Α. Ιοντισμός ασθενούς οξέος και ασθενούς βάσης - Σταθερές ιοντισμού Κα και Κβ.

Transcript

1 Α. Ιοντισμός ασθενούς οξέος και ασθενούς βάσης - Σταθερές ιοντισμού Κα και Κβ. Ο ιοντισμός ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ, σε αραιό υδατικό διάλυμα, περιγράφεται από τη χημική εξίσωση: ΗΑ + Η 2 Ο Α + Η 3 Ο + Η σταθερά χημικής ισορροπίας για τον ιοντισμό του οξέος είναι: (1) Στη (1), αν λάβουμε υπόψη ότι [Η 2 Ο]=55,5 Μ =σταθ., μπορούμε να γράψουμε: (2) Η έκφραση (2) μας παρουσιάζει τη σταθερά ιοντισμού ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ Σχόλια: H Κ a έχει μονάδα mol/l, οι οποίες όμως παραλείπονται χάρη ευκολίας. Η τιμή της Κ a για ορισμένο οξύ σε υδατικό διάλυμα, εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. (Οι αντιδράσεις ιοντισμού είναι ενδόθερμες, αύξηση της θερμοκρασίας μετατοπίζει την ισορροπία προς τα δεξιά, με αποτέλεσμα η τιμή της Κ a να αυξάνεται και αντίστροφα). Η τιμή της Κ a είναι ένα μέτρο της ισχύος ενός οξέος, για μία ορισμένη θερμοκρασία. (Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της Κ α, τόσο ισχυρότερο είναι το οξύ). Η τιμή της Κ a δεν εξαρτάται από τη συγκέντρωση του διαλύματος ΗΑ, ούτε από το αν τα ιόντα του οξέος προέρχονται όλα ή μέρος αυτών από το ασθενές οξύ. Στους ισχυρούς ηλεκτρολύτες δεν ορίζεται σταθερά ιοντισμού. Ανάλογα ισχύουν και για τον ιοντισμό μιας ασθενούς βάσεως Β: Β + Η 2 Ο ΗΒ + + ΗΟ - Η σταθερά ιοντισμού της ασθενούς βάσεως (3) Και φυσικά η αναλογία αφορά και τα σχόλια!

2 Β. Νόμος αραίωσης του Ostwald Ο νόμος αραίωσης του Ostwald είναι μία σχέση που συνδέει τα δύο μεγέθη που καθορίζουν την ισχύ ενός ασθενούς ηλεκτρολύτη, δηλαδή το βαθμό ιοντισμού α και τη σταθερά ιοντισμού Κ a ή K b. Έστω n τα αρχικά moles του οξέος που προσθέσαμε στο νερό και n x τα moles που έχουν υποστεί ιοντισμό. Τότε: α= n x /n n x = α. n {διαίρεση με τον όγκο V (lt) του δ/τος} x=α.c Επομένως ο ιοντισμός του ασθενούς οξέος, εκφράζεται με τον παρακάτω πίνακα, στον οποίο ΔΕΝ ΛΑΜΒΑΝΕΤΑΙ ΥΠΟΨΗ Ο ΙΟΝΤΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ, λόγω σιωπηρής συμφωνίας ότι τα οξώνια που δίνει στο διάλυμα το ασθενές οξύ δημιουργούν συγκέντρωση μεγαλύτερη από 10-6 Μ Αντίδραση ΗΑ + Η 2 Ο Α + Η 3 Ο + Αρχικά Ιοντίζονται παράγονται Κατάσταση Ισορροπίας C -αc +αc +αc C(1-α) +αc +αc Έχουμε: - α K a = 1c 2 α (4) Αν α 10-1 ή Κa/c 10-2 τότε: K a =α 2 c (5) Σχόλια: Η εξίσωση (4) εκφράζει τον νόμο του Ostwald για μονοπρωτικό οξύ και η (5) την απλοποιημένη μορφή του. Η σχέση (5) λέει ότι όταν αυξάνεται η θερμοκρασία η τιμή των Κ a, K b αυξάνεται άρα αυξάνεται και η τιμή του α και αντίστροφα. Όταν αυξάνεται η συγκέντρωση (συμπύκνωση) η τιμή του α ελαττώνεται και αντίστροφα. ( 1 ) Φτάσαμε στη (5) χωρίς να λάβουμε υπόψη τον ιοντισμό του νερού. Επομένως η (5) δεν ισχύει για ιδιαίτερα αραιά διαλύματα (παράδειγμα για διάλυμα CH 3 COOH με C o =10-7 M).

