Ρυθμιστικά είναι τα διαλύματα που το ph τους παραμένει πρακτικά σταθερό όταν: α...προστεθεί σε αυτά μικρή ποσότητα ισχυρού οξέος ή ισχυρής βάσης, ή β...όταν αραιωθούν μέσα σε κάποια όρια. Τα Ρ. Δ. περιέχουν ένα σύστημα ασθενούς οξέος και της συζυγούς βάσης με παραπλήσιες συγκεντρώσεις π.χ. ΗΑ & Α ή Β & ΒΗ + CH 3 COOH & CH 3 COO ή ΝΗ 3 & ΝΗ 4 + Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 1
Πως λειτουργούν τα Ρυθμιστικά Διαλύματα ; Σε προσθήκη ισχυρού οξέος, άρα Η 3 Ο + ή σε προσθήκη ισχυρής βάσης, άρα ΟΗ, σε ένα Ρ. Δ. Α + Η 3 Ο + ΗΑ + Η 2 Ο... βασική μορφή ΗΑ + ΟΗ Α + Η 2 Ο... όξινη μορφή Για να είναι αποτελεσματικά τα Ρ. Δ. οι συγκεντρώσεις c οξ. & c β. πρέπει να είναι σχετικά υψηλές, από 0,1Μ έως 1Μ Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 2
Συνήθως τα Ρ. Δ. περιέχουν ένα ΑΣΘΕΝΕΣ ΟΞΥ και ένα ΑΛΑΣ ισχυρής βάσης ΑΥΤΟΥ... ή μιά ΑΣΘΕΝΗ ΒΑΣΗ και κάποιο ΑΛΑΣ ισχυρού οξέος ΑΥΤΗΣ. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ : HF & NaF, HCN & KCN, NH 3 & NH 4 Cl, RNH 2 & RNH 3 Cl Σε κάθε Ρ. Δ. ΥΠΑΡΧΕΙ Ε. Κ. Ι. το αντίθετο όμως δεν ισχύει υποχρεωτικά (δεν είναι όλα τα διαλύματα με κοινό ιόν και Ρ. Δ.) Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 3
Παραδείγματα Ρυθμιστικών Διαλυμάτων Υδατικό διάλυμα CH 3 COOH 0,5M & CH 3 COONa 0,5M Περιέχει CH 3 COOH & CH 3 COO Υδατικό διάλυμα NH 3 0,25M & NH 4 Cl 0,5M Περιέχει NH 3 & NH 4 + Υδατικό διάλυμα NaH 2 PO 4 0,2M & Na 2 HPO 4 0,4M Περιέχει H 2 PO 4 & HPO 4 2 Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 4
ΠΡΟΣΟΧΗ!!! ΔΕΝ είναι Ρ. Δ. ένα υδατικό διάλυμα 0,1M NH 4 Cl & 0,1M HCl διότι περιέχει μεν κοινό ιόν Η 3 Ο + αλλά όχι και συζυγές ζεύγος οξέος & βάσης! ΕΡΩΤΗΣΗ - Είναι ρυθμιστικό ένα υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος αφού σε αυτό συνυπάρχει το συζυγές ζεύγος ασθενούς οξέος & βάσης ; πχ ΗΑ & Α ; OXI - ΔΕΝ είναι ρυθμιστικό διότι η συγκέντρωση της συζυγούς βάσης (πχ [Α ]) είναι κατά πολύ μικρότερη της συγκέντρωσης του συζυγούς της οξέος (δηλ. [ΗΑ]). Το συζυγές ζεύγος Οξέος-Βάσης σε ένα Ρ. Δ. προέρχεται από την διάσταση ή τον ιοντισμό ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ηλεκτρολυτών. Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 5
Η Εξίσωση Henderson-Hasselbalch για τα ρυθμιστικά διαλύματα : HA & A : [H 3 O + ] = K a c οξ. /c β. ή ph = pk a +log(c β. /c οξ. ) και αντίστοιχα Β & ΒΗ + : [OH ] = K b c β. /c οξ. ή poh = pk b +log(c οξ. /c β. ) Οι παραπάνω εξισώσεις ισχύουν ΜΟΝΟΝ όταν επιτρέπονται οι γνωστές προσεγγίσεις Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 6
