Οξέα και Βάσεις ΟΡΙΣΜΟΙ. Οξύ Βάση + Η +

Transcript

1 Οξέα και Βάσεις ΟΡΙΣΜΟΙ Arrhenius: ΟΞΕΑ : ενώσεις που παρέχουν σε υδατικό διάλυµα Η + ΒΑΣΕΙΣ: ενώσεις που παρέχουν σε υδατικό διάλυµα ΟΗ - Bronsted και Lowry: ΟΞΕΑ: Ουσίες που δρουν ως δότες πρωτονίων ΒΑΣΕΙΣ: Ουσίες που δρουν ως δέκτες πρωτονίων Οξύ Βάση + Η + Τύποι Οξέων Μοριακά HNO 3, H 2 SO 4, H 2 O, H 2 S, CH 3 COOH Ανιοντικά HSO - 4, H 2 PO - 4, HPO ,, HCO 3 Κατιοντικά ΝΗ + 4, εφυδατωµένα κατιόντα [Al(H 2 O) 6 ] 3+, [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ Τύποι βάσεων Μοριακές ΝΗ 3, CH 3 NH 2, H 2 O Ανιοντικές HSO - 4, OH -, I -, CO 2-3 (γενικά κάθε ανιόν) Κατιοντικές [Al(H 2 O) 5 (OH)] 2+

2 Αµφιπρωτικές Ουσίες ή Αµφολύτες Ουσίες που δρουν ως οξέα ή βάσεις, ανάλογα µε τις συνθήκες. Τα συνηθέστερα οξέα είναι µοριακού χαρακτήρα (π.χ Η 2 Ο) Οι συνηθέστερες βάσεις είναι ανιοντικές (π.χ. HSO - 4, HCO - 3 ) Όσο ισχυρότερο είναι ένα οξύ, τόσο ασθενέστερη είναι η συζυγής βάση του Όσο ισχυρότερη είναι µια βάση, τόσο ασθενέστερο είναι το συζυγές οξύ της Πρωτολυτική Αντίδραση Οξύ 1 ¾ Βάση 1 + Η + 2 συζυγή ζεύγη Η + + Βάση 2 ¾ Οξύ Οξύ 1 + Βάση 2 ¾ Οξύ 2 + Βάση 1 Στις πρωτολυτικές αντιδράσεις η ισορροπία ευνοεί το σχηµατισµό του ασθενέστερου οξέος και της ασθενέστερης βάσεως

3 Ιοντισµός Ασθενών Μονοπρωτικών Οξέων και Βάσεων Γενική εξίσωση (Οξύ σε Η 2 Ο) ΗΑ + Η 2 Ο ¾ Η 3 Ο + + Α - Χρησιµοποιείται το σύµβολο του Η 3 Ο + για να καταδειχθεί ο ρόλος του υδροξωνίου ως δότη πρωτονίων Κ = [Η 3 Ο + ][Α - ]/[ΗΑ][Η 2 Ο] [Η 2 Ο]: πρακτικά σταθερή για διαλύµατα ασθενών οξέων συγκεντρώσεων < 1 Μ [Η 2 Ο]Κ = [Η 3 Ο + ][Α - ]/ [ΗΑ] [Η 2 Ο]Κ = Κ α : σταθερά ιοντισµού του οξέος ΗΑ Κ α = [Η 3 Ο + ][Α - ] / [ΗΑ] ή Κ α = [Η + ][Α - ]/ [ΗΑ] Κ α : ποσοτικό µέτρο της ισχύος ενός οξέος. Όσο µεγαλύτερη η Κ α τόσο µεγαλύτερη η ισχύς του οξέος ( ΕΝ ΙΣΧΥΕΙ ΣΕ ΠΥΚΝΑ /ΤΑ)

4 Με ανάλογο τρόπο: ΒΗ + +Η 2 Ο ¾ Β + Η 3 Ο + Ιοντισµός Ασθενούς Κατιοντικού Οξέος Κ α = [Β][Η 3 Ο + ] / [ΒΗ + ] ή Κ α = [Β][Η + ] / [ΒΗ + ] π.χ. ΝΗ Η 2 Ο ΝΗ 3 + Η 3 Ο + Κ α = [ΝΗ 3 ][Η 3 Ο + ] / [ΝΗ 4 + ] ή Κ α = [ΝΗ 3 ][Η + ] / [ΝΗ 4 + ] Κα κατιοντικών οξέων λέγεται και σταθερά υδρολύσεως οπότε συµβολίζεται ως Κ h (hydrolysis: υδρόλυση) Σταθερά Ιονισµού Μονοπρωτικής Βάσης Β + Η 2 Ο ΒΗ + + ΟΗ - Κ b = [BH + ][OH - ] / [B] Κ b = σταθερά ιοντισµού της βάσεως Β π.χ. ΝΗ 3 + Η 2 Ο ΝΗ ΟΗ - Κ b = [ΝΗ + 4 ][ΟΗ - ] / [ΝΗ 3 ] Κ b : ποσοτικό µέτρο της ισχύος µιας βάσεως Όσο µεγαλύτερη η Κ b, τόσο µεγαλύτερη η ισχύς της βάσεως. Ιοντισµός Ύδατος Η µικρή ηλεκτρική αγωγιµότητα του χηµικώς καθαρού ύδατος οφείλεται στον ιοντισµό εξόχως µικρού αριθµού µορίων ύδατος, σύµφωνα µε την εξίσωση Η 2 Ο + Η 2 Ο Η 3 Ο + + ΟΗ - ή όπως γράφεται συνήθως Η 2 Ο Η + + ΟΗ - Κ = [Η 3 Ο + ] [ΟΗ - ] /[Η 2 Ο] 2 Κ[Η 2 Ο] 2 = [Η 3 Ο + ][ΟΗ - ]

