Talna kemija. Kaj je potrebno poznati:

Transcript

1 Talna kemija Kaj je potrebno poznati: splošno kemijo mol, molaren, normalnost, ekvivalent ionska jakost, aktivnost ravnotežne konstante funkcionalne skupine hidratacija, hidroliza redoks reakcije Redoks potenciali ph kemijske vezi OPOZORILO V kolikor ti osnovni kemijski koncepti niso jasni potem obnovi znanje iz Kemije in Fizikalne kemije. Naslednji pregled je lahko v pomoč ne more pa nadomestiti osnovne literature!

2 Potrebni koncepti gram atomske teže (6 x atomov = 1 Mol) gram molekularne teže (6 x molekul = 1 Mol) Mol je količina elementa ali spojine, ki vsebuje Avogadrovo število atomov ali molekul Mol = gram/atomska ali molekulska teža

3 Potrebni koncepti Avogadrovo število Avogadrovo število = število C atomov v 12 gramih ogljika Avogadrovo število = število vodnih molekul v 18 gramih vode v talni kemiji uporabljamo Avogadrovo število za število osnovnih nabojev na površini ali ionih Npr. 1 mol Ca 2+ nosi 2 mola naboja (2 mola (c) ali 2 mola (+) ) Izračunaj število gramov v enem molu CaSO 4 x 7H 2 O Izračunaj število molov v 5 g NaWO 4 (M W =293.8 g/mol)

4 Potrebni koncepti - molarnost Molarnost: število molov v 1 litru raztopine molarnost (M) = mol/l Izračunaj molarnost, če je raztopina pripravljena iz 1.26 g AgNO 3 (FW= g/mol) v 250 ml. Koliko mmol AgNO 3 je bilo raztopljenih?

5 Potrebni koncepti dimenzionalna analiza Če imamo v tleh 4 cmol (+) Al 3+ /kg tal izračunaj, koliko kg Al 3+ je v tleh?

6 Potrebni koncepti - ekvivalenti ekvivalentna teža je atomska teža spojine deljena s številom reakcijskih enot ali ekvivalentov (g/eq) Npr. za Ca 2+ je reakcijska enota naboj, zato je ekvivalentna teža 20 g.

7 Potrebni koncepti - normalizacija normaliziramo na osnovno reakcijsko enoto (npr. proton, naboj) v talni kemiji je najbolj pogosta reakcijska enota naboj normaliteta je število ekvivalentov deljenih z volumnom Izračunaj, kakšna je ekvivalentna teža H 2 SO 4. Upoštevaj, da je reakcijska enota proton. Kakšna je normaliteta 1M raztopine H 2 SO 4?

8 Potrebni koncepti Enota meq/100 g je ekvivalentna cmol (c) /kg (centimoli naboja na kilogram) Primer: V 250 ml talnega ekstrakta je 3 mm Ca 2+. Izrazi v meq/g in v cmol (c) /kg

9 Potrebni koncepti Izražanje rezultatov za trdne vzorce %(w/w) = cg/g %0 (w/v) = mg/g ppm(w/w) = µg/g ppb(w/w) = ng/g ppt(w/w) = pg/g

10 Potrebni koncepti Izražanje rezultatov za tekoče vzorce %(w/v) = cg/ml %0 (w/v) = mg/ml ppm(w/v) = mg/l ppb(w/v) = µg/l ppt(w/v) = ng/l

11 Potrebni koncepti Izražanje rezultatov za plinske vzorce %(w/v) = cg/ml %0 (w/v) = mg/ml ppmv(w/v) = mg/l ppbv(w/v) = µg/l pptv(w/v) = ng/l

12 Potrebni koncepti lastnosti vode vodikove vezi (adhezija, kohezija) visoka dielektrična konstanta visoka površinska napetost edinstvene fizikalno kemijske lastnosti (točka tališča in vrelišča)

13 Potrebni koncepti - hidratacija hidratacija je urejena razporeditev vode okrog topljenca stabilnost hidratacijskega ovoja je odvisna od entalpije ( H h ) in entropije ( S h )hidratacije

14 Entalpija hidratacije za nekatere katione ion r (pm) H h (kj/mol) H Li Na K Rb Cs Be Mg Ca Sr Ba Ra

15 Povprečni zadrževalni čas vode v hidratacijskem ovoju (sekunde) Cr 3+ IV razred Al Fe 3+ III razred 10-4 Be 2+ Ni Mg 2+ Co 2+ Mn 2+ II razred Li + Cu + I razred

16 Potrebni koncepti - hidroliza hidroliza je kemijska reakcija pri kateri pride do cepitve vode to je hidratacija prignana do skrajnosti Fe 3+ O H H Fe 2+ O H H +

17 Potrebni koncepti hidratacija/hidroliza ioni z majhno velikostjo in visokim nabojem hidratirajo zelo močno in imajo najmočnejšo konstanto za hidrolizo, kar je posledica: -močnega električnega polja -močne vezave med vodnimi dipoli in ioni

