α- κτινοβολίας αποτελεί το μέτρο του ενεργειακού περιεχομένου των φωτονίων της. β) Στο ατομικό πρότυπο του Bohr, τα ηλεκτρόνια εκτελούν καθορισμένες κυκλικές κινήσεις κατά τις οποίες είναι επακριβώς γνωστές η ακτίνες της τροχιάς (θέση) και η ταχύτητα και άρα και η ορμή του ηλεκτρονίου. Σύμφωνα, όμως, με την αρχή της απροσδιοριστίας ή αβεβαιότητας του Heisenberg «είναι αδύνατο να προσδιορίσουμε με ακρίβεια συγχρόνως τη θέση και την ορμή (p = m υ) ενός μικρού σωματιδίου π.χ. του ηλεκτρονίου». Επομένως, η αποδοχή της αρχής της αβεβαιότητας οδηγεί αυτόματα στην κατάρριψη του ατομικού πρότυπου του Bohr. γ) Κατά την αποδιέγερση από τη στιβάδα Μ προς τη θεμελιώδη κατάσταση μπορούν να ακολουθηθούν οι εξής πορείες: Μ Κ, ή Μ L και στη συνέχεια L K (τρία διαφορετικά φωτόνια) α) Διαδοχικά στις Ν, L και Κ. β) Σε δύο γιατί η πρώτη (από Κ στην Ν δεν αντιστοιχεί σε εκπομπή φωτονίου), μία (από Ν στην L) Από τα 1000 ηλεκτρόνια ένας αριθμός, έστω x, εκτελεί μετάπτωση κατευθείαν από την Μ Κ (θεμελιώδης κατάσταση) ενώ τα υπόλοιπα (1000 x) ηλεκτρόνια εκτελούν διαδοχικά τη μετάπτωση Μ L και στη συνέχεια L Κ. Τα τρία αυτά είδη μεταπτώσεων παράγουν συνολικά 1600 φωτόνια με μήκη κύματος λ1, λ και λ3. Τα (1000 x) ηλεκτρόνια εκτελούν δύο διαδοχικές μεταπτώσεις και άρα: x + (1000 x) = 1600 φωτόνια, οπότε x = 400. H μετάπτωση από Μ Κ έχει τη μεγαλύτερη ενεργειακή διαφορά που αντιστοιχεί στο μικρότερο μήκος κύματος, δηλαδή στο λ1. Επομένως, έχουμε 400 φωτόνια με μήκος κύματος λ1, 600 φωτόνια με μήκος κύματος λ (που αντιστοιχούν στη μετάπτωση L K) και επίσης 600 φωτόνια με μήκος κύματος λ3 (που αντιστοιχούν στη μετάπτωση Μ L με τη μικρότερη ενεργειακή διαφορά και άρα το μεγαλύτερο μήκος κύματος) α) Από τη στιβάδα Μ (n = 3) στη στιβάδα L (n = ), λ = 656 nm. β) 6, Hz, γ) 396 nm. δ) Από n = 4 σε n =. ε) Θεωρητικά, από n = σε n = (περίπου 365 nm) ΔΕ1 = h ν1, ΔΕ = h ν, E = ΔΕ1 ΔΕ = h (ν1 ν). Για 1 mol φωτονίων θα ισχύει: Ε = ΝΑ h.(ν1 ν), οπότε με βάση τη σχέση c = λ ν προκύπτει η ζητούμενη B Γ i. Β, ii. A Α Α Γ B Β Α. Όλα τα s τροχιακά έχουν σφαιρική συμμετρία και διαθέτουν όλο και μεγαλύτερο μέγεθος, όσο αυξάνει ο n Α Β Β Γ Δ Γ Β Β Γ Δ. Η τιμή του ψ είναι υποεννεαπλάσια στη θέση Α σε σχέση με την τιμή του ψ στη θέση Β Α) Λανθασμένη. Μπορεί να βρίσκεται και σε διεγερμένη κατάσταση καταλαμβάνοντας τροχιακό σε στιβάδα υψηλότερης ενέργειας. Β) Λανθασμένη. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου του Η μπορεί να βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση (1s τροχιακό) ή σε διεγερμένη κατάσταση καταλαμβάνοντας οποιοδήποτε άλλο τροχιακό. Γ) Σωστό. Στο άτομο του υδρογόνου ο μοναδικός κβαντικός αριθμός που καθορίζει την ενέργεια είναι κύριος κβαντικός 415

430 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 416 αριθμός (n). Επίσης, ο καθορισμός ενός τροχιακού απαιτεί τους τρεις κβαντικούς αριθμούς n, l και ml, αλλά όχι τον ms που σχετίζεται με την ιδιοπεριστροφή του ηλεκτρονίου. Δ) Σωστό. Για n = 3 και l = 0 θα έχουμε ml = 0 και άρα ένα μόνο ατομικό τροχιακό. Ε) Λανθασμένη. Μπορεί να είναι σε διεγερμένη κατάσταση. ΣΤ) Σωστό. Η υποστιβάδα 3d έχει l = και άρα + 1 = 5 τροχιακά. Η υποστιβάδα 5s έχει l = 0 και άρα 1 τροχιακό. Ζ) Σωστό. Και στις τρεις περιπτώσεις n = 3. Η) Λανθασμένη. Tο 3Li + είναι υδρογονοειδές ιόν και οι ενέργειες των υποστιβάδων της ίδιας στιβάδας είναι ίσες μεταξύ τους. Θ) Λανθασμένη. Ο n καθορίζει την ενέργεια και το μέγεθος ενός τροχιακού. Ι) Λανθασμένη. Ο l παίρνει τιμές: 0, 1,, (n 1). Κ) Σωστή. Tο τροχιακό px έχει σχήμα δύο λοβών με προσανατολισμό στον άξονα των x και επομένως η πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου είναι μέγιστη στα σημεία του άξονα αυτού. Λ) Σωστή. Το τροχιακό pz έχει σχήμα δύο λοβών με προσανατολισμό στον άξονα των z, είναι δε κάθετο στο επίπεδο xy και επομένως η πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου στο επίπεδο xy είναι ίση με το μηδέν. Μ) Λανθασμένη. To σχήμα των τροχιακών καθορίζεται από τον κβαντικό αριθμό l. Ν) Λανθασμένη. Ο προσανατολισμός ενός τροχιακού 3p καθορίζεται από τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό ml και όχι από τον ms. Ξ) Σωστή. Τα s τροχιακά παρουσιάζουν σφαιρική συμμετρία και επομένως η τιμή της κυματοσυνάρτησης ψ εξαρτάται μόνο από την απόσταση από τον πυρήνα. Έτσι, και η τιμή της ψ είναι η ίδια για όλα τα σημεία του χώρου που έχουν την ίδια απόσταση r από τον πυρήνα Σωστές είναι οι προτάσεις Α και Β. Η πρόταση Γ είναι λανθασμένη, καθώς ένα ηλεκτρόνιο σε p τροχιακό έχει l = 1, οπότε ο ml = 1, 0, 1 (και όχι ). Η πρόταση Δ είναι λανθασμένη καθώς ο ms μπορεί να πάρει και την τιμή 1/ Βλ. θεωρία α) Ίδιος κύριος κβαντικός αριθμός, ίδια ενέργεια, ίδιος δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός (l = 1). Διαφορετικός μαγνητικός κβαντικός αριθμός ml, διαφορετικός προσανατολισμός στο χώρο. β) Ίδιο σχήμα, ίδιο κύριο και δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό, αλλά διαφορετική ενέργεια (λόγω του διαφορετικού πυρηνικού φορτίου), διαφορετικό μέγεθος (το s στην περίπτωση του Li + είναι πιο μικρό) Οι καθορισμένες τροχιές και ταχύτητες δεν συμβιβάζονται με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg α) 0, 1,, 3, 4. β) 4, 3,, 1, 0, 1,, 3, 4. γ) 1/ και 1/ Ξέρουμε ότι θα πρέπει να ισχύει n > l και επομένως n = α), β) >, γ) 1/ ή 1/, δ) 1, 0, 