5 Το γινόµενο Κ[Η 2 Ο] είναι πρακτικά σταθερό ([H 2 O] = 55,33 Μ) [Η + ][ΟΗ - ] = Κ[Η 2 Ο] = 55,33Κ = Κ w K w : σταθερά ιοντισµού ύδατος = Κ w : γινόµενο ιόντων ύδατος ή σταθερά ιοντισµού του ύδατος ή σταθερά αυτοϊοντισµού του ύδατος ή σταθερά αυτοπρωτολύσεως του ύδατος. Σχετική ισχύς οξέων και των συζυγών τους βάσεων CH 3 COOH+ Η 2 Ο CH 3 COO - + Η 3 Ο + ΗCN + Η 2 Ο CN - + Η 3 Ο + Όσο ισχυρότερο είναι ένα οξύ τόσο ασθενέστερη είναι η συζυγής του βάση. ΗCN: ασθενέστερο οξύ απ ότι το CH 3 COOH CH 3 COO - : ασθενέστερη βάση απ ότι το CN - Υπολογισµός Κ b ασθενούς βάσης από την Κ α του συζυγούς οξέος CH 3 COO - + Η 2 Ο CH 3 COOH+ ΟΗ -, Κ b = [CH 3 COOH][ΟΗ - ] / [CH 3 COO - ] (1) CH 3 COOH CH 3 COO - + Η +, Κ α =[Η + ] [CH 3 COO - ]/[CH 3 COOH] (2) K α Κ b = [Η + ] [ΟΗ - ] = Κw Κ b = Κ w / K α Κ α(ch3cooh) = 1,8 10-5, Κ b(ch3coo-) = Κ w / Κ α(ch3cooh) = 5, Κ α(ηcn) = , Κ b(cn-) = Κ w / Κ α(ηcn) = 2,5 10-5

6 ΠΡΩΤΟΛΥΤΙΚΗ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗ CH 3 COOH+ CN - ¾ CH 3 COO - + ΗCN Η ισορροπία ευνοεί το σχηµατισµό του ασθενέστερου οξέος και της ασθενέστερης βάσης. K = [CH 3 COO - ][HCN]/ [CH 3 COOH][CN - ] = K = [CH 3 COO - ][HCN] [H + ]/ [CH 3 COOH][CN - ][H + ] K = Κ α(ch3cooh) / Κ α(ηcn) = 1, / = 4, K>> 1 ή Κ = Κ α(ch3cooh) Κ b(cn-) / Κ w = 1, ,5 x10-5 /1, = 4, Ιοντισµός Ασθενών Μονοπρωτικών Βάσεων Αντίδραση: Ισχυρό οξύ + ισχυρή βάση : Κ = 1 / Κ w Η + + ΟΗ - Η 2 Ο K>>1 πρακτικά ποσοτική Ισχυρό οξύ + ασθενής βάση : Κ = K b /K w π.χ. Η + + ΝΗ 3 ΝΗ 4 + Αν Κ b > Κ w Κ > 1 Συνήθως Κ b > Κ w Κ > 1 πρακτικά ποσοτική Ισχυρή βάση + ασθενές οξύ: Κ = K α /Κ w π.χ. ΟΗ - + CH 3 COOH Η 2 Ο + CH 3 COO - (ΟΗ - από ΝaΟΗ) Αν Κ α > Κ w Κ > 1 Συνήθως Κ α > Κ w Κ > 1 πρακτικά ποσοτική Ασθενές οξύ + ασθενής βάση: Κ = (K α K b )/K w π.χ. CH 3 COOH+ CN - CH 3 COO - + ΗCN

