KEMIJSKA RAVNOTEŽA II

Transcript

1 Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebu Seminar 08 EMIJSA RAVNOTEŽA II Ravnoteže u otopinama elektrolita 1 dr. sc. Biserka Tkalčec dr. sc. Lidija Furač

2 EMIJSA RAVNOTEŽA II - uvod ELETROLITI: tvari koje u otopinama disociraju na ione OTOPINE ISELINA, BAZA I SOLI OTOPINE ELETROLITA JAI ELETROLITI : potpuno disociraju na ione, dobri vodiči el. struje (npr. HCl, HNO 3, Cl, Na SO 4 ) SLABI ELETROLITI : djelomočno disociraju na ione, nedisocirane molekule BA su u ravnoteži s hidratiziranim ionima B i A - BA B (aq) A - (aq)

3 EMIJSA RAVNOTEŽA II - uvod Ravnoteže u vodenim otopinama elektrolita: 1) ravnoteže u otopinama jakih i slabih kiselina i baza ) ravnoteže u otopinama soli - hidroliza 3) ravnoteže u otopinama kompleksa 4) ravnoteža između otopine i neotopljenog kristala 5) redoks ravnoteže

4 EMIJSA RAVNOTEŽA II - uvod Općeniti prikaz ravnotežne reakcije disocijacije: BA B A - onstanta ravnoteže prikazane reakcije: c [ B ][ A ] [ AB]

5 EMIJSA RAVNOTEŽA II - w VODENE OTOPINE 1) Ionski produkt vode Amfoterni karakter vode Autoprotoliza vode: H O H O H 3 O OH - baza kiselina kiselina baza onstanta autoprotolize vode: c [ H O ][ OH ] 3 [ H O]

6 EMIJSA RAVNOTEŽA II w Voda vrlo slabo disocira vrlo slabi elektrolit [H O] c (H O) [ ] oznaka za ravnotežnu koncentraciju tvari c ( ) oznaka za ukupnu koncentraciju tvari U razrijeđenim vodenim otopinama je voda u velikom suvišku s obzirom na otopljenu tvar (tvari) [H O] T c (H O) T konst.

7 EMIJSA RAVNOTEŽA II - w Pri 5 0 C: ρ (H O) 0 5 C V (H O) 1 L 997,0479 g / L m (H O) ρ x V [H O] c (H O) c [ ][ ] H O OH 3 n V [ H O] (H (H O) O) m((ho) M (H O) V (H 997,0479 g/l 1L O) 18,0153 g/mol 1L 3,65 x ,3445 M c [ ] [ ][ ] 18 H O H OH ,3445 M M w [ H ][ OH ] mol /dm 6

8 EMIJSA RAVNOTEŽA II- ph Pri 5 0 C: potpuno čista voda : [H ] [OH - ] 10-7 M U svim vodenim otopinama: [H ] > 10-7 M ISELA OTOPINA [H ] < 10-7 M LUŽNATA OTOPINA

9 EMIJSA RAVNOTEŽA II - ph SÖRENSEN : [ ] H / mol dm 3 10 ph ph - log ( [ ] 3 H ) / mol dm analogno: poh - log ( [ ] - 3 OH ) / mol dm ph poh p w Pri 5 0 C: ph poh p w 14 Za c (H ) < 0.1 mol dm -3 < ph < 1 je mjerljiv

10 EMIJSA RAVNOTEŽA II aktivitet iona ATIVITET IONA a c (B) N. Lewis : B 0 B -3 y c c B y c B moldm a c y B c B relativni aktivitet tvari (jedinke) B koeficijent aktiviteta tvari (jedinke) B koncentracija tvari (jedinke) B c 0 standardna koncentracija referentne otopine 1 mol dm -3

11 EMIJSA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona Vrijednosti koeficijenta aktiviteta za monovalentne i divalentne ione u otopinama jakih (pravih) elektrolita (npr. Cl, NO 3,, HCl; ZnSO 4 ) : c (ion) y (ion) monovalentni divalentni 0,1 M 0,80 0, M ,39 0,001 M 0,96 0,73 <0,001 M 1,00

12 EMIJSA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona Jaki elektroliti P. Debye, E. Hückel (5 0 C), ako je c (ion) < 0.01 M: log y i I mol dm c 0,5 z z 3 I c n i 1 ci zi, i 1,,3,... n z, z -...z i I c c i naboj kationa i aniona ionska jakost otopine (na temelju koncentracija) koncentracija pojedinog kationa, odn. aniona u otopini

13 EMIJSA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona Ravnotežna reakcija : AB A B - Termodinamička konstanta ravnoteže : f ( T ) a A a a AB B oncentracijska konstanta ravnoteže : c f ( T,c) [ A ][ B ] [ AB] c, jer aktivitet iona ovisi o koncentraciji