1/ ή 1/ α) n = 4, l =, ml =, 1, 0, 1,. β) n = 3, l = 0, 1,. Για l = 0, ml = 0. Για l = 1, ml = 1, 0, 1. Για l =, ml =, 1, 0, 1,. γ) n = 4, l = 3, ml = 3,, 1, 0, 1,, Στην κβαντομηχανική περιγραφή του ηλεκτρονίου ενός ατόμου, ή έννοια της τροχιάς έχει αντικατασταθεί από την έννοια του τροχιακού, που αντιστοιχεί σε ένα χώρο ορισμένου σχήματος μέσα στο οποίο υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε μία συγκεκριμένη κατάσταση. Η πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου αντιστοιχεί στο τετράγωνο της αντίστοιχης κυματοσυνάρτησης (ψ ), ενώ η ηλεκτρονιακή πυκνότητα στη συνάρτηση eψ, όπου e το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου στο χώρο γύρω από τον πυρήνα μπορεί να οπτικοποιηθεί ως ηλεκτρονιακό νέφος στο οποίο ο αριθμός των κουκκίδων ανά μονάδα όγκου είναι ανάλογος της πιθανότητας παρουσίας του ηλεκτρονίου. Το σχήμα του τροχιακού προκύπτει ως μία «οριακή» καμπύλη το περίγραμμα της οποίας περικλείει τη μέγιστη πυκνότητα του ηλεκτρονικού νέφους π.χ % αυτής Η εικόνα θυμίζει την κυματική θεωρία της ύλης του De Broglie. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, ένα μικρό κινούμενο σωματίδιο (π.χ. ένα ηλεκτρόνιο) παρουσιάζει διττή φύση, σωματιδίου και κύματος, κατ αναλογία με την κβαντική θεωρία κατά την οποία η ακτινοβολία παρουσιάζει και σωματιδιακές ιδιότητες. Σε ένα τέτοιο σωματίδιο απέδωσε μήκος κύματος (λ) που παρέχεται από τη σχέση: h h λ = = p m υ Η διττή φύση των ηλεκτρονίων (σωματιδίου αλλά και κύματος) εκδηλώνεται με την περίθλαση των ηλεκτρονίων σε κρυσταλλικό πλέγμα, η οποία βρίσκει εφαρμογή στη λειτουργία των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων α) n = 5, l = 0, 1,, 3, 4. β) 5d (5 τροχιακά). γ), 1, 0, 1 και. δ) 4 (από ένα στην 5p, 5d, 5f και την 5g) α) n = 3, β) ν = Ηz, γ) l = 0, 1,, ml =, 1, 0, 1,, ms = ±1/, δ) λ > λ1, ε) 5, J. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Δ.. A. 3. Δ. 4. Δ 5. Α. 6. Α. 7. Α. 8. Α. 9. Γ. 10. Γ. 11. Δ. 1. Γ. 13. Β. 14. Γ. 15. Γ. 16. Για n = 4, l = 0, 1,, 3. Για l = 0, ml = 0 και επομένως η 4s αποτελείται από ένα τροχιακό. Για l = 1, ml = 1, 0 ή 1 και επομένως η 4p αποτελείται από 3 τροχιακά. Για l =, ml =, 1, 0, 1 ή και επομένως η 4d αποτελείται από 5 τροχιακά. Για l = 3, ml = 3,, 1, 0, 1, ή 3 και επομένως η 4f αποτελείται από 7 τροχιακά. Συνολικά: = 16 τροχιακά. 17. Α) Λ (τα τροχιακά με τον ίδιο κύριο κβαντικό αριθμό n συγκροτούν μια στιβάδα και όχι υποστιβάδα. Β) Σ. Γ) Λ (αυτό υποστηρίζει η θεωρία του Bohr και όχι η κβαντομηχανική. Δ) Λ (τροχιακά με ml = 0 υπάρχουν σε όλες τις υποστιβάδες. Ε) Σ. ΣΤ) Σ. Ζ) Σ. 18. α) ψ1 = 10 6 και ψ = 10 4 = 100 ψ1. Δηλαδή, η πιθανότητα να βρίσκεται το ηλεκτρόνιο στη θέση Β είναι 100 φορές μεγαλύτερη από όσο στη θέση Α. β) Βλ. θεωρία. 19. Ομοιότητες: α) Ίδιος κύριος κβαντικός αριθμός και ίδιος δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός, β) ίδια ενέργεια και γ) ίδιο σχήμα. Διαφορές: α) Διαφορετικός προσανατολισμός στο χώρο και β) διαφορετική τιμή στο μαγνητικό κβαντικό αριθμό. 0. Οι ενέργειες που αντιστοιχούν στις στιβάδες Μ και L δίνονται από τις σχέσεις: 18 18,18 10 EM =,,18 10 E L = 3 ΔΕ1 = ΕΜ ΕL. Με βάση τις σχέσεις, ΔΕ1 = h ν1 και c = λ1 ν1, προκύπτει:

431 h c h c λ1 = = (1) ΔΕ , ΔΕ = ΕL ΕK και επομένως: h c h c λ = = () ΔΕ 3 18, Με διαίρεση κατά μέλη των σχέσεων (1) και (), έχουμε: λ1/λ = 7/ ΑΡΧΕΣ ΔΟΜΗΣΗΣ ΠΟΛΥΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΩΝ Α- ΤΟΜΩΝ Β. Σε αντίθεση με το άτομο του H όπου η ενέργεια ε- ξαρτάται αποκλειστικά από τον κύριο κβαντικό αριθμό (n), στα πολυηλεκτρονιακά άτομα συμματέχει στον καθορισμό της ενέργειας και ο δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός (l) που σχετίζεται με τις ηλεκτρονιακές απώσεις Β. Αν είναι άτομο υδρογόνου θα ισχύει: Εp = Εs. Σε οποιοδήποτε πολυηλεκτρονιακό άτομο θα ισχύει: Εp > Εs. Επομένως, γενικά, Εp Εs Δ. Από τη σειρά πλήρωσης των υποστιβάδων βλέπουμε ότι η 4s συμπληρώνεται πριν από την 3d, καθώς το άθροισμα (n + l) είναι μικρότερο για την 4s υποστιβάδα Β. Ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε μία στιβάδα καθορίζεται από το μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων σε μία υποστιβάδα και τελικά από το μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων σε ένα τροχιακό που καθορίζεται από την απαγορευτική αρχή του Pauli Α. Σύμφωνα με τον κανόνα του Hund, η δομή 3p συνεπάγεται δύο μονήρη ηλεκτρόνια με παράλληλα spin που συνεπάγεται άθροισμα κβαντικών αριθμών spin ίσο με Γ. Μία υποστιβάδα p αποτελείται από 3 τροχιακά και επομένως συμπληρώνεται με 6 το πολύ ηλεκτρόνια Δ. Για να υπάρχει ζεύγος ηλεκτρονίων σε μία p υποστιβάδα θα πρέπει να διαθέτει 4 τουλάχιστον ηλεκτρόνια, καθώς τα τρία ηλεκτρόνια είναι μονήρη με παράλληλα spin (κανόνας του Hund). Έτσι, θα άτομο θα έχει δομή 1s s p 4 (Z = 8) i. Γ. Για μία d υποστιβάδα ισχύει l = και ml =, 1,0,1, και επομένως η υποστιβάδα αυτή αποτελείται από 5 τροχιακά (l + 1 = 5). ii. Δ. Σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli, κάθε τροχιακό διαθέτει το πολύ ηλεκτρόνια και επομένως τα 5 τροχιακά μπορούν να καταληφθούν από 10 το πολύ ηλεκτρόνια Γ. Ένα άτομο με 3 μονήρη ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα p θα έχει δομή: 1s s p 3 (Z = 7) i. A. H δομή του Si είναι: 1s s p 6 3s 3p και επομένως διαθέτει δύο μονήρη ηλεκτρόνια. ii. Δ. Τα