7 Αν K α Κ b > Κ w Κ > 1 Σε άλλες περιπτώσεις Κ > 1 Σε πολλές περιπτώσεις Κ< 1 Υπολογισµός Σταθεράς Ιοντισµού Η ισχύς ενός ηλεκτρολύτη εκφράζεται ποσοτικά µε τη σταθερά ιονισµού ή µε το βαθµό διαστάσεως ή ιονισµού, α Το α παριστάνει το κλάσµα µορίων του ηλεκτρολύτη που έχουν διασταθεί α = [Η + ]/C = [A - ]/C [Η + ] = [Α - ] = αc Ακριβής σχέση: [Η + ] = [ΟΗ - ] + [Α - ], η [ΟΗ - ] όµως θεωρείται αµελητέα [HA] = C-αC = C(1-α) C: M (συνήθεις συγκεντρώσεις): αγνοείται ο ιοντισµός Η 2 Ο (εκτός αν Κ α C< οπότε δεν αγνοείται) C < M και Κ α < δεν αγνοείται C < M δεν αγνοείται (ανεξάρτητα από την τιµή της Κ α ) Όταν δεν µπορεί να αγνοηθεί ο ιοντισµός του Η 2 Ο, τότε [ΟΗ - ] ΟΧΙ αµελητέα ΑΡΑ Η.Ο. [Η + ] = [ΟΗ - ] + [Α - ] [Α - ] = [Η + ]-[ΟΗ - ] Ι.Μ. C = [ΗΑ] + [Α - ] [ΗΑ] = C-[Α - ] Αν Κ α /C < 0,01 (α<0,1) τότε [Α - ] < C [ΗΑ]=C-[Α - ]=C [ΗΑ]=C Κ α =[Η + ]([Η + ]-[ΟΗ - ])/C = [Η + ] 2 Κw/ C [Η + ]= Κ α C + Κ w Ισχύει ΜΟΝΟ Κ α /C<0,01 Έστω διάλυµα ασθενούς οξέος ΗΑ, ολικής συγκέντρωσης C HA H + + A - H 2 O H + + OH -

8 α = [Α - ]/C = [H + ]/C εφόσον αγνοηθεί ο ιοντισµός Η 2 Ο [Α - ] = [Η + ] = αc Ι.Μ. C = [HA] + [Α - ] [HA]=C- [Α - ] [HA] = C- αc Kα = αc x αc/ C-αC =α 2 C/ 1-α (1) Αν σε V ml υπάρχει 1 mole οξέος τότε C = 1/V K α = α 2 /(1-α)V (2) (1) + (2) Νόµος αραιώσεως Ostwald Σχέση Σταθεράς Ιοντισµού και Βαθµού Ιοντισµού Όταν α < 0,1 ή K α /C < 0,01 Τότε Κ α = α 2 C ή α = Κα/C Υπολογισµός της Κ α εάν είναι γνωστός ο βαθµός ιονισµού α και η συγκέντρωση C Παράδειγµα Ο βαθµός ιονισµού διαλύµατος CH 3 COOH 0,0100 Μ είναι 0,0415. Να υπολογισθεί η σταθερά ιονισµού του CH 3 COOH Λύση Αφού α = 0,0415, έχουµε [CH 3 COO - ] = [H + ] = (0,0415)(0,0100Μ) = 0, Μ [CH 3 COOH] = C-αC = 0,0100-0, = 0, M Με αντικατάσταση αυτών των τιµών στην Κ α = [CH 3 COO - ][H + ]/[CH 3 COOH] Έχουµε Κ α = (0,000415)2/0,00985 =1, Το ίδιο αποτέλεσµα βρίσκεται και µε άµεση αντικατάσταση των δεδοµένων στην εξίσωση Κ α = α 2 C/1-α Σχέση σταθεράς ιοντισµού (Κ b ) και βαθµού ιοντισµού (α) ασθενούς βάσης Β, ολικής συγκέντρωσης C (νόµος αραιώσεως του Ostwald) B+ H 2 O BH + + OH - Κ b = [BH + ][OH - ]/[B] H 2 O H + + OH - K w = [H + ][OH - ]