18 Potrebni koncepti - aktivnost aktivnost raztopine je definirana kot a A =γ A x A, kjer je aa aktivnost, γ A je koeficient aktivnosti in x A je molska koncentracija topljenca aktivnostni koeficient, γ A, idealne raztopine je 1 deviacija od 1 izraža stopnjo neidealnega obnašanja raztopine aktivnostni koeficient se približuje 1 pri neskončnem razredčevanju limγ A 1 ko gre x A 1 odklon od idealnega obnašanja raztopine zmanjšuje aktivnost snovi

19 Potrebni koncepti nespecifične dolge interakcije vodne raztopine imajo težnjo, da so elektronevtralne, zato se ioni z nasprotnim nabojem združujejo in tako stabilizirajo ione v raztopini interakcije med ioni, ki so večje od 0.5 nm, imenujemo tudi nespecifične dolge elektrostatske interakcije nespecifične dolge interakcije povzročajo neidealno obnašanje raztopine, ki se povečuje z: -valenco - številom ali koncentracijo spojine

20 Potrebni koncepti ionska jakost ionska jakost (IS) = 1 2 Ciz 2 kjer je C koncentracija iona in z njegov naboj Izračunaj ionsko jakost 0.005M NaCl in 0.005M CaCl 2.

21 Koeficient aktivnosti različnih talnih ionov pri ionski jakosti 0.1 ion γ H Na HCO 3-, H 2 PO OH -, F -, MNO K +, Cl -, NO 2-, NO Cs +, NH Mg Ca 2+, Cu 2+, Zn 2+, Fe Cd 2+, S Pb 2+, CO 2-3, MoO SO 2-4, SeO 2-4, HPO Al 3+, Fe 3+, Cr PO

22 Potrebni koncepti - aktivnost K + Cl - γ 0.6 Mg H + CO ionska jakost

23 Izračun aktivnostnega koeficienta, γ A uporabne so različne empirične enačbe odvisno od ionske jakosti talne raztopine Debye-Huckel (IS < M) razširjeni Debye-Huckel (IS < 0.1 M) Davies (IS < 0.5 M)

24 Izračun aktivnostnega koeficienta Razširjena Debye-Huckel enačba (IS < 0.1 M) log γi 1/ 2 2 I = Azi 1/ 2 1+ BaI i A je konstanta, ki je povezana z dielektrično konstanto vode ( A=0.5 pri 298 K), B je konstanta, ki je tudi povezana z dielektrično konstanto vode ( B=0.33 pri 298 K), a je velikost hidratiranega iona, z je naboj iona in I je ionska jakost.

25 Druge interakcije med topljenci, ki znižujejo aktivnost prisotnost ligandov (anorganskih in organskih) ionski pari (> 0.5 nm) ionski kompleksi kratke interakcije (< 0.5 nm) nespecifične ionske interakcije ionski pari ionski kompleksi A - M + M + A - M + -A - > 0.5 nm < 0.5 nm

26 Ionski pari/kompleksacija kationi/anioni z visokim nabojem (>2) anorganski ioni (drugi kot NO 3- in Cl - ) prisotnost tranzicijskih kovin/nevtralnih ali anionskih organskih molekul visoka koncentracija kompleksirajočih ligandov visok ph in prisotnost polivalentnih (2+ ali 3+) kationov

27 Ravnotežna konstanta AB K eq = A + B [A] [B] [AB] Večja K eq pomeni večjo količino A in B glede na AB

28 Ravnotežne konstante ravnotežna konstanta (K eq ) disociacijska konstanta za kisline (K a ) disociacijska konstanta za baze (K b ) kostanta stabilnosti ali formacijska konstanta (K s, K f ) konstanta topnostnega produkta (K sp )

29 Topnostni produkt, K sp ravnotežna konstanta, ki povezuje topnost substance in koncentracijo njenih ionizacijskih produktov AgCl (s) Ag + + Cl - K sp = [Ag + ] [Cl - ] CaCl 2(s) Ca Cl - K sp = [Ca 2+ ] [Cl - ] 2

30 Topnostni produkt, K sp če je konc. soli manj kot K sp je raztopina nenasičena če je konc. soli enaka K sp je nasičena če je konc. soli več kot K sp je supernasičena skupni ion zmanjša topnost soli različni ion poveča topnost soli Kakšna mora biti konc. dodanih Ag + ionov, da pride do nasičenja AgCl v 1 mm raztopini NaCl (K sp za AgCl = 1 x )?