3 Ας δούμε τον πίνακα ιοντισμού ασθενούς οξέος, χωρίς την παρουσία του βαθμού ιοντισμού στον πίνακα που θα φτιάξουμε: Αντίδραση ΗΑ + Η 2 Ο Α + Η 3 Ο + Αρχικά Ιοντίζονται παράγονται Κατάσταση Ισορροπίας C -x +x +x C-x +x +x x 2 Νόμος Ostwald : K a = c- x Αν α 10-1 ή Κa/c 10-2 τότε: K a = c x 2 (Απλοποιημένη μορφή) ΣΗΜΕΙΩΣΗ Ανέπτυξα παραπάνω τον νόμο του Ostwald εργαζόμενος με ασθενές οξύ. Εντελώς ανάλογα ισχύουν και για τη περίπτωση ασθενούς βάσης. ( 1 ) Ερώτηση : Είναι ισχυρό ένα οξύ σε διάλυμα του οποίου α 1; Όταν ένα ασθενές οξύ ή μια ασθενής βάση βρίσκεται σε διάλυμα με συγκέντρωση πολύ μικρή { [ΗΑ]<10-6 }, τότε βαθμός ιοντισμού α μπορεί να αγγίξει την τιμή 1. Σε αυτές τις συνθήκες το οξύ ή η βάση συμπεριφέρεται ως ισχυρό (-ά)! Το ίδιο οξύ ή η βάση σε αραιά διαλύματα είναι ασθενές (-ής). Το παραπάνω σκεπτικό δικαιολογεί το γιατί επιλέχτηκε η Ka και η Kb να καθορίζουν την ισχύ ενός ασθενούς ηλεκτρολύτη.

4 Γ. Σχέση που συνδέει την Κa οξέος και την Κb της συζυγούς βάσης Μέσα σε καθαρό νερό ρίχνουμε το ασθενές οξύ ΗΑ. Θα έχουμε μερικό ιοντισμό του οξέος που καταγράφεται από την εξίσωση : ΗΑ + Η 2 Ο Α + Η 3 Ο + (1) Το ιόν Α - (συζυγής βάση του ΗΑ) και τα λοιπά ιόντα με τα οποία το Α - συνυπάρχειοφείλουν να ικανοποιούν και την ισορροπία: Α - + Η 2 Ο ΗΑ + ΟΗ - (2) Επιπλέον και την ισορροπία που περιγράφεται με το σχήμα: Η 2 Ο + Η 2 Ο Η 3 Ο + + ΟΗ - (3) Οι ισορροπίες (1), (2) και (3) συνυπάρχουν στη «σούπα» ιόντων και μορίων που δημιουργήθηκε με τη πράξη της προσθήκης του ΗΑ στο νερό. Στην αναρχία της «σούπας» υπάρχει τάξη! Μια τάξη που επιβάλλουν οι σταθερές ιοντικής ισορροπίας των αντιδράσεων που ανέγραψα. Έστω ότι στο διάλυμα-«σούπα» οι οριστικές συγκεντρώσεις είναι: [ΗΑ], [Α - ], [Η 3 Ο + ], [ΟΗ - ] και φυσικά του νερού 55,5 Μ. Αυτές οι συγκεντρώσεις πρέπει να ικανοποιούν ΟΛΕΣ τις ισορροπίες και κατ επέκταση τις σταθερές ιοντισμού. Επομένως: (4) Ποια είναι η αξία της σχέσης (4); Μπορούμε να κατανοήσουμε γιατί σε «ισχυρό» οξύ αντιστοιχεί «ιδιαίτερα ασθενής» συζυγής βάση και αντιστρόφως. Μπορούμε να κατανοήσουμε γιατί σε ένα «μετρίως ισχυρό» οξύ αντιστοιχεί σε μια επίσης «μετρίως ισχυρά» συζυγή βάση. Μπορούμε να προβλέψουμε προς ποια μεριά θα είναι μετατοπισμένη μια ισορροπία οξέος και της συζυγούς αυτού βάσης (Πάντα προς το ασθενέστερο οξύ και τη ασθενέστερη βάση )