9 α = [BH + ]/C (εξ ορισµού) Κ b = α 2 C/1-α (εφόσον αγνοηθεί ο ιοντισµός H 2 O) α = Κ b /C (εφόσον Κ b /C < 0,01 και αγνοηθεί ο ιοντισµός H 2 O) Οξέα και Βάσεις σε Μη Υδατικούς ιαλύτες Ο ιοντισµός οξέος ή βάσεως επηρεάζεται από: τη διηλεκτρική σταθερά του διαλύτη την ικανότητα επιδιαλυτώσεως του διαλύτη τον όξινο ή βασικό χαρακτήρα του διαλύτη Π.χ. Οι σταθερές ιονισµού των οξέων σε αλκοολικά διαλύµατα είναι πολύ µικρότερες ( ) φορές από τις αντίστοιχες σε υδατικά διαλύµατα Λόγω της µικρότερης διηλεκτρικής σταθεράς των αλκοολών έναντι του νερού. Κατά την αξιολόγηση ισχύος των οξέων και βάσεων πρέπει να αναφέρεται ο διαλύτης Το HNO 3 είναι ισχυρότερο του CH 3 COOH σε νερό, αλλά σε υγρή αµµωνία τα δύο οξέα έχουν την ίδια ισχύ Το φαινόµενο αυτό λέγεται φαινόµενο εξισώσεως διαστάσεως ιαλύτης που εξισώνει την ισχύ λέγεται εξισωτής (π.χ υγρή αµµωνία) ιαλύτης που διευκολύνει τη διαπίστωση υφιστάµενης διαφοράς λέγεται διαφοροποιητής (π.χ νερό) Ισχυρά όξινοι διαλύτες (H 2 SO 4, HClO 4 ) καθιστούν δυνατή την εµφάνιση βασικών ιδιοτήτων σε όξινες ουσίες H 2 SO 4 + CH 3 COOH HSO CH 3 COOH 2 Εφαρµογή του φαινοµένου στην ποσοτική ανάλυση στις ογκοµετρήσεις εξουδετερώσεως σε µη υδατικούς διαλύτες. Στάδια επίλυσης προβληµάτων χηµικής ισορροπίας 1. Αναγραφή χηµικής εξισώσεως χηµικής ισορροπίας 2. Αναγραφή εκφράσεως σταθεράς ισορροπίας 3. Αντικατάσταση δεδοµένων στην έκφραση σταθεράς ισορροπίας

10 4. Λύση εξισώσεως Με χρήση εξισώσεων ισοστάθµισης µάζας και ηλεκτρικής ουδετερότητας λαµβάνεται εξίσωση µε ένα µόνο άγνωστο. Συγκέντρωση ιόντων και µορίων σε διάλυµα ασθενούς µονοπρωτικού οξέος ΗΑ Η + + Α - Κ α = [Η + ][Α - ] / [ΗΑ] (1) Η 2 Ο Η + + ΟΗ - Κ w = [H + ][OH - ] (2) Ισοστάθµιση µάζας: C = [HA] + [A - ] (3) Ηλεκτρική ουδετερότητα: [Η + ] = [Α - ] + [ΟΗ - ] (4) από την οποία: [Α - ] = [Η + ] [ΟΗ - ] (4α) Με συνδυασµό των (1), (2), (3), (4α): [Η + ] 3 + Κ α [Η + ] 2 (CK α +K w )[H + ] K w K α = 0 ίνεται η ακριβής συγκέντρωση πρωτονίων Απαιτείται επίλυση µόνο σε πολύ αραιά διαλύµατα Προσεγγίσεις: Σε συνήθεις συγκεντρώσεις διαλυµάτων ασθενών οξέων η [ΟΗ - ] είναι αµελητέα σε σύγκριση µε [Α - ]. (Αν CK α < δεν αγνοείται ο ιοντισµός Η 2 Ο) Απλοποιήσεις εξισώσεων: [Η + ] [Α - ] [ΗΑ] = C-[A - ] C [H + ] K α = [Η + ][Α - ] / [ΗΑ] [Η + ] 2 / C-[H + ] ή [Η + ] 2 + Κ α [Η + ] CK α 0 Εάν ο βαθµός ιονισµού είναι µικρός ([Η + ]<0,1C) Κ α [Η + ] 2 / C ή [Η + ] CΚ α

11 Να υπολογισθούν οι συγκεντρώσεις ιόντων και µορίων σε διάλυµα HF 0,00100 Μ Λύση ΗF Η + + F - Η 2 Ο Η + + ΟΗ - Κ α = [Η + ][F - ]/[HF] = 6, (1) Κ w = [Η + ] [ΟΗ - ] = 1, (2) Ι.Μ. C = [ΗF] + [F - ] (3) Η.Ο. [Η + ] = [ΟΗ - ] + [F - ] (4) 1η προσέγγιση C= M, διάλυµα συνήθους συγκέντρωσης και Κ α C=6, ,00100> Αγνοούµε τον ιοντισµό του Η 2 Ο δηλαδή θεωρούµε: [ΟΗ - ]<<[F - ] Άρα (4) Η.Ο. [Η + ] = [ΟΗ - ] + [F - ] [Η + ] = [F - ] (3) Ι.Μ. C = [ΗF] + [F - ] [ΗF] = C- [Η + ] Κ α = [Η + ][F - ]/ [ΗF] Κ α = [Η + ] 2 / C- [Η + ] 2η προσέγγιση Κ α /C = 6, / = 0,69 > 0,01 εν µπορεί να γίνει η 2η προσέγγιση δηλαδή η [Η + ] δεν είναι αµελητέα σε σχέση µε τη C Χρησιµοποιούµε Κ α Κ α = [Η + ] 2 /C-[Η + ] = 6, [Η + ] 2 + 6, [Η + ] - 6, = 0 Οπότε [Η + ] = 5, Μ [F - ] = [Η + ] = 5, Μ [ΗF] = 0, , = 4, Μ [ΟΗ - ] = 1, Μ

