Ρυθμιστικά διαλύματα Ρυθμιστικά διαλύματα ονομάζονται διαλύματα των οποίων το ph παραμένει πρακτικά σταθερό, όταν προστεθεί μικρή αλλά υπολογίσιμη ποσότητα ισχυρών οξέων ή βάσεων. Επίσης μπορούν μέσα σε όρια να αραιωθούν, χωρίς να μεταβληθεί το ph τους. Τα διαλύματα αυτά περιέχουν ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση (ΗΑ / Α -1 ) ή μία ασθενή βάση και το συζυγές της οξύ (Β / ΒΗ +1 ). Παραδείγματα ρυθμιστικών διαλυμάτων: α) διάλυμα HF και NaF, β) διάλυμα ΝΗ 3 και ΝΗ 4 Cl. Σε κάθε ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση ισχύει η σχέση: Η C 1 οξέος 3Ο Ka Cβάσης Η εξίσωση αυτή με λογαρίθμιση οδηγεί στη σχέση: ph pk που είναι γνωστή ως εξίσωση Henderson και Hasselbalh. Ισχύει: pk a = - log K a a log βάσης οξέος Δημήτρης Παπαδόπουλος, χημικός ΓΕΛ Καρέα, 2017
Ρυθμιστικά διαλύματα Σε κάθε ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει μία ασθενή βάση και το συζυγές της οξύ ισχύει η σχέση: 1 βάσης ΟΗ Kb οξέος Η εξίσωση αυτή με λογαρίθμιση οδηγεί στη σχέση: poh pk b log οξέος βάσης Η εξίσωση Henderson και Hasselbalh ισχύει υπό ορισμένες προϋποθέσεις. Για ένα ρυθμιστικό διάλυμα της μορφής π.χ. ΗΑ / Α -1 θα πρέπει: Α) Η συγκέντρωση του οξέος στην κατάσταση ισορροπίας να είναι περίπου ίση με την αρχική συγκέντρωση του οξέος, δηλαδή οξέος = [ΗΑ] αρχικό. Β) Η συγκέντρωση της συζυγούς βάσης στην κατάσταση ισορροπίας να είναι περίπου ίση με την αρχική συγκέντρωση της βάσης, δηλαδή βάσης = [Α -1 ] αρχικό. Γ) Κάθε ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει ένα συζυγές ζεύγος ασθενούς οξέος ασθενούς βάσης με παραπλήσιες τιμές συγκεντρώσεων. Δ) Για τις συγκεντρώσεις των συστατικών του ρυθμιστικού διαλύματος θα πρέπει να ισχύει: > 10-3 M.
Ρυθμιστικά διαλύματα Παράδειγμα 5.14, σελίδα 159: Να βρεθεί το ph ρυθμιστικού διαλύματος που περιέχει HCOOH 0,2 M και HCOONa 0,4 M, αν είναι γνωστό ότι K a (HCOOH)= 2 10-4. Απάντηση: Το ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει το συζυγές ζεύγος HCOOH 0,2 M / HCOO -1 0,4 M. Εφαρμόζοντας την εξίσωση Henderson και Hasselbalh θα έχουμε: βάσης 0,4 ph pk log ph log(2 10 4 a ) log ph 4. οξέος 0,2 2 ος τρόπος λύσης: Σε κάθε ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση ισχύει η σχέση: Η C 1 οξέος 3Ο Ka Cβάσης C 0,2 Η Ο1 οξέος Ka [ 1] 2 10 4 [ 1] 10 4 C 3 3 βάσης 0,4 3 ph= - log 10-4 => ph = 4..
Εφαρμογή σχολικού βιβλίου σελίδα 159: Να βρεθεί το ph διαλύματος CH 3 COOH 0,5 M και CH 3 COONa 0,9 M, αν δίνεται K a (CH 3 COOH)= 1,8 10-5. Απάντηση: Το διάλυμα είναι ρυθμιστικό και σε κάθε ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση ισχύει η σχέση: Η C 1 οξέος 3Ο Ka Cβάσης C 0,5 Η Ο1 οξέος Ka [ 1] 1,8 105 [ 1] 105 C 3 3 βάσης 0,9 3 ph= - log 10-5 => ph = 5..