p ηλεκτρόνια είναι 6 + = Δ. Οι ηλεκτρονιακές δομές που διαθέτουν 7 ηλεκτρόνια σε τροχιακά s, στη θεμελιώδη κατάσταση είναι οι εξής: 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1 (Ζ = 19), 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s 1 (Ζ = 4, δομή κατ εξαίρεση για το 4Cr) και 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 1 (Ζ = 9, δομή κατ εξαίρεση για το 9Cu) Β. Ο συνδυασμός n = 3, l = αντιστοιχεί στην υποστιβάδα 3d που διαθέτει 5 τροχιακά και επομένως 10 το πολύ ηλεκτρόνια. Ο συνδυασμός n =, l = 1, ml = 1 αντιστοιχεί σε ένα τροχιακό της υποστιβάδας p και επομένως το πολύ ηλεκτρόνια. Τέλος, ο συνδυασμός n = 1, l = 0 αντιστοιχεί στην υποστιβάδα 1s με δύο το πολύ ηλεκτρόνια Δ. Το ιόν 7Ν 3 έχει 10 e και ηλεκτρονιακή δομή 1s s p 6. Την ίδια ηλεκτρονιακή δομή με 10 e έχει και το ανιόν 8O Γ. Οι δομές Β και Δ είναι θεμελιώδεις καταστάσεις και η Α αδύνατη (απαγορευτική αρχή Pauli) Β. Τα ιόντα 13Αl 3+ και 8O είναι ισοηλεκτρονιακά με 10 συνολικά ηλεκτρόνια και ηλεκτρονιακή δομή: 1s s p Γ. Τα μονήρη ηλεκτρόνια είναι στην ασυμπλήρωτη υποστιβάδα 5f 11 η οποία διαθέτει 4 ζεύγη ηλεκτρονίων και 3 μονήρη Γ. Η δομή Α είναι σωστή, η δομή Β παραβιάζει την αρχή του Pauli και η δομή Δ είναι επίσης σωστή Α. To άτομο του Ti διαθέτει ηλεκτρόνια στην 3d Β. Τέσσερα τροχιακά μπορούν να καταληφθούν ως εξής: 1s s p (Ζ = 6) Γ. Η ηλεκτρονιακή δομή του Cl είναι: 1s s p 6 3s 3p 5 στην οποία εμφανίζονται 6 ηλεκτρόνια σε s τροχιακά για τα οποία ισχύει: l = Γ. Πρέπει να συμπληρωθεί πρώτα η υποστιβάδα 4s και μετά η 3d i. Γ. Οι άλλες δομές είναι στη θεμελιώδη κατάσταση. ii. Γ. Η ηλεκτρονιακή δομή είναι σωστή με βάση τον κανόνα του Hund και την απαγορευτική αρχή του Pauli, αλλά δεν είναι σωστή με βάση την αρχή της ελάχιστης ενέργειας, καθώς ένα ηλεκτρόνιο της υποστιβάδας s έχει μεταπηδήσει στην p (θεμελιώδης κατάσταση: 1s s p ) i. Γ. Η δομή του ατόμου 5Mn είναι 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s. Για τη δημιουργία του ιόντος Μn + αποσπώνται τα ηλεκτρόνια της υποστιβάδας 4s. ii. Δ. Το Σ 3+ περιέχει x = 15 e στη στιβάδα Μ, από τα οποία x = 7 e στην 3d. To άτομο Σ περιέχει 8 e την υποστιβάδα 3d, καθώς τα άλλα δύο έχουν αποσπαστεί από την 4s. Έτσι το Σ έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 8 4s (Ζ = 8) Α. Οι δύο δομές ανήκουν σε άτομα του ίδιου στοιχείου. Η δομή Χ είναι στη θεμελιώδη κατάσταση και η δομή Υ σε διεγερμένη Α. Διαθέτει 3 μονήρη ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα p Α. Διαθέτει μονήρη ηλεκτρόνια στην 3d υποστιβάδα (δομή 3d 8 ) Α. H στιβάδα σθένους του 31Ga έχει δομή 4s 4p 1. H επιλογή Α περιγράφει ένα από τα δύο ηλεκτρόνια της 4s Δ. Το ηλεκτρόνιο Ι ανήκει στην υποστιβάδα 4s, τα ηλεκτρόνια ΙΙ και ΙΙΙ ανήκουν στην υποστιβάδα 3d και το η- λεκτρόνιο ΙV στην υποστιβάδα 3p. H 4s συμπληρώνεται πριν την 3d αλλά μετά την εισαγωγή ηλεκτρονίων στην 3d, η υποστιβάδα 4s αποκτά μεγαλύτερη ενέργεια i. Γ. Το άτομο του Cu έχει δομή: [18Αr] 3d 10 4s 1 και το ιόν Cu + έχει δομή: [18Αr] 3d 10. ii. B Γ. Η υποστιβάδα 4f διαθέτει 7 τροχιακά και επομένως μπορεί να διαθέτει μέχρι και 7 μονήρη ηλεκτρόνια Λανθασμένες είναι οι προτάσεις Α, Ε, Ζ και Η. Α: Το άτομο του Ο έχει δύο μονήρη ηλεκτρόνια και επομένως το άθροισμα κβαντικών αριθμών spin είναι ίσο με 1. Ε: Ο μικρότερος ατομικός αριθμός Ζ στοιχείου με πλήρη d υποστιβάδα αντιστοιχεί στο στοιχείο 9Cu με δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d

432 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 4s 1. Ζ: Δύο μονήρη ηλεκτρόνια στην 3d υποστιβάδα μπορεί να είναι στη δομή 3d (Ζ = ) αλλά και στη δομή 3d 8 (Z = 8). Η: Το άτομο 5Μn έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s ενώ το ιόν 7Co + έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d d, 4p, 6s α) 3, β) 5, γ) 14, δ) 6, ε) d, στ) s, ζ) Μ , 6,, 14, 10, β - ζ - δ - ε - γ - α Σ - Σ1 - Σ4 - Σ3 - Σ6 - Σ α) i. 6, ii. 8, β) 3/ α) Ναι. Αν υποθέσουμε ότι το στοιχείου Α έχει δομή p ( μονήρη ηλεκτρόνια), το στοιχείο Β θα έχει δομή p 3 (τρία μονήρη ηλεκτρόνια), το στοιχείο Γ δομή p 4 ( μονήρη ηλεκτρόνια) και το στοιχείο Δ δομή p 5 (1 μονήρες ηλεκτρόνιο). β) Ζ = 6 ή p,. 3d, 3. 5s, 4. δεν υπάρχει, 5. 4d α) (1, 0, 0,+1/), (1, 0, 0, 1/), β) n = 3, l = 0, ml = α) 10, β), γ) Δ α) Ζ = 15: 0 d ηλεκτρόνια, 9 ηλεκτρόνια με l = 1 και 3 μονήρη ηλεκτρόνια. Ζ = 6: 6 d ηλεκτρόνια, 1 ηλεκτρόνια με l = 1 και 4 μονήρη ηλεκτρόνια. Ζ = 3: 10 d ηλεκτρόνια, 14 ηλεκτρόνια με l = 1 και μονήρη ηλεκτρόνια. β) α) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4px 1 4py 1 4pz 1, β) 15 και 3, γ) 15 ή 3 ή , 15, 1, 16, i. Z = 6, 8, ii. Z = 14, 16,, Ag: [36Kr] 4d 10 5s 1 (αυξημένη σταθερότητα της δομής d 10, ανάλογη περίπτωση με την ηλεκτρονιακή δομή του 9Cu). Ag + : [36Kr] 4d α) 8 (από δύο ηλεκτρόνια στις υποστιβάδες p, 3p, 3d, 4p), β) 18 (p, 3p, 4p) α) ΕV < EIV = EIII < EII < EI. β) ΕV = EIV = EIII < EII < EI Δομή ευγενούς αερίου: 0Ca + και 1Sc α) Ουδέτερο άτομο, διεγερμένη, β) ανιόν (θεμελιώδης), γ) κατιόν, διεγερμένη, δ) ουδέτερο άτομο, θεμελιώδης, ε) α- νιόν, θεμελιώδης, ζ) ουδέτερο άτομο, θεμελιώδης, η) αδύνατη (δεν υπάρχει τροχιακό d), θ) αδύνατη (δεν μπορούν να υπάρξουν 7 ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα p), ι) ουδέτερο άτομο, θεμελιώδης, κ) ουδέτερο άτομο, διεγερμένη α) 3, β) 16, γ) 9 (είναι, κατ εξαίρεση, ο 