12 Να υπολογισθεί ο βαθµός ιοντισµού διαλύµατος CH 3 COOH c = 1, M (K α = 1, ) Λύση CH 3 COOH CH 3 COO - + Η + H 2 O H + + OH - α = [CH 3 COO - ]/C (εξ ορισµού) Κ α = α 2 C/1-α (εφόσον αγνοηθεί ο ιοντισµός του H 2 O) α = Κα/C (εφόσον Κα/c<0,01 και αγνοηθεί ο ιοντισµός H 2 O) 1) Εξετάζουµε αν µπορεί να αγνοηθεί ο ιοντισµός του H 2 O Κ α c = 1, , = 1, > Άρα µπορεί να αγνοηθεί ο ιοντισµός H 2 O Μπορεί να χρησιµοποιηθεί η σχέση Κ α =α 2 C/1-α 2) Εξετάζουµε αν µπορεί να χρησιµοποιηθεί η απλοποιηµένη εξίσωση α = Κ α /C α = Κ α /C = 1,8 x10-5 /1,0 x10-5 = 1,8=1,34 > 1 ΑΤΟΠΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ Για ισχυρά οξέα α = 1 γιατί ιονίζονται πλήρως. Ασθενή οξέα α<1 Κ α = α 2 C/1-α α = 0,72 Να υπολογισθούν οι συγκεντρώσεις των ιόντων και µορίων, καθώς και το ph σε διάλυµα HCN, C=1, Μ και να δικαιολογηθούν οι τυχόν προσεγγίσεις (HCN Κ α = 4, , Κ w = 1, ) Λύση. HCN Η + + CN - Η 2 Ο Η + + ΟΗ - (1) Κ α = [Η + ] [CN - ]/[HCN] = 4, (2) Κ w = [Η + ] [ΟΗ - ] =1,

13 Ι.Μ. C = [ΗCN] + [CN - ] (3) Η.Ο. [Η + ] = [ΟΗ - ] + [CN - ] (4) εν µπορεί να αγνοηθεί ο ιοντισµός του Η 2 Ο γιατί C< Μ και Κ α < ή Κ α C< [ΟΗ - ] όχι αµελητέα Η.Ο. [Η + ] = [ΟΗ - ] + [CN - ] [CN - ] = [Η + ]-[ΟΗ - ] Ι.Μ. C = [ΗCN] + [CN - ] [ΗCN] = C-[CN - ] Κ α /C = 4, /1, = 4, << 0,01 α<<0,1 [CN - ]<<C [ΗCN] = C-[CN - ] C Κ α = [Η + ]([Η + ]-[ΟΗ - ])/C [Η + ] = Κ α C+Κ w = 1, [ΟΗ - ] = 1, /1, [CN - ] = [Η + ]-[ΟΗ - ] = 1, , = 3, Μ [ΗCN] = C-[CN - ] =1, , [ΗCN] =1, Μ ph = 6,93 Έλεγχος προσέγγισης 10[CN - ] = 10 3, = 3, < 1, = C Σωστή η προσέγγιση Αν αγνοηθεί ο ιοντισµός του Η 2 Ο: [Η + ] = 6, < Μ, ph = 7,2>7 ΑΤΟΠΟ Να υπολογισθεί ο βαθµός ιοντισµού του διαλύµατος HCN C = 1, Μ (Κ α = 4, ) Λύση εν µπορεί να αγνοηθεί ο ιοντισµός του Η 2 Ο, δεν ισχύει η εξίσωση γιατί C < M K α < και K α C < Κα = α 2 C/1-α α = [CN - ]/C = 3, /1, = 3, Σύµφωνα µε την προηγούµενη άσκηση