31 Kislinsko-bazno ravnotežje - modeli Arrheniusova teorija: kislina v vodi ionizira do H +, baza ionizira do OH - Bronstedova teorija: kislina lahko da proton in baza ga lahko sprejme Lewisova teorija: kislina lahko sprejme elektronski par in baza lahko odda elektronski par

32 Kislinsko-bazno ravnotežje trda/mehka kislinsko/bazna teorija (Lewisova teorija) trda kislina - visok naboj in majhna velikost mehka kislina - nizek naboj in velika molekula trda baza - nizka polarizabilnost in visoka elektronegativnost mehka baza - visoka polarizabilnost in nizka elektronegativnost

33 Kislinsko-bazno ravnotežje Lewisove kisline Lewisove baze trde kisline trde baze H +, Li +, Na +, K +, Be 2+ H 2 O, OH -, F - Mg 2+, Ca 2+, Sr 2+, Fe 3+, PO 3-4, SO 2-4, Cl -, Al 3+ NO 3-, CO 2-3 prehodne kisline prehodne baze Cr 2+, Mn 2+, Fe 2+, Co 2+ Br -, NO 2-, N 2 mehke kisline Ag +, Au +, Ti +, Cu 2+, Zn 2+ Cd 2+, Hg 2+, Pb 2+ mehke baze I -, CN -, CO

34 Kislinsko-bazno ravnotežje amfoterna narava M(OH) hidroksid se lahko obnaša kot Bronstedova baza ali kot Lewisova kislina baza Al(OH) 3 + 3H 3 O + Al H 2 O kislina Al(OH) 3 + OH - Al(OH) 4 - konjugirana baza in kislina

35 Kislinsko-bazno ravnotežje konjugirani pari HOCl + H 2 O OCl - + H 3 O + pka = 7.96 HIO 3 + H 2 O IO 3- + H 3 O + pka= 0.77 voda hidrolizira (iz protona nastane oksonijev ion) 2H 2 O H 3 O + + OH - topnostni produkt Kw = [H + ] [OH - ] = 1 x 10-14

36 Kislinsko-bazno ravnotežje pufri so mešanice šibkih kislin ali baz in njihovih soli Henderson/Hasselbach enačba: ph = pk a + log[sol]/[kislina] pk a = -log[k a ] npr. ph = pk + log[coo - ]/[COOH] Izračunaj ph raztopine narejene iz 10 ml 0.10 M ocetne kisline in 20 ml 0.10 M natrijevega acetata, K a = 1.73 x 10-5.

37 Redoks reakcije transfer elektronov oksidacijska izguba elektrona redukcijska pridobitev elektrona npr. CH 4 + 2O 2 CO 2 + H 2 O FeS 2(s) + O 2 Fe(OH) 3(s) + SO 2-4

38 Standardni redoks potenciali za pomembnejše reakcije elementov in spojin v tleh redoks reakcija Eh 0 (V) Mn 3+ + e - Mn MnOOH + 3H + + e - Mn H 2 O /5NO /5 H + + e - 1/10N 2 + 3/5H 2 O /2MnO 2 + 2H + + e - 1/2Mn 2+ + H 2 O /4O 2 + H + + e - 1/2H 2 O Fe(OH) 3 + 3H + + e - Fe H 2 O /2NO 3- + H + + e - 1/2NO /2H 2 O Fe 3+ + e - Fe /2O 2 + H + + e - 1/2H 2 O /8SO 2 + 5/4 H + + e - 1/8H 2 S + 1/2H 2 O /6N 2 + 4/3 H + + e - 1/3NH /8CO 2 + H + + e - 1/8CH 4 + 1/4H 2 O H + + e - 1/2H

39 Standardni redoks potenciali za pomembnejše reakcije elementov in spojin v tleh redoks reakcija Eh 0 (V) H + + e - 1/2H Fe e - Fe S + 2e - S Mn e - Mn Al e - Al Mg e - Mg Na + + e - Na Ca e - Ca K + + e - K Li + + e - Li -3.05

40 Različni izračuni redčitve; C 1 V 1 = C 2 V ml talne raztopine ima koncentracijo 3000 ppm. Izračunaj koliko ml je potrebno dodati 100 ml da dobimo 500 ppm? Koliko ml koncentrirane H 2 SO 4 (94%) je potrebno za pripravo 1 L 1 M raztopine? Gostota je 1.83 g/cm 3?

41 Atomske lastnosti /periodni trendi ATOMSKI RADIJI padanje naraščanje

42 Atomske lastnosti /periodni trendi ENERGIJA IONIZACIJE naraščanje padanje

43 Atomske lastnosti /periodni trendi ELEKTRONEGATIVNOST naraščanje padanje

44 Kemijske vezi kovalentna vez (elektron enakomerno porazdeljen med atomi) ionska vez (prenos 1 eli več elektronov, elektron samo na enem atomu) To sta ekstrema v odvisnosti od elektronegativnosti atomov ločimo: ionsko vez EN >1.7 polarno kovalentno vez EN = nepolarno kovalentno vez EN < 0.5 koordinativna vez (oba elektrona da donorski atom, drugi atom omogoča akomodirajočo orbitalo) vodikova vez (neenakomerna porazdelitev elektronov med H in F,O,N,Cl) ion - dipol vez (molekule zaradi dipola privlečene k ionom, hidratacija) Van der Waalsove sile (neravnovesje porazdelitve elektronov povzroči trenutni nastanek dipola, vez med delci v tleh)