9Cu με δομή: 3d 10, 4s 1 ). Η δομή αυτή είναι εξαιρετικά σταθερή, καθώς η υποστιβάδα 3d είναι συμπληρωμένη), δ) 4, ε) α) 8, 1, β) 4, γ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 1 4s α) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 4s, β) Fe + : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 (τα δύο ηλεκτρόνια φεύγουν από την υποστιβάδα 4s), Fe 3+ : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5, γ) το ιόν Fe 3+ (ημισυμπληρωμένη d υποστιβάδα) α) , β) Ναι. Θα ανήκουν στο ίδιο τροχιακό, αλλά μπορεί να διαφέρουν στο μαγνητικό κβαντικό αριθμό του spin β) Αντίστοιχα, 1, 3,, 1, 1,, 3, 4, και 0 ασύζευκτα (μονήρη) ηλεκτρόνια, γ) διαμαγνητικό είναι το άτομο του Zn, δ) αντίστοιχα, 1/, 3/, 1, 1/, 1/, 1, 3/,, 1 και α) 3/, β) 1, 83, γ) 5, α) L: (, 0, 0, 1/), (, 0, 0, 1/), (, 1, 1, 1/), (, 1, 1, 1/), (, 1, 0, 1/), (, 1, 0, 1/), (, 1, 1, 1/), (, 1, 1, 1/). M: (3, 0, 0, 1/), (3, 0, 0, 1/), (3, 1, 1, 1/), (3, 1, 1, 1/), (3, 1, 0, 1/), (3, 1, 0, 1/), (3, 1, 1, 1/), (3, 1, 1, 1/), (3,,, 1/), (3,,, 1/), (3,, 1, 1/), (3,, 1, 1/), (3,, 0, 1/), (3,, 0, 1/), (3,, 1, 1/), (3,, 1, 1/), (3,,, 1/), (3,,, 1/). β) 4, γ) α) i. X: 4f 7, ii. πλήρεις είναι οι στιβάδες Κ, L και Μ. β) i. 8, ii. 7, iii. 0, iv. 1. γ) Α:13, Β:10Ne, Γ:3s, Δ:10Ne, Ε:3d, Θ:56, Κ:54Xe, Λ:18Ar, Μ: 3d 10, Ν: 4p 3. δ) Το άτομο V (έχει 3 μονήρη ηλεκτρόνια στην 4p). ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ A.. Γ. 3. Β. 4. Δ. 5. Γ. 6. Α. 7. Γ. 8. Δ. 9. Γ. 10. Δ. 11. Β. 1. Γ. 13. Β. 14. Γ. 15. Β. 16. Δ. 17. Γ. 18. Δ. 19. (3,1,1,+1/), (3,1,0,+1/), (3,1, 1,+1/) ή (3,1,1, 1/), (3,1,0, 1/), (3,1, 1, 1/). 0. Mo: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 4d 5 5s 1, Μο 3+ :1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6 4d Παραβιάζει τον κανόνα του Hund (βλέπε θεωρία για τη διατύπωση).. Α: Λ. Αυτό ισχύει στο άτομο του Η και στα υδρογονοειδή ιόντα. Δεν ισχύει στα πολυηλεκτρονιακά άτομα λόγω ηλεκτρονιακών απώσεων. Β: Λ. Η δομή του ατόμου του 9Cu είναι 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 1 και επομένως η δομή του ιόντος 9Cu + είναι: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10. Γ: Σ. Δ: Λ. Fe + : 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 (n = 3). Ε: Λ. Στο ιόν Fe + έχουν αποσπαστεί τα 4s ηλεκτρόνια και επομένως ο μεγαλύτερος κύριος κβαντικός αριθμός της δομής θα είναι n = 3. ΣΤ: Λ. Αν και τα δύο σωματίδια είναι ισοηλεκτρονιακά, το ιόν 7Co + έχει ηλεκτρονιακή δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 7 και το άτομο του 5Μn έχει δομή 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s. 3. α) Ζ = 8, β) 1s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 8, γ) 1, δ) Α: τροχιακό με n = 4, Β: d υποστιβάδα, Γ: συμπληρωμένη στιβάδα, Δ: κενή υποστιβάδα, Ε: μονήρες ηλεκτρόνιο, Ζ: τροχιακό χαμηλότερης ενέργειας. 16. ΔΟΜΗ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Γ Γ Α Α Δ Γ Δ Α. Το Χ 3 έχει 18 ηλεκτρόνια και επομένως το άτομο του Χ έχει 15 ηλεκτρόνια και δομή: 1s s p 6 3s 3p Δ. Το κατιόν Υ 3+ έχει 10 ηλεκτρόνια και άρα το άτομο του Υ έχει 13 ηλεκτρόνια και δομή 1s s p 6 3s 3p Β Δ. Το άθροισμα όλων των κβαντικών αριθμών όλων των ηλεκτρονίων του είναι ίσο με: ( /) + ( /) + ( /) + ( /) + (

433 1/) + ( /) + ( /) + ( /) + ( /) + ( /) = Όλες είναι σωστές Ε: ευγενές αέριο, Δ: αλκαλική γαία, Γ: στοιχείο του d τομέα, Α: στοιχείο της 13ης ομάδας Το κατιόν X 3+ έχει προκύψει από το άτομο του Χ με αποβολή 3 ηλεκτρονίων, δύο από την υποστιβάδα 4s και το άλλο από την 3d. Έτσι, η δομή του ατόμου του στοιχείου Χ στη θεμελιώδη κατάσταση είναι: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 6 4s. Επομένως, το στοιχείο Χ ανήκει στην 8η (VIIIB) ομάδα και έχει Z = Για να έχουν άθροισμα κβαντικών αριθμών spin ίσο με 0 δεν θα διαθέτουν μονήρη ηλεκτρόνια και άρα η υποστιβάδα d που συμπληρώνεται κατά μήκος της κάθε περιόδου του d τομέα θα πρέπει να είναι συμπληρωμένη (d 10 ). Πρόκειται επομένως για στοιχεία της 1ης (ΙΙΒ) ομάδας Το 30Zn ανήκει στον d τομέα του Π.Π., ενώ το 0Ca στον s τομέα Pb: [54Xe] 4f 14 5d 10 6s 6p, Ζ = 114: [86Rn] 5f 14 6d 10 7s 7p (παρόμοια δομή εξωτερικής στιβάδας) α) Το στοιχείο διαθέτει συνολικά 5 ηλεκτρόνια σε s υποστιβάδες και δομή: 1s s p 6 3s 1 (Z = 11). β) 1η (IA) ομάδα, 3η περίοδος α) Tα αλογόνα δεν διαθέτουν στοιχείο στην 1η περίοδο και άρα το 3ο αλογόνο ανήκει στην 17η (VIIA) ομάδα και στην 4η περίοδο. β) i. 17 p ηλεκτρόνια, ii. 10 d ηλεκτρόνια α) Ca: [Αr] 4s, β) Sr: [Kr] 5s, γ) P: [Ne] 3s 3p 3, δ) Cu: [Ar] 3d 10 4s 1, ε) Sb: [Kr] 4d 10 5s 5p 3, ζ) Se: [Ar] 3d 10 4s 4p 4, η) [Ar] 3d 8 4s Α: 18η ομάδα, 1η περίοδος, Β: 15η ομάδα, η περίοδος, Γ: 1η ομάδα, 3η περίοδος, Δ: 18η ομάδα, 3η περίοδος, Ε: 15η ομάδα, 3η περίοδος η περίοδος: 3s, 3p, 4η περίοδος: 4s, 3d, 4p, 5η: 5s, 4d, 5p α) 1η, β) 3η, γ) 18η, δ) η ή το He, ε) 7η (VIIB) α) Το στοιχείο θα πρέπει να ανήκει σε μία από τις ομάδες η, 1η, 18η. β) 0, 30, α) Το Μ + διαθέτει 3 ηλεκτρόνια και άρα 5 πρωτόνια. Επομένως, Ζ = 5. β) Εφόσον το ιόν Μ + διαθέτει ασυμπλήρωτη d υποστιβάδα, η απόσπαση των δύο ηλεκτρονίων έχει γίνει από την υποστιβάδα 4s και η ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του Μ είναι: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s. Επομένως, τo στοιχείο Μ ανήκει στην 4η περίοδο, στον d τομέα και στην 7η (VIIA) ομάδα. γ) Από την