14 Συγκέντρωση Ιόντων και Μορίων σε ιάλυµα Ασθενούς Μονοπρωτικής Βάσεως Εξισώσεις ανάλογες µε αυτές µονοπρωτικών οξέων, όπου [Η + ] αντικαθίσταται από [ΟΗ - ] και Κα αντικαθίσταται από Kb B + H 2 O BH + + OH -, K b = [BH + ][OH - ] / [B] (1) H 2 O H + + OH -, K w = [H + ][OH - ] (2) Ισοστάθµιση µάζας: C = [B] + [BH + ] (3) Ηλεκτρική ουδετερότητα: [ΟΗ - ] = [Η + ] + [ΒΗ + ] (4) από την οποία: [ΒΗ + ] = [ΟΗ - ] [Η + ] (4α) Με συνδυασµό των (1), (2), (3) και (4α): [ΟΗ - ] 3 + Κ b [OH - ] 2 -(CK b +K w )[OH - ] K w K b = 0 Προσεγγίσεις: Σε συνήθεις συγκεντρώσεις: [Η + ] << [ΒΗ + ] [ΟΗ - ] [ΒΗ + ] [Β] = C [BH + ] C [OH - ] K b = [OH - ] 2 / C [OH - ] [OH - ] 2 + K b [OH - ] CK b 0 Εάν ο βαθµός ιοντισµού της βάσεως είναι µικρός, [ΟΗ - ] << C K b [OH - ] 2 / C και [ΟΗ - ] CK b Πρέπει 10 [OH - ] < C για να είναι η 2η προσέγγιση σωστή. Όταν δεν µπορεί να αγνοηθεί ο ιοντισµός του Η 2 Ο σε διάλυµα βάσεως Β, συγκέντρωσης C π.χ. C < M και K b (ή Κ b C < ) ή C < M ανεξάρτητα από τιµή K b [Η + ] όχι αµελητέα Η.Ο. [ΟΗ - ] = [Η + ] + [ΒΗ + ] [ΒΗ + ] = [ΟΗ - ] - [Η + ] Ι.Μ. C = [B] + [BH + ] [B] = C - [BH + ] Αν K b /C < 0,01 (α<0,1) [BH + ]<<C

15 [B] = C - [BH + ] C Κ b = ([ΟΗ - ] - [Η + ]) [ΟΗ - ]/C [ΟΗ - ] = Κb C + Κw Άρα 1η προσέγγιση αφορά ιοντισµό H 2 O, γίνεται στην εξίσωση Η.Ο. όταν C: ,1 M, εκτός αν Κ b C < η προσέγγιση αφορά ιοντισµό της βάσεως Β, γίνεται στην εξίσωση Ι.Μ. όταν α < 0,1 ή Κ b C < 0,01 Συγκέντρωση Ιόντων και Μορίων σε ιάλυµα Πολυπρωτικού Οξέος H 2 S H + + HS -, K 1 = [H + ][HS - ]/[H 2 S] = 1, (1) HS - H + + S 2-, K 2 = [H + ][S 2- ]/[HS - ] = 1, (2) H 2 O H + + OH -, K w = [H + ][OH - ] = 1, (3) Ισοστάθµιση µάζας: C = [H 2 S]+[HS - ]+[S 2- ] (4) Ισοστάθµιση ουδετερότητας: [Η + ] = [HS - ] + [OH - ] + 2[S 2- ] (5) Με συνδυασµό (1), (2), (3), (4), (5): [Η + ] 4 +Κ 1 [Η + ] 3 +(Κ 1 Κ 2 -CK 1 -K w )[H + ] 2 (K 1 K w +2CK 1 K 2 )[H + ] K 1 K 2 K w = 0 Προσεγγίσεις: Σε συνήθη διαλύµατα [ΟΗ - ] αµελητέα (αγνοείται ο ιοντισµός Η 2 Ο Επειδή Κ 1 /Κ 2 > δηλαδή Κ 2 << Κ 1, µπορεί να αγνοηθεί το 2ο στάδιο ιοντισµού, οπότε [S 2- ] αµελητέα, εποµένως [Η + ] [HS - ] Απλοποιήσεις: C [H 2 S] + [HS - ] [H + ] [HS - ] K 1 = 1,0x10-7 = [H + ] 2 / C-[H + ], από την οποία υπολογίζεται η [Η + ]

