ΑΣΚΗΣΗ ΗΜΟΣΙΕΥΣΗΣ 1. ίνονται οι εξής χηµικές ενώσεις: 1. CH 3 CO 2. Na 3. NH 3 4. HCl 5. NaF 6. HF 7. NH 4 CN 8. CH 3 CH=O 9. CH 3 CH= CHC CH 10. CH 3 CHCH 3 11.CH 3 CH 2 CH 2 A. ιαθέτουµε υδατικό διάλυµα της χηµικής ένωσης 4 συγκέντρωσης 0,1 Μ. Να υπολογίσετε το ph του διαλύµατος και το βαθµό ιοντισµού της ένωσης. Πως θα µεταβληθεί το ph και ο βαθµός ιοντισµού αν αραιώσουµε το διάλυµα αυτό µε προσθήκη νερού; B. ιαθέτοντας τις παραπάνω ενώσεις δώστε µία αντίδραση για την παραγωγή ενός άλατος του οποίου το υδατικό διάλυµα είναι βασικό, µία αντίδραση για την παραγωγή ενός άλατος του οποίου το υδατικό διάλυµα είναι όξινο και µία αντίδραση για την παραγωγή ενός ουδέτερου άλατος. Να εξηγήσετε ποιο θα είναι το ph της ένωσης 7. C. Ογκοµετρείται διάλυµα οξέος 100 ml συγκέντρωσης 0,2 Μ, από πρότυπο διάλυµα ΝaΟΗ συγκέντρωσης 0,1 Μ. 1. Να δικαιολογήσετε ποιο µπορεί να είναι το οξύ που ογκοετρείται από τα HCl, HF, αν γνωρίζουµε ότι δηµιουργείται ρυθµιστικό διάλυµα πριν το ισοδύναµο σηµείο. 2. Να υπολογίσετε τον όγκο του πρότυπου διαλύµατος που πρέπει να καταναλωθεί για να φθάσω στο ισοδύναµο σηµείο. 3. Να κατασκευάσετε την καµπύλη ογκοµέτρησης. 4. Θέλουµε κατά την διάρκεια της ογκοµέτρησης να παρασκευαστεί ρυθµιστικό διάλυµα των χηµικών ενώσεων 5 και 6 µε ph = 5. Να υπολογίσετε τον όγκο του πρότυπου διαλύµατος που πρέπει να χρησιµοποιήσουµε. D. 1. Nα αναφέρετε τον υβριδισµό των ατόµων άνθρακα στις ενώσεις 1, 8, 9. 2. Αν διαθέτουµε τις χηµικές ενώσεις της εκφώνησης να παραθέσετε έναν τρόπο παραγωγής την ένωσης 1. 3. Πως µπορούµε να διακρίνουµε τις ενώσεις 8 και 10 καθώς επίσης και τις 10 µε 11. ίνεται ότι η θερµοκρασία των διαλυµάτων της άσκησης είναι στους 25 ο C και K bνη3 = 10-5, K αhf = 10-4, K αhcn = 10-5
Λύση Α. Επειδή το ΗCl είναι ισχυρό οξύ ιοντίζεται πλήρως, σύµφωνα µε την χηµική εξίσωση: HCl + Η 2 Ο Cl - + H 3 O + Αρχ. 0,1Μ Τελ. - 0,1Μ 0,1Μ Οπότε ph = -log[h 3 O + ] = - log 10-1 = 1. Ακόµα από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι ο βαθµός ιοντισµού του HCl (όπως και κάθε ισχυρού ηλεκτρολύτη) είναι α = 1. Αν το διάλυµα αραιωθεί µε προσθήκη νερού, η συγκέντρωση του οξέος θα µειωθεί άρα και η συγκέντρωση των οξωνίων, οπότε το ph θα αυξηθεί. Ο βαθµός, όµως, ιοντισµού θα παραµείνει σταθερός και ίσος µε την µονάδα αφού το οξύ εξακολουθεί να ιοντίζεται πλήρως (ισχυρό οξύ). B. Για την παραγωγή ενός άλατος του οποίου το υδατικό διάλυµα είναι όξινο µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε την παρακάτω αντίδραση (αντίδραση ενός ισχυρού οξέος µε µια ασθενής βάσης): HCl + NH 3 NH 4 Cl Το άλας που προκύπτει διΐσταται πλήρως και µόνο το αµµώνιο αντιδρά µε το νερό (αφού προέρχεται από την ασθενή βάση NH 3 ) οπότε και παράγονται H 3 O + : ΝΗ 4 Cl NH + 4 + Cl - NH + 4 + H 2 O NH 3 + H 