ηλεκτρονιακή δομή του ατόμου του Μ προκύπτει ότι το Μ διαθέτει 8 ηλεκτρόνια σε s τροχιακά (με l = 0). Επίσης διαθέτει = 5 ηλεκτρόνια με ml = 1. δ) Το άτομο του Ν διαθέτει 3 ηλεκτρόνια και 3 πρωτόνια. Η ηλεκτρονιακή του δομή είναι: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 3 4s και άρα ανήκει στην 4η περίοδο, στον d τομέα και στην 5η (VIIA) ομάδα Α-Γ, Β-Ζ, Δ-Ε α) Α: 3η περίοδος, 17η ομάδα, p τομέας, Β: 3η περίοδος, 18η ομάδα, p τομέας, Γ: 4η περίοδος, 1η ομάδα, s τομέας, A: 1s s p 6 3s 3p 5, B: 1s s p 6 3s 3p 6, Γ: 1s s p 6 3s 3p 6 4s α) Για να έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους θα πρέπει να έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 4 (Z = 16) και άρα ανήκει στον p τομέα και στην 16η ομάδα (VIA). β) Το στοιχείο Χ είναι προς τα δεξιά της περιόδου του και σχηματίζει ομοιοπολικά οξείδια και ομοιοπολικά χλωρίδια α) 3, β) 1, γ) 0, δ) α) Ο s έχει δύο ομάδες, ο p τομέας 6 ομάδες και ο d τομέας 10 ομάδες (με τη νέα αρίθμηση). Όλα τα στοιχεία του f τομέα ανήκουν στην 3η ομάδα του Π.Π. β) i. [54Xe] 6s : η ομάδα, s τομέας, ii. [36Kr] 4d 10 5s 5p 1 : 13η ομάδα, p τομέας, iii. [36Kr] 4d 10 5s 5p 5 : 17η ομάδα, p τομέας Στοιχεία μετάπτωσης είναι τα στοιχεία που καταλαμβάνουν τον τομέα d του περιοδικού πίνακα, δηλαδή στοιχεία των οποίων το τελευταίο ηλεκτρόνιο, κατά την ηλεκτρονιακή δόμηση, τοποθετείται σε υποστιβάδα d. Έτσι, στον Zn με βάση την ηλεκτρονιακή δομή (1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s ) το τελευταίο του ηλεκτρόνιο βρίσκεται στην υποστιβάδα d. Πάντως, πολλοί θεωρούν ότι το Sc και ο Zn καταχρηστικά ονομάζονται στοιχεία μετάπτωσης, γιατί: α) έχουν ένα μόνο αριθμό οξείδωσης, β) δε σχηματίζουν άλατα με χαρακτηριστικά χρώματα και γ) η d υποστιβάδα είναι πλήρης α) η ομάδα, 4η περίοδος, s τομέας, β) 38, γ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 1 4s, ΧCl, XO (ιοντικές) α) Νa: 1s s p 6 3s 1, Mg: 1s s p 6 3s, Si: 1s s p 6 3s 3p, Cl: 1s s p 6 3s 3p 5, Ar: 1s s p 6 3s 3p 6. β) 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1, 1s s p 6 3s 3p 6 4s, 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p, 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 5, 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 6. γ) ΝaCl: ιοντικό, MgCl: ιοντικό, SiCl4: ο- μοιοπολικό. δ) Οξείδιο του νατρίου: ιοντικό και βασικό, οξείδιο του μαγνησίου: ιοντικό και βασικό, οξείδιο του πυριτίου: ομοιοπολικό και όξινο, οξείδιο του χλωρίου: ομοιοπολικό και όξινο A: 13η (ΙΙΙΑ) ομάδα, 3η περίοδος, Β: 14η (ΙVA) ομάδα, 5η περίοδος, Γ: 1η (IA) ομάδα, 5η περίοδος, Δ: 14η (IVA) ομάδα, 4η περίοδος, Ε: 3η (ΙΙΙΒ) ομάδα, 4η περίοδος, Ζ: 11η (IB) ή 1η (ΙΙΒ) ομάδα, Η: η ομάδα (IIA), 7η περίοδος, Θ: 15η (VΑ) ή 5η (VB) ή 9η (VIIIB) καθώς και τα στοιχεία του f τομέα με δομή f 3 ή f α) το 7Co με το 59Pr, β) d, s, p, f, το 7Co, γ) δεν υπάρχει για το 7Co, Ζ = 1, Ζ = περιπτώσεις. α) Για x =, Z1 = και Ζ = 8. β) Για x = 3, Z1 = 3 και Ζ = 7. γ) Για x = 5, Z1 = 4 και Ζ = 5. Για x = 1 έχουμε μόνο ένα στοιχείο (Ζ = 1) καθώς το στοιχείο με Ζ = 9 (Cu) δεν διαθέτει μονήρες ηλεκτρόνιο στην 3d υποστιβάδα (κατ εξαίρεση έχει δομή 3d 10 4s 1 ). Επίσης, για x = 4 έχουμε μόνο ένα στοιχείο (Ζ = 6) καθώς το στοιχείο με Ζ = 4 (Cr) έχει κατ εξαίρεση δομή 3d 5 4s 1 και 6 ασύζευκτα ηλεκτρόνια Α: Ζ = 54, Β: Ζ = 8 ή 84, Γ: Ζ=19, Δ: Ζ = 8, Ε: Ζ = 8, Ζ: Ζ = 17, Η: Ζ = 37, Θ: Ζ = 5, Ι: Ζ = 9 (11η ομάδα, 4η περίοδος). ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Γ.. Β. 3. Δ. 4. Γ. 5. Γ. 6. Δ. 7. Γ. 8. Β. 9. Β. 10. Α. 11. Γ. 1. Α. 13. Δ. 14. Α: Λ. Μπορεί να είναι το Ηe (1s ). Β: Λ. To 0Ca έχει δομή 1s s p 6 3s 3p 6 4s και δε διαθέτει μονήρη ηλεκτρόνια (δεν είναι παραμαγνητικό). Το 8Νi έχει δομή 3d 8 και διαθέτει μονήρη ηλεκτρόνια. Γ: Λ. Ανήκει στη 15η (VΑ) ομάδα του περιοδικού πίνακα. Δ: Λ. Τα ευγενή αέρια από την 4η περίοδο και μετά διαθέτουν ηλεκτρόνια σε υποστιβάδα d ενώ 419

434 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 από την 6η περίοδο διαθέτουν ηλεκτρόνια και σε υποστιβάδα f. E: Σ. ΣT: Σ. 15. NaO: βασικό οξείδιο, MgO: βασικό οξείδιο, AlO3: ε- παμφοτερίζον οξείδιο, SO3: όξινο οξείδιο. 16. Βλέπε θεωρία. 17. Και τα δύο σχέδια είναι λανθασμένα. Ο μαθητής Α έχει σχεδιάσει στοιχεία του d τομέα στην 3η περίοδο (ο d τομέας αρχίζει από την 4η περίοδο) ενώ ο μαθητής Β έχει σχεδιάσει 5 ομάδες για τον p τομέα (αντί για 6). Επίσης λείπει ο f τομέας και επό τα δύο σχέδια. 18. α) 11Χ: 1s s p 6 3s 1, 9Υ: 1s s p 5. β) X: 1η ομάδα, s τομέας, Υ: 17η ομάδα, p τομέας. γ) Κάτω από το στοιχείο Χ: Ζ = 19, κάτω από το Υ: Ζ = α) Α: 15η ομάδα, Β: 14η ομάδα, Γ: 16η ομάδα. β) Το Α θα έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 3 και άρα θα διαθέτει 3 ηλεκτρόνια με ml = 1. γ) Δ: Ζ = 3, Ε: Ζ = 34. δ) Ζ = ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΔΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗ- ΤΩΝ B Δ A Δ i. Γ, ii. Β Δ Β Γ Α Β Δ Α Α Δ Β Γ Α Γ Α: Σ, Β: Λ, Γ: Λ Α) Σωστή. Σε διεγερμένη κατάσταση το άτομο έχει μεγαλύτερη ενέργεια και η απόσπαση ηλεκτρονίου είναι ευχερέστερη, δηλαδή απαιτεί μικρότερη ενέργεια. Β) Λανθασμένη, καθώς το άτομο με ατομικό αριθμό Ζ μπορεί να είναι ευγενές αέριο και το στοιχείο με το αμέσως μεγαλύτερο ατομικό αριθμό θα ανήκει στην 1η ομάδα με αποτέλεσμα η ενέργεια ιοντισμού να μειώνεται θεαματικά. Γ) Λανθασμένη. Ακριβώς το αντίθετο. Όσο μεγαλώνει η ατομική ακτίνα η ενέργεια ιοντισμού μειώνεται καθώς το ηλεκτρόνιο βρίσκεται όλο και πιο μακριά από τον πυρήνα με αποτέλεσμα η έλξη του πυρήνα να είναι μικρότερη. Δ) Σωστή. Το στοιχείο X ανήκει στην 1η ομάδα του περιοδικού πίνακα και το στοιχείο Υ ανήκει στη 18η ομάδα (τα δύο στοιχεία ανήκουν στην 3η περίοδο). Καθώς η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται από τα αριστερά προς τα δεξιά, το στοιχείο Χ θα έχει μικρότερη ενέργεια ιοντισμού από το Υ. Ε) Σωστή. Τα αμέταλλα στοιχεία βρίσκονται προς τα δεξιά στον περιοδικό πίνακα, όπου οι ατομικές ακτίνες παρουσιάζονται μικρότερες. 