16 Για οποιοδήποτε ασθενές πολυπρωτικό οξύ Η n A λαµβάνεται υπόψη µόνο το 1ο στάδιο ιοντισµού για υπολογισµό [Η + ] εφόσον Κ 1 /Κ 2 > Σε περίπτωση κορεσµένου διαλύµατος H 2 S, C = 0,10 M (25 o C), και [Η + ]<< C 1) ιάλυµα συνήθους συγκέντρωσης και Κ 1 /Κ 2 > Ισχύει Κ 1 = [H + ] 2 / C-[H + ] 2) Κ 1 /C = 1, / 0,1 = 1, <<0,01 Αρα [H + ]<<C C-[H + ] C Κ 1 = [H + ] 2 / C, [H + ] = Κ 1 C [H + ] = 1,0x10-7 0,10 = 1, M [HS - ] [H 2 S] = C- [HS - ] = 0,10-1, = 0,10Μ [ΟΗ - ] = 1, /1, = 1, K 2 =[Η + ][S 2- ]/[HS - ]=1, K 2 = 1, = ( ) [S 2- ] / , άρα [S 2- ] = 1,0x10-14 M [S 2- ]= K2 (γιατί [Η + ] [HS - ]) Γενικά για διπρωτικό οξύ Η 2 Α, εάν Κ 2 << Κ 1 : [Α 2- ] Κ 2 Με πολλαπλασιασµό των εξισώσεων Κ 1, Κ 2 κατά µέλη: Κ 1,2 = [Η + ] 2 [S 2- ] / [H 2 S] = 1, (ολική σταθερά ιοντισµού) Ασθενές τριπρωτικό οξύ (Η 3 Α) Αν Κ 1 /Κ για υπολογισµό [Η + ] λαµβάνεται µόνο υπόψη το 1ο στάδιο ιοντισµού. Αν Κ 1 /Κ και εφόσον µπορεί να αγνοηθεί ο ιοντισµός του Η 2 Ο η συγκέντρωση του δισθενούς ανιόντος = Κ 2, ηλαδή [ΗΑ 2- ] = Κ 2 Η [Α 3- ] υπολογίζεται από την εξίσωση που παρέχει την Κ3. Επίδραση Κοινού Ιόντος Προσθήκη κοινού ιόντος σε διάλυµα ασθενούς οξέος ή βάσεως συνεπάγεται µετατόπιση της ισορροπίας προς όφελος των αδιάστατων µορίων του οξέος ή βάσεως Με επίδραση κοινού ιόντος ρυθµίζουµε τις συγκεντρώσεις των µορίων και ιόντων Π.χ ρύθµιση [Η 2 S] µε προσθήκη ισχυρού οξέος

17 Σύσταση ιαλυµάτων Πολυπρωτικών Οξέων ως Συνάρτηση ph Συνυπάρχουν τα αδιάστατα µόρια του οξέος και τα ανιόντα από τη διάσταση Οι συγκεντρώσεις των σωµατιδίων µπορούν να υπολογισθούν ως συνάρτηση της [Η + ] Σύσταση διαλυµάτων ασθενών οξέων (µονοπρωτικών ή πολυπρωτικών) ως συνάρτηση της [Η + ] 1) Έστω διάλυµα ΗΑ ολικής συγκέντρωσης C α 0 = κλάσµα ολικής συγκέντρωσης µε τη µορφή ΗΑ α 1 = κλάσµα ολικής συγκέντρωσης µε τη µορφή Α - ΗΑ Η + + Α - Κ α = [Η + ][Α - ] / [ΗΑ] (1) Ι.Μ. C = [ΗΑ] + [Α - ] (2) α 0 = [ΗΑ]/C (3) α 1 = [Α - ]/C (4) α 0 + α 1 = 1 (5) (1) [Α - ] = Κ α [ΗΑ]/[Η + ] (1 ) (2) C = [ΗΑ] + [Α - (3) C = [ΗΑ] + Κ α [ΗΑ]/[Η + ] (2 ) [ΗΑ] = C[H + ]/[H + ] + K α (6) (3),(6) α 0 = [ΗΑ]/C = [Η + ]/ [Η + ] + Κ α α 1 = [Α - ]/C = Κ α /[Η + ] + Κ α Το ποσοστό κάθε σωµατιδίου του οξέος εξαρτάται από τη [Η + ] και είναι ανεξάρτητο από την C

18 2) Έστω διάλυµα Η 2 Α ολικής συγκέντρωσης C α 0 = κλάσµα ολικής συγκέντρωσης µε τη µορφή Η 2 Α α 1 = κλάσµα ολικής συγκέντρωσης µε τη µορφή HA - α 2 = κλάσµα ολικής συγκέντρωσης µε τη µορφή Α 2- Η 2 Α Η + + ΗΑ - Κ 1 = [Η + ][ΗΑ - ]/[Η 2 Α] (1) ΗΑ - Η + + Α 2- Κ 2 = [Η + ][Α 2- ]/[ΗΑ - ] (2) Ι.Μ. C = [Η 2 Α]+[ΗΑ - ]+[Α 2- ] (3) α 0 = [Η 2 Α]/C (4) α 1 = [ΗΑ - ]/ C (5) α 2 = [Α 2- ]/ C (6) α 0 + α 1 + α 2 = 1 (7) [ΗΑ - ] = Κ 1 [Η 2 Α]/[Η + ] (1 ) [Α 2- ] = Κ 2 [ΗΑ - ]/[Η + ]= Κ 1 Κ 2 [Η 2 Α]/[Η + ] 2 (2 ) C = [Η 2 Α]+[ΗΑ - ]+[Α 2- ] (3) C = [Η 2 Α]+Κ 1 [Η 2 Α]/[Η + ] + Κ 1 Κ 2 [Η 2 Α]/[Η + ] 2 (3 ) [Η 2 Α]= C[Η + ] 2 / [Η + ] 2 + Κ 1 [Η + ] + Κ 1 Κ 2 (8) α 0 = [Η 2 Α]/C = [Η + ] 2 /[Η + ] 2 +Κ 1 [Η + ]+ Κ 1 Κ 2 α 1 = [ΗΑ - ]/ C= Κ 1 [Η + ] / [Η + ] 2 +Κ 1 [Η + ]+ Κ 1 Κ 2 α 2 = [Α 2- ]/ C= Κ 1 Κ 2 / [Η + ] 2 +Κ 1 [Η + ]+ Κ 1 Κ 2 Το ποσοστό κάθε σωµατιδίου του οξέος εξαρτάται από τη [Η + ] και είναι ανεξάρτητο από την C. α 0 = [Η n Α]/C α 1 = [Η n-1 Α - ]/ C α 2 = [H n-2 Α 2- ]/ C α 3 = [H n-3 Α 3- ]/ C α n = [Α n- ]/ C