5 Ας δούμε ένα παράδειγμα ισορροπίας ασθενούς βάσης : Διάλυμα NH 3 0,1 Μ έχει Κ b =10-5. Να βρεθεί ο βαθμός ιοντισμού της NH 3 στο διάλυμα αυτό και το P H του διαλύματος. Δημιουργούμε τον πίνακα: Αντίδραση NH 3 + Η 2 Ο ΝΗ ΗΟ - (1) Αρχικά Ιοντίζονται παράγονται Κατάσταση Ισορροπίας C -x +x +x C-x +x +x Η σταθερά ιοντικής ισορροπίας δίνει: K b = x 2 x 2 αφού Κ b /c =10-5 /0.1 = K b = c- x c x=10-3 [OH-] = 10-3 ή [Η 3 Ο + ]=10-11 Επομένως Ρ Η = 11 και α = x/c = 10-2 ή 1% Ας προχωρήσουμε ένα βήμα παραπέρα: Γράφουμε την ισορροπία: ΝΗ Η 2 Ο NH 3 + Η 3 Ο + (2) Οι συγκεντρώσεις πρέπει να ικανοποιούν και τη σταθερά ιοντισμού Κ a της (2). Πράγματι: Κ a = ( 10-1 ). ( ) / (10-3 ) = 10-9 αναμενόμενη τιμή! Τιμές που έδωσε η μελέτη της (1) Τι παρατηρούμε; Οι εξισώσεις (1) και (2) αναφέρονται στην ΙΔΙΑ ισορροπία που αφορά το συζυγές ζεύγος. Η ποσοτική μελέτη της (1) είναι αρκετή για να μελετηθεί η ισορροπία του συζυγούς ζεύγους ΝΗ 3 και ΝΗ + 4 και η μελέτη της (2) θα ήταν ένας πλεονασμός. Πράγματι! Στην (2) μετά τη μελέτη της (1)- ποιος είναι ο άγνωστος; ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Σε διάλυμα όπου υπάρχει ισορροπία συζυγούς ζεύγους δημιουργείται μια «σούπα» ιόντων, τα οποία ικανοποιούν την ισορροπία του ζεύγους. Η ποσοτική μελέτη αυτής της ισορροπίας μπορεί ολοκληρωθεί αν εργαστούμε είτε έχοντας αριστερά το οξύ είτε τη συζυγή του βάση. Τα δεδομένα αποφασίζουν τη προτίμησή μας!

6 Δ. Προς ποια κατεύθυνση είναι μετατοπισμένη μια ισορροπία συζυγούς ζεύγους; Ο πίνακας 3.2 που ακολουθεί, αφορά συζυγή ζεύγη οξέων βάσεων και μας δίνει τη δυνατότητα να δούμε : Ότι στους 25 o C ότι K a.k b = Προς ποια κατεύθυνση είναι μετατοπισμένη μια ισορροπία σ.ζ. συγκρίνοντας τις K a των οξέων ή τις K b των βάσεων.