Παρασκευές ρυθμιστικών διαλυμάτων Μπορούμε να παρασκευάσουμε ρυθμιστικό διάλυμα της μορφής ΗΑ / Α -1, π.χ. HF / NaF, με τους εξής τρόπους: 1) Με ανάμιξη ασθενούς οξέος με τη συζυγή του βάση. π.χ. προσθήκη διαλύματος HF σε διάλυμα NaF. 2) Με μερική εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση. π.χ. προσθήκη x mol NaOH σε διάλυμα που περιέχει y mol HF, όπου x < y. Μπορούμε να παρασκευάσουμε ένα ρυθμιστικό διάλυμα της μορφής Β / ΒΗ +1, π.χ. ΝΗ 3 / NH 4 Cl, με τους εξής τρόπους: 1) Με ανάμιξη ασθενούς βάσης με το συζυγές της οξύ. π.χ. προσθήκη διαλύματος ΝΗ 3 σε διάλυμα NH 4 Cl. 2) Με ανάμιξη περίσσειας ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ. π.χ. προσθήκη y mol HCl σε διάλυμα που περιέχει x mol NH 3, όπου y < x.
Παρασκευές ρυθμιστικών διαλυμάτων
Εφαρμογή σχολικού βιβλίου σελίδα 160: Ποιος όγκος διαλύματος HCl 0,2 M πρέπει να αναμιχθεί με 500 ml διαλύματος ΝΗ 3 0,6 Μ για να πάρουμε ρυθμιστικό διάλυμα με ph=9; Δίνονται K b (NH 3 )=10-5 και K w =10-14. Απάντηση: Έστω x L ο όγκος του διαλύματος HCl 0,2 M που χρειαζόμαστε. Εύρεση mol HCl: C n C V n 0,2 x 0,2 x mol HCl V n Εύρεση mol NH 3 : C n C V n 0,6 0,5 0,3 mol NH V n 3 Για να πάρουμε ρυθμιστικό διάλυμα θα πρέπει να αντιδράσει όλο το HCl. Νέες συγκεντρώσεις: [ΝΗ 3 ] : HCl + NH 3 NH 4 Cl Αρχικά: 0,2 x mol 0,3 mol Αντ/Παρ: -0,2 x mol -0,2 x mol 0,2 x mol Τελικά: 0 mol 0,3 0,2 x mol 0,2 x mol [ΝΗ 4 Cl]: C ΝΗ3 C ΝΗ 0,30,2x M 0,5 x 0,2x M 0,5 x 4Cl
Εφαρμογή σχολικού βιβλίου σελίδα 160: Ποιος όγκος διαλύματος HCl 0,2 M πρέπει να αναμιχθεί με 500 ml διαλύματος ΝΗ 3 0,6 Μ για να πάρουμε ρυθμιστικό διάλυμα με ph=9; Δίνονται K b (NH 3 )=10-5 και K w =10-14. Συνέχεια απάντησης: NH 4 Cl NH +1 4 + Cl -1 0,2x M 0,2x M 0,2x M 0,5 x 0,5 x 0,5 x ph=9 => poh= 14-9 = 5. Άρα [ΟΗ -1 ]=10-5 M. Για τα ρυθμιστικά διαλύματα ισχύει η σχέση: Θα έχουμε: OH 1 K b C C βάσης οξέος 0,30,2x 0,3 0,2 x 10 5 10 5 0,5 x 1 0,2x 0,30,2x x 0,2x 0,2x 0,5 x 3 L 4 Για να φτιάξουμε το ρυθμιστικό διάλυμα χρειάζεται να προσθέσουμε 0,75 L HCl.
Πώς δρουν τα ρυθμιστικά διαλύματα; Τα ρυθμιστικά διαλύματα: 1. Διατηρούν το ph τους πρακτικά σταθερό όταν προστίθενται σε αυτά μικρές αλλά υπολογίσιμες ποσότητες ισχυρών οξέων ή βάσεων. 2. Διατηρούν το ph τους πρακτικά σταθερό, κατά την αραίωσή τους σε ορισμένα όρια. Αν υπερβούμε αυτά τα όρια τότε η τιμή του ph αλλάζει σημαντικά.
Προσθήκη ισχυρού οξέος ή βάσης σε ρυθμιστικό διάλυμα. Ένα ρυθμιστικό διάλυμα περιέχει ένα συζυγές ζεύγος οξέος βάσης. Η όξινη μορφή αυτού του ζεύγους εξουδετερώνει τις προστιθέμενες βάσεις, ενώ η βασική μορφή τα οξέα. Ρυθμιστικό διάλυμα CH 3 COOH και CH 3 COONa. Α) Προσθήκη στο διάλυμα ισχυρού οξέος, π.χ. HCl. Γίνεται η αντίδραση: CH 3 COONa + HCl CH 3 COOH + NaCl Β) Προσθήκη στο διάλυμα ισχυρούς βάσης, π.χ. NaOH. Γίνεται η αντίδραση: CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O Η ποσότητα HCl ή NaOH που προσθέτουμε θα πρέπει να είναι σημαντικά μικρότερη από τις ποσότητες CH 3 COONa ή CH 3 COOH, ώστε να μη δεσμευθεί μεγάλη ποσότητα από κάποιο συστατικό του ρυθμιστικού και το διάλυμα χάσει τη ρυθμιστική του ικανότητα.