19 Γενική περίπτωση πολυπρωτικού οξέος Η n Α α 0 = [H + ] n / [H + ] n +K 1 [H + ] n-1 +K 1 K 2 [H + ] n-2 + +K 1 K 2 K n α 1 = K 1 [H + ] n-1 / [H + ] n +K 1 [H + ] n-1 + K 1 K 2 [H + ] n-2 + +K 1 K 2 K n α 2 = K 1 K 2 [H + ] n-2 / [H + ] n +K 1 [H + ] n-1 + K 1 K 2 [H + ] n-2 + +K 1 K 2 K n α n = K 1 K 2 K n / [H + ] n +K 1 [H + ] n-1 + K 1 K 2 [H + ] n-2 + +K 1 K 2 K n Παρανοµαστής: πολυώνυµο µε n+1 όρους όπου n ο αριθµός Η + που µπορεί να δώσει το οξύ Συγκέντρωση Η + σε διάλυµα δύο ασθενών οξέων ΗΑ 1 Η + + Α 1 - ΗΑ 2 Η + + Α 2 - Κ 1 = [Η + ][Α 1 - ] /[ΗΑ 1 ] (1) Κ 2 = [Η + ][Α 2 - ] /[ΗΑ 2 ] (2) Ηλεκτρική ουδετερότητα: [Η + ] = [Α - 1 ] + [Α - 2 ] + [ΟΗ - ] (3) Ισοστάθµιση µάζας για HΑ 1 : C 1 = [HA 1 ] + [Α - 1 ] (4) Ισοστάθµιση µάζας για HΑ 2 : C 2 = [HA 2 ] + [Α - 2 ] (5) [H + ] = (K 1 C 1 /[H + ]+ K 1 ) + (K 2 C 2 /[H + ]+K 2 ) + K w /[H + ] [H + ] = K 1 C 1 + K 2 C 2 + K w [H + ] = K 1 C 1 + K 2 C 2

20 Να υπολογισθούν οι συγκεντρώσεις των ιόντων και µορίων σε διάλυµα Η 2 S 0,050M (K α1 = 1,0 10-7, K α2 = 1, ) Λύση H 2 S H + + HS -, K α1 = [H + ][HS - ]/[H 2 S] = 1, HS - H + + S 2-, K α2 = [H + ][S 2- ]/[HS - ] = 1, H 2 O H + + OH -, K w = [H + ][OH - ] = 1, Ισοστάθµιση µάζας: C = [H 2 S] + [HS - ] + [S 2- ] Απλοποιήσεις: C [H 2 S] + [HS - ] [H + ] [HS - ] K 1 = 1, = [Η + ][ΗS - ]/[Η 2 S] [H + ] 2 / C-[H + ], [H + ] = Κ 1 C [S 2- ] = K 2 (γιατί [Η + ] [HS - ]) [Η + ] = K α1 C Η2S = 1,0x10-7 0,05 = 7,1 x10-5 M [HS - ] [H + ] = 7, M [OH - ] = K w /[H + ] = 1, /7, = 1, M [Η 2 S] = C-[HS - ] = 0,050-7, M 0,050M [S 2- ] = K α2 = 1, Πόσα g NH 4 Cl πρέπει να προστεθούν σε 100 ml διαλύµατος NH 3 0,100Μ για να εκατονταπλασιαστεί η [Η + ] σε αυτό. (Κ bnh3 =1, ) Λύση NH 4 Cl NH Cl - NH 3 +H 2 O NH OH - Επειδή Κ bnh3 /C NH 3 <0,01 για τους υπολογισµούς χρησιµοποιείται η απλοποιηµένη σχέση [ΟΗ - ] 1 = Κ b C = 1, = 1, M [ΟΗ - ] 2 = [ΟΗ - ]1/100 = 1, M K b = 1, = [OH - ][NH + 4 ]/[NH 3 ] =1, M[NH + 4 ]/0,100 [NH + 4 ] = 0,134 M g NH 4 Cl στα 100 ml=0,134 mmol/ml 100 ml x 53,5 mg/mmol = 717 mg = 0,72 g