Πώς προκύπτει η εξίσωση Henderson-Hasselbalch για τα ρυθμιστικά διαλύματα; έστω Ρ. Δ. που περιέχει τα συζυγή HA & A τα οποία προκύπτουν με ανάμιξη διαλύματος ΗΑ με άλλο διάλυμα ΝaΑ με c* οξ και c* β αντίστοιχα. Στο τελικό διάλυμα θα έχουμε : ΗΑ + Η 2 Ο Α + Η 3 Ο + απο το όξινο διάλυμα και... ΝaA (aq) Na + + A απο το διάλυμα άλατος (ΕΚΙ από το A ) Και στο τελικό διάλυμα θα υπάρχουν το κοινό ιόν Α καθώς επίσης και ιόντα ΗΑ σε ισορροπία. Προσοχή! Η σταθερά ιοντισμού Κ a ΔΕΝ είναι ανεξάρτητη από την Κ b (ας θυμηθούμε τη σχέση Κ a K b = K w που ισχύει για συζυγές ζεύγος οξέος-βάσης) Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 7
... Αν το οξύ ιοντίζεται κατά xm, θα έχουμε στη θέση ισορροπίας στο τελικό διάλυμα το οξύ και την συζυγή του βάση με συγκεντρώσεις: [ΗΑ] = c οξ - x, [Α ] = c β + x (EKI) και [H 3 O + ] = x Αντικαθιστώντας στην εξίσωση της σταθεράς ιοντισμού Κ a = x (c β + x) / c οξ - x και εφαρμόζοντας τις γνωστές προσεγγίσεις προκύπτει : Κ a = x c β /c οξ «---» x = Κ a c οξ /c β που είναι και η [H 3 O + ] Επομένως το ph δίδεται από την εξίσωση: ph = pk a + log(c β / c οξ ) Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 8
Όταν τα Ρ. Δ. Αραιώνονται, ο λόγος των συγκεντρώσεων οξέος/βάσης (c οξ. /c β. ) παραμένει ΣΤΑΘΕΡΟΣ και για τον λόγο αυτό το ph του διαλύματος παραμένει ΣΤΑΘΕΡΟ. Συνήθως ο λόγος c οξ. /c β. κυμαίνεται από 1 : 10 μέχρι 10 : 1 Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 9
Τα ρυθμιστικά διαλύματα μπορεί να παρασκευαστούν με τους εξής τρόπους: 1. Την ανάμιξη των δύο συστατικών όπως πχ ανάμιξη CH 3 COOH και CH 3 COONa 2. Την μερική εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση πχ CH 3 COOH με NaOH* και 3. Την μερική εξουδετέρωση ασθενούς βάσης από ισχυρό οξύ πχ CH 3 COONa με HCl**. * ο αριθμός των mol της βάσης μικρότερος από αυτό του ασθενούς οξέος ** ο αριθμός των mol του ασθενούς οξέος μικρότερος από αυτό της βάσης Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 10
Τυπικά παραδείγματα ΑΣΚΗΣΕΩΝ Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 11
Άσκηση 1η α) Με πιά αναλογία όγκων πρέπει να αναμίξουμε υδατικό διάλυμα οξικού οξέος συγκέντρωσης 0,1Μ και υδατικού διαλύματος υδροξειδίου του νατρίου συγκέντρωσης 0,2Μ ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph=5; β) δύο λίτρα απο το ρυθμιστικό διάλυμα αραιώνονται με νερό σε τελικό όγκο 8L. Να υπολογιστεί το ph του διαλύματος που θα προκύψει και ο βαθμός ιοντισμού του οξέος σε αυτό. Δίδονται K a = 10-5 και για το νερό K w = 10-14. Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 12
Άσκηση 2η Υδατικό διάλυμα χλωριούχου αμμωνίου έχει συγκέντρωση 0,1Μ και ph=5. α) να υπολογιστεί η σταθερά ιοντισμού K b της αμμωνίας, β) να υπολογιστεί πόσα mol στερεού NaOH πρέπει να διαλυθούν σε 2 L του διαλύματος ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα όγκου 2 L με ph=9. Δίδονται: όλα τα διαλύματα είναι σε θερμοκρασία 25 ο C, και για το νερό K w = 10-14. Κ. ΜΑΛΛΑΣ ΠΕ12.08 13