40 ΣΤ) Σωστή. Στα στοιχεία μετάπτωσης π.χ. της 4ης περιόδου συμπληρώνεται η υποστιβάδα 3d ενώ έχει αρχίσει ήδη η συμπλήρωση της 4ης στιβάδας Α) Σωστή. Τα δύο στοιχεία ανήκουν στην 1η ομάδα του περιοδικού πίνακα με το Rb να είναι πιο κάτω. Καθώς η ενέργεια ιοντισμού μειώνεται όσο προχωράμε προς τα κάτω σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα το Rb θα έχει μικρότερη ενέργεια ιοντισμού από το Na. Β) Σωστή. Το στοιχείο με Ζ = 87 ανήκει στην 1η ομάδα και στην 7η περίοδο. Για το λόγο αυτό είναι το πιο ηλεκτροθετικό στοιχείο και άρα το πιο δραστικό μέταλλα ενώ παράλληλα διαθέτει τη μεγαλύτερη ατομική ακτίνα. Γ) Σωστή. Τα στοιχεία με Ζ = 36 και Ζ = ανήκουν στα ευγενή αέρια τα οποία παρουσιάζουν υψηλές τιμές Ei1. Πάντως, το στοιχείο με Ζ = είναι πιο πάνω στην ομάδα και επομένως έχει μεγαλύτερη τιμή Ei1. Δ) Σωστή. Η απόσπαση του δεύτερου ηλεκτρονίου από το άτομο του Li γίνεται από εσωτερική στιβάδα και μάλιστα διασπά δομή ευγενούς αερίου (1s ). Αντίθετα η απόσπαση του δεύτερου ηλεκτρονίου από το άτομο του 4Be γίνεται από την ίδια στιβάδα (L) χωρίς να διασπά δομή ευγενούς αερίου. Ε) Σωστή. Το Νa + έχει το μεγαλύτερο πυρηνικό φορτίο (Ζ) και επομένως έχει το μικρότερο μέγεθος. ΣΤ) Σωστή. Ξέρουμε ότι η μετάβαση από τη στιβάδα Κ στη στιβάδα L αντιστοιχεί στο 75% της Εi του ατόμου του H Σύμφωνα με τη θεωρία, ενέργεια ιοντισμού (Εi1) είναι η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να απορροφήσει ένα ελεύθερο άτομο στη θεμελιώδη του κατάσταση και σε αέρια φάση, έτσι ώστε να αποσπαστεί πλήρως ένα ηλεκτρόνιο. Η ενέργεια ιοντισμού επηρεάζεται από την ατομική ακτίνα, από τον αριθμό των ενδιαμέσων ηλεκτρονίων και από το πυρηνικό φορτίο Σε μία σειρά των στοιχείων μετάπτωσης και όσο πηγαίνουμε προς τα δεξιά της περιόδου, τα επιπλέον ηλεκτρόνια πηγαίνουν σε εσωτερικές ηλεκτρονιακές στιβάδες τύπου d, όπου και προστατεύουν αποτελεσματικά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια από την έλξη του πυρήνα. Έτσι, όμως, το δραστικό πυρηνικό φορτίο αυξάνεται ελάχιστα με αποτέλεσμα η ιοντική ακτίνα να μειώνεται ελάχιστα α) Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια ομάδα και επομένως ισχύει η σειρά: 87Fr, 55Cs, 37Rb, 19K, 11Na, 3Li. β) Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια περίοδο και επομένως ισχύει η σειρά: 11Na, 1Mg, 13Al, 14Si, 15P, 16S, 17Cl, 18Ar Α-, Β-4, Γ-1, Δ α) 11Na: 1η ομάδα, 3η περίοδος, s τομέας, 17Cl: 17η ομάδα, 3η περίοδος, p τομέας, 19Κ: 1η ομάδα, 4η περίοδος, s τομέας. β) Από τη θέση στον περιοδικό πίνακα των 3 στοιχείων: r(cl) < r(na) < r(k) β) Το Χ β) Το Cl α) Παρατηρούμε ότι η μεγαλύτερη αύξηση στις διαδοχικές τιμές των ενεργειών ιοντισμού συμβαίνει από την Εi6 στην Εi7 και επομένως έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους. β) Αφού διαθέτει 6 ηλεκτρόνια σθένους θα ανήκει στην 16η ομάδα Το στοιχείο Δ, το οποίο παρουσιάζει απότομη αύξηση από την Ei στην Ei β) Ge, Se, S, Cl α) Ζ = 18, β) Ζ = 17, γ) Ζ = 11, δ) Ζ = 1.

435 α) To μικρότερο άτομο της 13ης ομάδας θα είναι το πρώτο στοιχείο της ομάδας (η περίοδος) με δομή 1s s p 1 (Ζ = 5). β) Όποιο είναι πιο δεξιά και πιο πάνω στον Π.Π. (Te) α) Τα ιόντα είναι ισοηλεκτρονιακά καθώς διαθέτουν από 10 ηλεκτρόνια. Από τα δύο αυτά ιόντα το μικρότερο μέγεθος έχει το ιόν Mg + που έχει μεγαλύτερο πυρηνικό φορτίο (Ζ = 1). β) Τα ιόντα 8O και 9F είναι ισοηλεκτρονιακά και διαθέτουν από 10 ηλεκτρόνια. Από τα δύο αυτά ιόντα το O είναι το μεγαλύτερο καθώς διαθέτει το μικρότερο πυρηνικό φορτίο. Επίσης, το S έχει μεγαλύτερο μέγεθος από το O καθώς τα δύο ιόντα έχουν ανάλογη ηλεκτρονιακή δομή, αλλά το S έχει μία στιβάδα παραπάνω F, 6C, 13Al, 11Na Λόγω της θέσης τους στον περιοδικό πίνακα, τα στοιχεία O, F και S ακολουθούν για τις ατομικές τους ακτίνες τη σειρά: F < O < S. Επειδή το ανιόν S είναι μεγαλύτερο από το άτομό του, τελικά θα ισχύει: F < O < S < S α) Το Η και το He ανήκουν στην ίδια περίοδο του Π.Π. με το Ηe να είναι πιο δεξιά (18η ομάδα) και επομένως έχει μεγαλύτερη Εi. β) To Li και το Κ ανήκουν στην ίδια ομάδα (1η) με το Κ να είναι σε μεγαλύτερη περίοδο και επομένως να έχει μικρότερη Εi Τα τρία πρώτα στοιχεία ανήκουν στη η περίοδο του Π.