14 EMIJSA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona c f (T )... samo za vrlo, vrlo razrijeđene otopine: slabi elektroliti : c < 0.1 M y 1 jaki elektroliti : c < M a c ILI uz stalnu veliku ionsku jakost otopine, što se postiže dodatkom u otopinu indiferentnog elektrolita (ne učestvuje u ravnotežnoj reakciji) u koncentraciji puno većoj od koncentracije sudionika promatrane ravnotežne reakcije, npr. c (NaClO 4 ) M. Tada ionsku jakost određuje taj elektrolit, pa se aktiviteti iona u promatranoj ravnotežnoj reakciji mogu smatrati konstantnima, bez obzira na promjenu njihove koncentracije (ali u dozvoljenim granicama). Samo tada se smije u izraz za konstantu ravnoteže uvrstiti koncentracija vrsta, umjesto njihova aktiviteta.

15 EMIJSA RAVNOTEŽA II- kiseline 1) VODENE OTOPINE MONOPROTONSIH ISELINA HA H O H 3 O A - kiselina baza kiselina baza ili skraćeno, HA H A -, [ H ][ A ] [ HA][ H O] Jer je koncentracije vode konstantna, [ ] [ H ][ A ] H O [ HA] onstanta ionizacije kiseline

16 EMIJSA RAVNOTEŽA II- jake kiseline a) jake kiseline: potpuno disocirane HA H A - ph - log a (H ) c (kis.) c (H ) 1.) ph - log [H ] - log c (kis.) ako je y 1 (c < 0.001).) ph - log a (H ) - log y c (kis.) ako je y < 1 (c < 0.1 M i c > 0.001M ) Primjer računa za vrlo, vrlo razrijeđenu otopinu HCl, c (HCl) 10-8 M, kada se disocijacija vode ne smije zanemariti (seminarski zadatak).

17 EMIJSA RAVNOTEŽA II- slabe kiseline b) slabe kiseline: djelomično disocirane HA H A - [ H ][ A ] [ HA] [H ] [A - ] c (ionizirane kiseline) [HA] ravnotežna koncentracija neionizirane kiseline [HA] c (kiseline) c (kiseline) ionizirana c (kiseline) [A - ] tj. [H ] [ H ] c(kiseline) - [ H ] ph

18 EMIJSA RAVNOTEŽA II slabe kiseline Računanje ph slabe kiseline 1.) bez aproksimacije: [ H ] [ H ] c (HA) 0 [H ] ph.) aproksimativno: [H ] [A - ] << [HA] [HA] c (HA) HA je slabo disocirana, pa se uz približni uvjet, c (HA) > 10 - M), (HA) < 10-3 M može smatrati: [ ] H c ( HA) [ H ] c (HA) riterij procjene: 1. stupanj ionizacije, α > 3 % račun bez aproksimacije. stupanj ionizacije, α 3 % aproksimativni račun

19 EMIJSA RAVNOTEŽA II - stupanj ionizacije Stupanj ionizacije, α: c(ha) c(ha) ukupno [ H ] [ ] ionizirano α ukupno c(ha) ukupno H α c(ha) 1.) bez aproksimacije: [ H ] α c ( HA) α c( HA) c( HA) [ H ] c( HA) α c( HA) 1-α.) aproksimativno: c( [ H ] HA) α c ( HA) c( HA) α c( HA)

20 EMIJSA RAVNOTEŽA II jake baze a) jake baze: Hidroksidi alkalijskih i zemnoalkalijskih elemenata, osim Be(OH) potpuno disocirane MeOH Me OH - Me(OH) Me OH - c (OH - ) c (baza) c (OH - ) c (baza) 1.) poh - log [OH - ] - log c (baza); - log c (baza).) poh - log a(oh - ) - log y c (baza); - log y c (baza) y 1 (c < 0.001) y < 1 (c < 0.1 M i c > 0.001M) ph poh 14 ph 14 - poh

21 EMIJSA RAVNOTEŽA II- slabe baze b) slabe baze: djelomično disocirane B H O BH OH - B [ BH ][ OH ] [ B] [BH ] [OH - ] c (ionizirana baza) [B] ravnotežna koncentracija neionizirane baze [B] c (baza) c (baza) ionizirana c (baza) [BH ] tj. [OH - ] B c(baze) [ OH ] [ - OH ] poh

22 EMIJSA RAVNOTEŽA II slabe baze Računanje ph slabe baze 1.) bez aproksimacije: [ OH ] [ OH ] c(b) 0 [OH - ] B B poh ph.) aproksimativno: [OH - ] [BH ] << [B] [B] c (B) B je slabo disocirana, pa se uz približni uvjet, c (B) > 10 - M), (B) < 10-3 M može smatrati: B [ ] OH c( B) [ OH ] c B (B) ph riterij procjene: 1. stupanj ionizacije, α > 3 % račun bez aproksimacije. stupanj ionizacija, α 3 % aproksimativni račun