3 O + Για την παραγωγή ενός άλατος του οποίου το υδατικό του διάλυµα είναι βασικό µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε την παρακάτω αντίδραση (αντίδραση ενός ασθενούς οξέος µε µια ισχυρή βάση): HF + Na NaF + H 2 O Το άλας που προκύπτει διΐσταται πλήρως και µόνο το F - αντιδρά µε το νερό (αφού προέρχεται από το ασθενές οξύ ΗF)οπότε και παράγονται ΟΗ - : NaF Na + + F - F - + H 2 O HF + - Για την παράγωγή ενός ουδέτερου άλατος θα πρέπει να έχουµε εξουδετέρωση ενός ισχυρού οξέος µε µία ισχυρή βάση, έτσι ώστε τα ιόντα που θα προκύψουν µετά την διάσταση του άλατος να µην αντιδράσουν µε το νερό. Άρα, στην συγκεκριµένη περίπτωση, µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε την παρακάτω αντίδραση: HCl + Na NaCl + H 2 O Στο υδατικό διάλυµα της ένωσης 7 λαµβάνουν χώρα οι εξής αντιδράσεις: NH 4 CN NH + 4 + CN - (πλήρης διάσταση του άλατος) Επειδή και τα δύο ιόντα που προκύπτουν από την διάσταση του άλατος προέρχονται από ασθενή βάση και οξύ θα αντιδράσουν και τα δύο µε το νερό. NH + 4 + H 2 O NH 3 + H 3 O + Η σταθερά ιοντισµού του NH + 4 είναι: K ανη4+ = Κ w / K bnh3 = 10-14 /10-5 = 10-9 CN - + H 2 O HCN + - Η σταθερά ιοντισµού του CN - είναι: K bcn- = Κ w / K αhcn = 10-14 / 10-5 = 10-9 Παρατηρούµε ότι οι σταθερές ιοντισµού και οι συγκεντρώσεις των ιόντων είναι ίσες, άρα θα ισχύει [H 3 O + ] = [ - ], οπότε το ph του διαλύµατος είναι ίσο µε 7.
C. 1. Για να δηµιουργείται ρυθµιστικό διάλυµα πριν το ισοδύναµο σηµείο θα πρέπει το οξύ που ογκοµετρείται να είναι ασθενές. Άρα, είναι το ΗF. 2. Στο ισοδύναµο σηµείο θα έχουν εξουδετερωθεί όλα τα moles του οξέος από την βάση και σύµφωνα µε την χηµική εξίσωση : Na + HF NaF + H 2 O θα έχουµε: n Na = n HF => C Na V Na = C HF V HF => V Na = C HF V HF / C Na = 0,2 0,1 /0,2 = 0,1 L πρότυπου διαλύµατος Na. 3.To αρχικό ph του διαλύµατος του ΗF υπολογίζεται ως εξής : HF + H 2 O F - + H 3 O + Aρχ. 0,2Μ Ισορ. (0,2-x)M xm xm K αhf = [F - ] [ H 3 O + ] / [HF] Και επειδή γίνονται οι γνωστές προσεγγίσεις αφού K αhf / C HF = 10-4 /0,2< 0,01 K αhf = x 2 / 0,2 => x = 4,5 10-3 M Οπότε το ph = -log[h 3 O + ] = 3 log 4,5 = 3 0.7 2,3. Το ph στο ισοδύναµο σηµείο υπολογίζεται ως εξής: n Na = n HF = C HF V HF = 0,2 0,1 = 0,02 mol Na + HF NaF + H 2 O Αρχ. 0,02 mol 0,02 mol Τελ. - - 0,02 mol 0,02 mol Η συγκέντρωση του ΝaF στο ισοδύναµο σηµείο είναι: C NaF = n NaF /V δ/τος = 0,02 mol /(0,1 +0,1)L = 10-1 M. To άλας διΐσταται πλήρως σύµφωνα µε την χηµική εξίσωση: NaF Na + + F - Aρχ. 10-1 M Τελ. - 10-1 M 10-1 M Το ιόν που αντιδρά µε το νερό είναι το F -, γιατί το Na + προέρχεται από την ισχυρή βάση Na. F - + Η 2 Ο HF + ΟΗ - Aρχ. 10-1 M Ισορ. (10-1 -x)μ xm xm K bf- = [HF] [ΟΗ - ] / [F - ] Και επειδή γίνονται οι γνωστές προσεγγίσεις αφού K bf- / C F- = 10-10 /10-1 = 10-9 < 0,01 K bf- = x 2 /10-1 => x = 10-5,5 M. Οπότε p = - log[οη - ] = 5,5 και ph = 14-5,5 = 8,5. Άρα η καµπύλη ογκοµέτρησης έχει την εξής µορφή:
4.Για να παραχθεί ρυθµιστικό κατά την διάρκεια της ογκοµέτρησης µε ph = 5 θα πρέπει να υπάρχει στο διάλυµα µόνο το HF και ΝαF, άρα σε αυτό το σηµείο της ογκοµέτρησης, όταν δηλαδή έχουν καταναλωθεί V L πρότυπου διαλύµατος θα έχουµε: n HF = 0,02 mol και n mol Na, όπου n < 0,02. Na + HF NaF + H 2 O Αρχ. n mol 0,02 mol Τελ. - (0,02-n)mol n mol n mol Οι νέες συγκεντρώσεις των HF και NaF είναι: C HF = [(0,02-n)/ V ρ ] Μ και C NaF = (n/ V ρ ) Μ, όπου V ρ = (0,1 + V) L Από την εξίσωση Henderson- Hasselbalch έχουµε: ph = pkα + log( C F- /C HF ) => 5 = 4 + log => n = 1,8 10-3 mol. Άρα V = n/ C Na = 0,0018/0,1= 0,018 L πρότυπου διαλύµατος και V ρ = 0,118 L. D.1.Για την κάθε ένωση θα έχουµε 1 2 CH 3 C-: o 1 άνθρακας παρουσιάζει υβριδισµό sp 3, ενώ ο 2 παρουσιάζει υβριδισµό sp 2. O 1 2 CH 3 CH=O: o 1 άνθρακας παρουσιάζει υβριδισµό sp 3, ενώ ο 2 παρουσιάζει υβριδισµό sp 2. 1 2 3 4 5 CH 3 CH= CHC CH: o 1 άνθρακας παρουσιάζει υβριδισµό sp 3, ο 2 και ο 3 άνθρακας παρουσιάζει υβριδισµό sp 2,ενώ ο 4 και 5 άνθρακας παρουσιάζει υβριδισµό sp. 2. Για να παραχθεί καρβοξυλικό οξύ µπορούµε να οξειδώσουµε µία πρωτοταγή αλκοόλη όπως η αλκοόλη 11 ή µια αλδεΰδη όπως η 8. Όµως, επειδή το καρβοξυλικό οξύ έχει δύο άτοµα άνθρακα η ένωση που χρειαζόµαστε είναι η 8 για να πραγµατοποιηθεί η παρακάτω χηµική αντίδραση. 5CH 3 CH=O +2 ΚΜnO 4 + 3H 2 SO 4 5CH 3 CO + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O 3. Για τις ενώσεις 8 και 10 έχουµε:
ΕΝΩΣΕΙΣ/ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΙΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗ ΜΕ Na ΟΞΕΙ ΩΣΗ ΜΕ ΗΠΙΑ ΟΞΕΙ ΩΤΙΚΑ(π.χ. ΑgNO 3 /NH 3 ) CH 3 CH=O - + CH 3 CHCH 3 + - Άρα για να ξεχωρίσουµε τις ενώσεις αυτές µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε την αντίδραση µε Na που στην περίπτωση της αλκοόλης θα παρατηρήσουµε παραγωγή φυσσαλλίδων από το διάλυµα λόγω της παραγωγής αερίου Η 2. Ακόµα, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε και την οξείδωση µε ήπια οξειδωτικά αφού στην περίπτωση της οξείδωσης της αλδεΰδης µε αντιδραστήριο Tollens (ΑgNO 3 /NH 3 ) θα παρατηρήσουµε σχηµατισµό κατόπτρου στο δοχείου. Για τις ενώσεις 10 και11 έχουµε: ΕΝΩΣΕΙΣ/ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΙΣ ΑΛΟΓΟΝΟΦΟΡΜΙΚΗ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗ(Με Ι 2 ) CH 3 CHCH 3 ΑΝΤΙ ΡΑΣΗ ΜΕ Na ΟΞΕΙ ΩΣΗ + + + CH 3 CH 2 CH 2 - + + Άρα παρατηρούµε ότι η µόνη αντίδραση που µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε για να διακρίνουµε τις ενώσεις 10 και 11 είναι η αλογονοφορµική αντίδραση µε Ι 2 αφού στην περίπτωση της ένωσης 10 θα παρατηρήσουµε δηµιουργία κίτρινου ιζήµατος.