Προσθήκη ισχυρού οξέος ή βάσης σε ρυθμιστικό διάλυμα. Ρυθμιστικό διάλυμα NH 3 και NH 4 Cl. Α) Προσθήκη στο διάλυμα ισχυρού οξέος, π.χ. HCl. Γίνεται η αντίδραση: NH 3 + HCl NH 4 Cl Β) Προσθήκη στο διάλυμα ισχυρούς βάσης, π.χ. NaOH. Γίνεται η αντίδραση: NH 4 Cl + NaOH NH 3 + NaCl + H 2 O
Αραίωση ρυθμιστικού διαλύματος. Αν έχουμε ρυθμιστικό διάλυμα: ΗΑ 1 Μ και NaA 2 Μ, τότε ισχύει [Η 3 Ο +1 ] = Κ a 1 / 2. Αν αραιώσουμε το διάλυμα 10 φορές με νερό, τότε το διάλυμα που θα προκύψει θα περιέχει: ΗΑ 0,1 1 Μ και NaA 0,1 2 M, οπότε [Η 3 O +1 ]=Κ a (0,1 1 )/(0,1 2 ) = Κ a 1 / 2. Παρατηρούμε δηλαδή ότι κατά την αραίωση το ph του ρυθμιστικού διαλύματος παραμένει σταθερό. Αυτό βέβαια με την προϋπόθεση ότι ισχύουν οι προσεγγίσεις που απαιτούνται για την εφαρμογή της σχέσης: [Η 3 Ο +1 ] = Κ a οξέος / βάσης. Όταν, με συνεχή αραίωση, φτάσουμε στο σημείο να μην ισχύουν οι προϋποθέσεις για την εφαρμογή της παραπάνω σχέσης, τότε το διάλυμα χάνει τη ρυθμιστική του ικανότητα.
Εφαρμογή σχολικού βιβλίου σελίδα 164: Σε 1 L ρυθμιστικού διαλύματος Γ που περιέχει ΝΗ 3 0,2 Μ και NH 4 Cl 0,4 Μ προσθέτουμε 1 L διαλύματος HCl 0,05 Μ και παίρνουμε 2 L διαλύματος Δ. Να βρεθεί η [Η 3 Ο +1 ] στα διαλύματα Γ και Δ. Δίνονται: K b (NH 3 )=2 10-5 και K w =10-14.
Χρησιμότητα ρυθμιστικών διαλυμάτων Τα ρυθμιστικά διαλύματα βρίσκουν πολλές εφαρμογές, όπως: 1. Στην αναλυτική χημεία για τη βαθμονόμηση πεχαμέτρων, ποσοτική ανάλυση κ.λπ. 2. Στη βιομηχανία. Πολλές χημικές και βιοχημικές διεργασίες πρέπει να γίνονται σε καθορισμένη τιμή ph (βιολογικοί καθαρισμοί, επεξεργασία δερμάτων, παραγωγή χρωμάτων, λιπασμάτων κ.λπ.). Αυτό διασφαλίζεται με τη χρησιμοποίηση ρυθμιστικών διαλυμάτων. 3. Στην ιατρική, βιολογία, φαρμακευτική. Στον ενόργανο κόσμο τα περισσότερα υγρά των ζώων και φυτών είναι ρυθμιστικά διαλύματα, τα οποία ρυθμίζουν τις βιοχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα. Για παράδειγμα το αίμα είναι ρυθμιστικό διάλυμα, γι αυτό και οι ενδοφλέβιες ενέσεις περιέχουν ρυθμιστικό διάλυμα.
Ασκήσεις στα ρυθμιστικά διαλύματα. 1. Εύρεση του ph ή του poh ενός ρυθμιστικού διαλύματος. 2. Εύρεση της αναλογίας όγκων δύο διαλυμάτων που θέλουμε να αναμίξουμε για να φτιάξουμε ρυθμιστικό διάλυμα. 3. Εύρεση της ποσότητας μιας ουσίας που πρέπει να προσθέσουμε σε ένα διάλυμα για να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα. 4. Εύρεση του ph ή του poh ενός ρυθμιστικού διαλύματος μετά την προσθήκη ορισμένης ποσότητας ισχυρού οξέος ή βάσεως. 5. Εύρεση του ph ή του poh ενός ρυθμιστικού διαλύματος μετά από αραίωση. 6. Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος ορισμένου όγκου.