23 EMIJSA RAVNOTEŽA II - stupanj ionizacije Stupanj ionizacije, α: c(b) c(b) [ OH ] [ ] ionizirana α c(b) OH α c(b) 1.) bez aproksimacije: - [ OH ] α c ( B) α c( B) [ ] α α B c( B) OH c(b ) c( B) 1-.) aproksimativno: - [ OH ] α c ( B) B α c( B) c( B) c( B)

24 1. M. Sikirica, Stehiometrija: Domaća zadaća zadatci: ; ; 10.9.; ; I. Filipović, Opća i anorganska kemija I: zadatak: Izračunajte ph vodene otopine klorovodične kiseline, c (HCl) 10-7 M. R: ph 6,79 4. a) U vodenoj otopini natrijeva hidroksida, c (NaOH) 0,005 M izmjerena vrijednost ph otopine je, ph 11,66. Izračunajte koeficijent aktiviteta otopine. b) Volumen od 5 ml te otopine otpipetiran je u odmjernu tikvicu od 50 ml te je tikvica nadopunjena destiliranom vodom do oznake. Izračunajte ph tako pripremljene otopine natrijeva hidroksida. c) oliki je koeficijent aktiviteta hidroksidnog aniona u pripremljenoj otopini? Obrazložite! R: a) y 0,9; b) ph 10. c) zaključite sami 5. U vodenoj otopini klorovodične kiseline izračunati ph otopine iznosi, ph 1,85, a izmjereni ph otopine je, ph 1,80. Izračunajte a) koncentraciju klorovodične kiseline u otopini; b) koeficijent aktiviteta vodikovog iona u otopini. R: a) c (HCl) 0,0158 M; b) y 0,89

25 Domaća zadaća - nastavak 6. U tikvici volumena 1 L je u nešto destilirane vode otopljena točno izvagana masa barijeva hidroksida oktahidrata, nakon čega je tikvica nadopunjena destiliranom vodom do oznake. U dobivenoj otopini je izmjeren ph 1,3. a) Izračunajte koncentraciju otopine barijeva hidroksida, ako je koeficijent aktivitet hidroksidnog iona u otopini, y 0,58. b) Izračunajte masu barijeva hidroksida oktahidrata koju ste otopili za pripremu zadane otopine. R: a) c ((Ba(OH)) 0,01 M; b) m ((Ba(OH) 8 HO) 3,153 g 7. U otopini octene kiseline izmjeren je ph 3,5. onstanta ionizacije octene kiseline je, 1, M. Izračunajte a) ravnotežnu koncentraciju OH - i CH 3 COO - iona, b) ravnotežnu koncentraciju neionizirane kiseline i ukupnu množinsku koncentraciju kiseline u otopini, c) stupanj ionizacije kiseline u otopini. R: a) [OH - ] 3, M; b) [CH 3 COOH] 5, M; c (CH 3 COOH) 5, M ; c) α 5,4 % 8. Stupanj ionizacije kloroctene kiseline u vodenoj otopini, c (CH ClCOOH) 0,051 M, iznosi, α 15 %. Izračunajte a) ph otopine, b) koncentraciju neionizirane kiseline i c) konstantu ionizacije kiseline. R: a) ph,1; b) 0,0443 M; c) 1, M

26 Domaća zadaća - nastavak 9. Izračunajte volumen vode koju treba dodati u 0,5 dm 3 vodene otopine amonijaka, c (NH 3 ) M, da bi se stupanj ionizacije kiseline u otopini udvostručio. (NH 3 ) 1, M. R: V (H O) 1,5 L 10. Izračunajte množinsku koncentraciju mravlje kiseline u vodenoj otopini, ako je stupanj ionizacije mravlje kiseline u otopini jednak stupnju ionizacije dušikaste kiseline u otopini u kojoj je masena koncentracija dušikaste kiseline, γ (HNO ) 0,5076 g dm -3. (HCOOH) 1, M; (HNO ) M. R: c (HCOOH) 4, M 11. A) U nekoj vodenoj otopini u kojoj je koncentracija amonijaka, c (NH 3 ) M, izmjeren je ph 14. Izračunajte a) ravnotežnu koncentraciju amonijeva iona u otopini b) stupanj ionizacije amonijaka u otopini. (NH 3 ) 1, M B) oliki će biti a) ph otopine b) ravnotežna koncentracija amonijeva iona i c) stupanj ionizacije amonijaka, ako otopina sadrži samo amonijak jednake koncentracije od M? R: A) a) [NH 4 ] 36 µmol/l; b) α 0,0018 %; B) a) ph 1,44; b) [NH 4 ] 6 mmol/l; c) α 0,3 %