Π., οπότε πηγαίνοντας από αριστερά προς τα δεξιά η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται. Το 4ο στοιχείο (το Na) ανήκει στην επόμενη περίοδο στην 1η ομάδα, οπότε η ενέργεια ιοντισμού μειώνεται θεαματικά Το Υ (η ατομική ακτίνα μεταβάλλεται στο περιοδικό πίνακα αντίστροφα σε σχέση με την ενέργεια ιοντισμού) Ένας ομοιοπολικός δεσμός είναι τόσο περισσότερο πολωμένος όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των δύο ατόμων του δεσμού. Σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα η μεγαλύτερη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας υπάρχει μεταξύ στοιχείων που απέχουν περισσότερο. Ε- πομένως, ο πιο πολωμένος δεσμός είναι ο δεσμός I F α) Γιατί αλλάζει η ενεργειακή στιβάδα από την οποία αποσπάται ηλεκτρόνιο. β) Και στις δύο περιπτώσεις έχουμε αρχικά δομή ευγενούς αερίου. Η απόσπαση, όμως, ηλεκτρονίου από κατιόν είναι δυσκολότερη. Επίσης, το κατιόν Νa έχει μεγαλύτερο πυρηνικό φορτίο από το άτομο του Ne α) η ομάδα, β) i. 1s s p 6 3s, ii α) Το Α ως πρώτο στοιχείο της 7ης ομάδας έχει δομή 3d 5. Η πλήρης κατανομή των ηλεκτρονίων του σε υποστιβάδες θα είναι: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s (Z = 5). β) To άτομο διαθέτει 5 μονήρη ηλεκτρόνια (αυτά της υποστιβάδας 3d 5 ). Επίσης, το άτομο διαθέτει 5 ηλεκτρόνια με ml = 1 (δύο στην υποστιβάδα p, δύο στην υποστιβάδα 3p και ένα στην υποστιβάδα 3d). γ) Το 35Br έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 5 και ανήκει στην 4η περίοδο και την 17η ομάδα (αλογόνο). Το 10Ne έχει δομή: 1s s p 6 και ανήκει στη η περίοδο και τη 18η ομάδα (ευγενές αέριο). Καθώς η ενέργεια ιοντισμού αυξάνεται προς τα δεξιά σε μία περίοδο του περιοδικού πίνακα και προς τα πάνω σε μία ομάδα, θα ισχύει: Εi(A) < Ei(Br) < Ei(Ne) β) Γιατί αλλάζει ενεργειακή στιβάδα από την οποία αποσπάται ηλεκτρόνιο. γ) Το Al ανήκει στην ίδια ομάδα, αλλά έχει περισσότερα εσωτερικά ηλεκτρόνια σε κάθε αντίστοιχη απόσπαση α) Α-6, Β-, Γ-3, Δ-4, Ε-5, ΣΤ-1, β) το Mg, γ) το Ca τη μεγαλύτερη και το F τη μικρότερη ατομική ακτίνα, δ) Ca + < Cl (ισοηλεκτρονιακά) α) 1s s p 6 3s 1, η Εο = 5,14 ev, β) i. οι Ε1 - Ε5, ii. 1s s p 6 3p 1, γ) i.,11 ev, ii. 590 nm (περίπου), δ) i. μετάβαση στην Ε, ii. 1s s p 6 4s 1, ε) i. 5,14 ev, ii. το Mg έχει μεγαλύτερη ενέργεια ιοντισμού. ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Β.. Γ. 3. Δ. 4. Α. 5. Γ. 6. Γ. 7. Α. 8. Β. 9. Α. 10. Δ. 11. Α. 1. Β. 13. Α. 14. Α: Λ (η Εi1 μειώνεται όσο πηγαίνουμε προς τα κάτω σε μία ομάδα του περιοδικού πίνακα). Β: Σ. Γ: Σ. Δ: Λ. (τα μέταλλα είναι προς τα αριστερά και κάτω στον περιοδικό πίνακα και παρουσιάζουν χαμηλές τιμές ενέργειας ιοντισμού). Ε: Λ (η Εi έχει μεγαλύτερη τιμή από την Εi1) καθώς η απόσπαση του ου ηλεκτρονίου γίνεται από θετικά φορτισμένο ιόν και όχι από ουδέτερο άτομο). ΣΤ: Σ. Ζ: Σ. 15. Η ενέργεια ιοντισμού ανά άτομο έχει τιμή Ei1 1000/ΝΑ (σε J mol 1 ). Αν η ενέργεια αυτή δοθεί από ένα φωτόνιο θα ισχύει: Ei1 1000/ΝΑ = h ν από όπου προκύπτει η σχέση Κ: 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1 1η ομάδα, 4η περίοδος, 3Li: 1s s 1 (1η ομάδα, η περίοδος, 11Νa: 1s s p 6 3s 1 (1η ομάδα, 3η περίοδος). Τα στοιχεία ανήκουν στην ίδια ομάδα και επομένως το Κ έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα καθώς έχει περισσότερες στιβάδες. 17. α) 0Ca: 1s s p 6 3s 3p 6 4s, 1Sc: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 1 4s. β) Tα δύο στοιχεία ανήκουν στην ίδια περίοδο (4η) και στις ομάδες η και 3η, αντίστοιχα και επομένως το Sc έχει μεγαλύτερη Ei1 (μικρότερη ατομική ακτίνα, μεγαλύτερη έλξη του πυρήνα στα ηλεκτρόνια σθένους). γ) Ca + : 1s s p 6 3s 3p 6, Sc 3+ : 1s s p 6 3s 3p α) Χ: 1s s p 6 3s 3p 3, Ζ = 15. β) Θα πρέπει να είναι πιο πάνω στην ίδια ομάδα και επομένως να ανήκει στη η περίοδο. Επομένως, θα έχει ηλεκτρονιακή δομή: 1s s p 3 (Ζ = 7). 19. α) Το Β έχει μεγάλη διαφορά στις τιμές των Ei1 και Ei και άρα διαθέτει 1 ηλεκτρόνιο σθένους (1η ομάδα). β) Το Γ έχει μεγάλη διαφορά στις τιμές των Ei και Ei3 και άρα διαθέτει ηλεκτρόνια σθένους (η ομάδα). Στο Β η απόσπαση του ου ηλεκτρονίου γίνεται από εσωτερική στιβάδα, πολύ πιο κοντά στον πυρήνα και επιπλέον καταστρέφει την εξαιρετικά σταθερή δομή ευγενούς αερίου. Έτσι, απαιτείται μεγαλύτερη ενέργεια για την απόσπασή του σε σχέση με την απόσπαση του ου ηλεκτρονίου του Γ που γίνεται από την ίδια στιβάδα. γ) Το Α ανήκει στην 18η ομάδα του περιοδικού πίνακα και επομένως: r(a) < r(γ) < r(b). 0. α) Α: 1s s p 6 3s 1 (1η ομάδα, 3η περίοδος, s τομέας) Β: 1s s p 6 3s 3p (14η ομάδα, 3η περίοδος, p τομέας), Γ: 1s s p 6 3s 3p 4 (16η ομάδα, 3η περίοδος, p τομέας), Δ: 1s s p 6 3s 3p 6 4s 1 (1η ομάδα, 4η περίοδος, s τομέας). β) Το στοι- 41

436 ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΤΕΥΧΟΣ Γ1 χείο Δ (πιο κάτω και πιο αριστερά στον Π.Π.). γ) Ζ = 6. δ) Μέταλλα είναι τα στοιχεία Α και Δ (αλκάλια), αμέταλλο το Γ και μεταλλοειδές το Β. 1ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Θέμα Α Α1. Δ. Α. Δ. Α3. Β. Α4. Β. Α5. Δ. Θέμα Β Β1. Όλες σωστές εκτός από τη Β. Β. α) Η ενέργεια του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου παίρνει τιμές, Εn = (, )/n (J), και επομένως n = 4 (στιβάδα Ν). Οι υποστιβάδες της Ν που διαθέτουν τροχιακά με ml = είναι η 4d (l = ) και η 4f (l = 3). β) Τα φωτόνια που παράγονται αντιστοιχούν στις εξής δυνατές μεταπτώσεις: Ν Μ, Μ L, Μ K, L K, N L, N K (6 διαφορετικά φωτόνια): Ν M L Κ Β3. α) Η 3η περίοδος περιλαμβάνει μόνο s και p τομέα και επομένως διαθέτει + 6 = 8 στοιχεία. β) Αλκάλιο (1η ομάδα): 1s s p 6 3s 1, αλογόνο (17η ομάδα): 1s s p 6 3s 3p 5. γ) Ζ = 15: 1s s p 6 3s 3p 3 (3 μονήρη ηλεκτρόνια). δ) Μεγαλύτερη Α.Α.: Ζ = 11 (1η ομάδα): Η Α.Α. σε μία περίοδο αυξάνεται από δεξιά προς τα αριστερά. Μεγαλύτερη Εi1: Ζ = 18 (18η ομάδα): Η Εi1 σε μία περίοδο αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά (λόγω αύξησης του δραστικού πυρηνικού φορτίου). Θέμα Γ Γ1. Z = 14, 16,, 8. Γ. α) n = 3, l = 1, ml = 0, ms = +1/. β) i. Το άτομο του X διαθέτει 4 συνολικά ηλεκτρόνια στην υποστιβάδα 3p και επομένως έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 4 (Z = 16). ii. Tο Se θα έχει δομή: 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 4 και άρα Ζ = 34. iii. To Se έχει μεγαλύτερη ατομική ακτίνα από το Χ. Θέμα Δ Δ1. α) i) Στον p τομέα, ii) το Ge, το As και το Se. β) i) O: s, p 4, S: 3s, 3p 4, Se: 4s, 4p 4, As: 4s, 4p 3, Ge: 4s, 4p, ii) το Αs. γ) Ge, Ο. δ) Το Ο (ΜgO). Δ. α) 1, η (ΙΙΑ) ομάδα, 3η περίοδος, s τομέας. β) i. Χ + < Υ + (στο πρώτο ιόν έχουμε μεγαλύτερο πυρηνικό φορτίο), ii. Y > X. ο ΚΡΙΤΗΡΙΟ: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Θέμα Α Α1. Β. Α. Δ. Α3. Β. Α4. Γ. Α5. Β. Α6. Β. Α7. Γ. Α8. Ομοιότητες: α) Και οι δύο χρησιμοποιούν κβαντικούς αριθμούς για την περιγραφή της κατάστασης του ηλεκτρονίου και β) δίνουν τις ίδιες τιμές της ενέργειας (Εn) ανάλογα με την τιμή του κύριου κβαντικού αριθμού (n). Διαφορές: α) O Βohr θεώρησε την έννοια της (κυκλικής) τροχιάς του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα ενώ σύμφωνα με την κβαντομηχανική δεν υπάρχει η έννοια της τροχιάς παρά μόνο η πιθανότητα παρουσίας του ηλεκτρονίου σε στοιχειώδες τμήμα του χώρου γύρω από τον πυρήνα. β) Η θεωρία του Bohr χρησιμοποιεί έναν μόνο κβαντικό αριθμό ενώ στην κβαντομηχανική περιγραφή απαιτούνται 3 κβαντικοί αριθμοί για την περιγραφή της κατάστασης του ηλεκτρονίου. γ) Στην κβαντομηχανική το ηλεκτρόνιο περιγράφεται ως στάσιμο κύμα και ως σωματίδιο ενώ στη θεωρία του Bohr αποκλειστικά ως σωματίδιο. Θέμα Β Β1. α) 6, β) 4:1. Β. α) H Β, η Δ, γ) η Α, δ) η Γ. Β3. α) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 1. β) 11η (ΙΑ) ομάδα, 4η περίοδος, d τομέας. Β4. α) 1s. β) 1s s p 1. γ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 1 4s. δ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 10 4s 4p 5. ε) 1s s p 3. στ) 1s s 1. ζ) 1s s p 6 3s 3p 6 3d 5 4s. Θέμα Γ Γ1. α) i. To He είναι πιο δεξιά και πιο πάνω στον Π.Π. ii. He + (g) He + (g) + e, Εi > Εi1. β) Το στοιχείο με Ζ = 3 (Li). Γ. α) 4 στοιχεία με ατομικούς αριθμούς 14, 16,, 8. β) Το στοιχείο με Ζ = 8 (θα πρέπει να είναι πιο πάνω στην 16η ομάδα, άρα στη η περίοδο). γ) i. Ζ = 8, ii. Χ > Υ. Θέμα Δ Δ1. i. Βλέπε ένα Π.Π. ii. A-7, B-6, Γ-, Δ-3, Ε-4, ΣΤ-5, Ζ-1. Δ. Το Si (μεγάλη διαφορά μεταξύ Ei4 και Εi5, 4 ηλεκτρόνια σθένους). Δ3. A-7, B-1, Γ-, Δ-3, Ε-4, ΣΤ-5, Ζ-6. Δ4. i. P 3 : 1s s p 6 3s 3p 6. ii. F > Νa + > Si 4+ (ισοηλεκτρονιακά). 4

437 ΙΑ 1 1H 1s 1 ΙΙΑ 3Li 4Be [He]s 1 [He]s 11Na 1Mg [Ne]3s 1 [Ne]3s 19K 0Ca [Ar]4s 1 [Ar] 4s 37Rb 38Sr [Kr]5s 1 [Kr]5s 55Cs 56Ba [Xe]6s 1 [Xe]6s 87Fr 88Ra [Rn]7s 1 [Rn]7s Λανθανίδες Ακτινίδες 1Mg [Ne]3s 6C [He]s p 14Si [Ne]3s 3p 8O [He]s p 4 35Br [Ar]3d 10 4s 4p 5 104Rf [Rn]5f 14 6d 7s μέταλλα aμέταλλα μεταλλοειδή αέρια υγρά τεχνητά VIIIA ΙΙΙA ΙVA VA VIA VIIA He 1s Στοιχεία μετάπτωσης 5B 6C 7N 8O 9F 10Νe ΙΙΙB ΙVB VB VIB VIIB 3 VIIIB ΙB ΙIB [He]s p 1 [He]s p [He]s p 3 [He]s p 4 [He]s p 5 [He]s p 6 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Αr [Ne]3s 3p 1 [Ne]3s 3p [Ne]3s 3p 3 [Ne]3s 3p 4 [Ne]3s 3p 5 [Ne]3s 3p 6 1Sc [Ar]3d 1 4s Ti [Ar]3d 4s 3V [Ar]3d 3 4s 4Cr [Ar]3d 5 4s 1 5Mn [Ar]3d 5 4s 6Fe [Ar]3d 6 4s 7Co [Ar]3d 7 4s 8Ni [Ar]3d 8 4s 9Cu [Ar]3d 10 4s 1 30Zn [Ar]3d 10 4s 31Ga [Ar]3d 10 4s 4p 1 3Ge [Ar]3d 10 4s 4p 33As [Ar]3d 10 4s 4p 3 34Se [Ar]3d 10 4s 4p 4 35Br [Ar]3d 10 4s 4p 5 36Kr [Ar]3d 10 4s 4p 6 39Y [Kr]4d 1 5s 40Zr [Kr]4d 5s 41Nb [Kr]4d 4 5s 1 4Mo [Kr]4d 5 5s 1 43Tc [Kr]4d 6 5s 1 44Ru [Kr]4d 7 5s 1 45Rh [Kr]4d 8 5s 1 46Pd [Kr]4d 10 47Ag [Kr]4d 10 5s 1 48Cd [Kr]4d 10 5s 49In [Kr]4d 10 5s 5p 1 50Sn [Kr]4d 10 5s 5p 51Sb [Kr]4d 10 5s 5p 3 5Te [Kr]4d 10 5s 5p 4 53I [Kr]4d 10 5s 5p 5 54Xe [Kr]4d 10 5s 5p 6 57La [Xe]5d 1 6s 7Hf [Xe]4f 14 5d 6s 73Ta [Xe]4f 14 5d 3 6s 74W [Xe]4f 14 5d 4 6s 75Re [Xe]4f 14 5d 5 6s 76Os [Xe]4f 14 5d 6 6s 77Ir [Xe]4f 14 5d 7 6s 78Pt [Xe]4f 14 5d 9 6s 1 79Au [Xe]4f 14 5d 10 6s 1 80Hg [Xe]4f 14 5d 10 6s 81Tl [Xe]4f 14 5d 10 6s 6p 1 8Pb [Xe]4f 14 5d 10 6s 6p 83Bi [Xe]4f 14 5d 10 6s 6p 3 84Po [Xe]4f 14 5d 10 6s 6p 4 85At [Xe]4f 14 5d 10 6s 6p 5 86Rn [Xe]4f 14 5d 10 6s 6p 6 89Ac [Rn]6d 1 7s 104Rf [Rn]5f 14 6d 7s 105Ha [Rn]5f 14 6d 3 7s 106Sg [Xe]5f 14 6d 4 7s 107Bh [Xe]5f 14 6d 5 7s 108Hs [Rn]5f 14 6d 6 7s 109Mt [Rn]5f 14 6d 7 7s 110Ds 111Rg 11Cn 114Fl 116Lv 113Nh 115Mc 117Ts 118Og 58Ce [Xe]4f 6s 59Pr [Xe]4f 3 6s 60Nd [Xe]4f 4 6s 61Pm [Xe]4f 5 6s 6Sm [Xe]4f 6 6s 63Eu [Xe]4f 7 6s 64Gd [Xe]4f 7 5d 1 6s 65Tb [Xe]4f 9 6s 66Dy [Xe]4f 10 6s 67Ho [Xe]4f 11 6s 68Er [Xe] 4f 1 6s 69Tm [Xe]4f 13 6s 70Yb [Xe] 4f 14 6s 71Lu [Xe]4f 14 5d 1 6s 90Th [Rn]6d 7s 91Pa [Rn]5f 6d 1 7s 9U [Rn]5f 3 6d 1 7s 93Np [Rn]5f 4 6d 1 7s 94Pu [Rn]5f 6 7s 95Am [Rn]5f 7 7s 96Cm [Rn]5f 7 6d 1 7s 97Bk [Rn]5f 7 6d 1 7s 98Cf [Rn]5f 10 7s 99Es [Rn]5f 11 7s 100Fm [Rn]5f 1 7s 101Md [Rn]5f 13 7s 10No [Rn]6f 14 7s 103Lr [Rn]5f 14 6d 1 7s

438 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΑΤΟΜΙΚΩΝ ΜΑΖΩΝ Άζωτο 14 Άνθρακας 1 Αργίλιο 7 Άργυρος 108 Ασβέστιο 40 Βάριο 137 Βρώμιο 80 Θείο 3 Ιώδιο 17 Κάλιο 39 Κασσίτερος 119 Κοβάλτιο 59 Μαγγάνιο 55 Μαγνήσιο 4 Μόλυβδος 07 Νάτριο 3 Νικέλιο 59 Οξυγόνο 16 Πυρίτιο 8 Σίδηρος 56 Υδράργυρος 00 Υδρογόνο 1 Φθόριο 19 Φώσφορος 31 Χαλκός 63,5 Χλώριο 35,5 Χρώμιο 5 Ψευδάργυρος 65

439

440