Ερώτημα Δ4. πανελληνίων εξετάσεων Χημείας Γ τάξης ημερήσιου Γενικού Λυκείου, 14 Ιουνίου 2017. Πόση ποσότητα αερίου ΗΙ πρέπει να διαλυθεί πλήρως σε 100 ml διαλύματος ΝΗ 3 συγκέντρωσης 0,1 Μ και ph=11, ώστε να μεταβληθεί το ph του κατά δύο μονάδες; Κατά την προσθήκη ΗΙ δεν μεταβάλλεται ο όγκος του διαλύματος. Δίνονται: θ=25 ο C, K w =10-14. Επιτρέπονται οι γνωστές προσεγγίσεις. Απάντηση: Έστω η τα mol του HI που θα προστεθούν. Για το αρχικό διάλυμα της ΝΗ 3 αφού ph=11 => poh=3 => [OH -1 ]=10-3 M. Εύρεση της K b της ΝΗ 3. NH 3 + H 2 O NH +1 4 + OH -1 Αρχ: 0,1 Μ Αντ/Παρ: - x M +x M +x M Χ.Ι.: 0,1 x M x M x M [NH 1] [OH1] x2 x (10 ) K 4 K K b 10 5 b. [NH ] b 3 0,1x 0,1 0,1 2 3 2
Ερώτημα Δ4. πανελληνίων εξετάσεων Χημείας Γ τάξης ημερήσιου Γενικού Λυκείου, 14 Ιουνίου 2017. Πόση ποσότητα αερίου ΗΙ πρέπει να διαλυθεί πλήρως σε 100 ml διαλύματος ΝΗ 3 συγκέντρωσης 0,1 Μ και ph=11, ώστε να μεταβληθεί το ph του κατά δύο μονάδες; Κατά την προσθήκη ΗΙ δεν μεταβάλλεται ο όγκος του διαλύματος. Δίνονται: θ=25 ο C, K w =10-14. Επιτρέπονται οι γνωστές προσεγγίσεις. Συνέχεια απάντησης: Εύρεση mol της ΝΗ 3 : η=c V=> η=0,1 0,1 = 0,01 mol NH 3. Με την προσθήκη ΗΙ το ph θα μειωθεί και θα γίνει ph =11 2 = 9. Γίνεται η αντίδραση: ΝΗ 3 + ΗΙ ΝΗ 4 Ι. Διερεύνηση για την ποσότητα του ΗΙ: Αν η=0,01 mol τότε το NH 4 I που παράγεται δίνει Η 3 Ο +1 στο διάλυμα και το ph < 7. Αν η > 0,01 mol τότε στο διάλυμα υπάρχει ΗΙ και NH 4 I που και οι δύο ενώσεις έχουν όξινες ιδιότητες. Άρα ph < 7. Για να παραχθεί διάλυμα με ph =9 πρέπει να ισχύει η < 0,01 mol.
Ερώτημα Δ4. πανελληνίων εξετάσεων Χημείας Γ τάξης ημερήσιου Γενικού Λυκείου, 14 Ιουνίου 2017. Συνέχεια απάντησης: Νέες συγκεντρώσεις: ΝH 3 + ΗΙ ΝΗ 4 Ι Αρχικά: 0,01 mol η mol Αντ/Παρ: -η mol -η mol η mol Τελικά: 0,01-η mol 0 mol η mol C NH3 0,01η 0,1 Μ Προκύπτει ρυθμιστικό διάλυμα ΝΗ 3 / ΝΗ 4 +1. Εύρεση K a (NH 4 +1 ): C NH4 14 η 0,1 K K 10 14 K 10 K 10 K 10 9 a b a a a. K 105 Από την εξίσωση των Henderson και Hasselbalh θα έχουμε: ph pk a log βάσης οξέος 99log b βάσης οξέος Μ βάσης 14 οξέος 0,01η 0,1 η 0,01 η η η0,005 0,1 mol ΗΙ.
Ερώτημα Δ2. πανελληνίων εξετάσεων Χημείας Γ τάξης ημερήσιου Γενικού Λυκείου, 9 Σεπτεμβρίου 2016, εξετάσεις τέκνων Ελλήνων του εξωτερικού. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμειχθούν διάλυμα NaOH 0,1 M με διάλυμα HB 1 M και K a =10-6 ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph=6. Απάντηση: Έστω x L διαλύματος NaOH 0,1 Μ και y L διαλύματος ΗΒ 1 Μ. Για το διάλυμα του NaOH: C n C V n 0,1 x mol V n Για το διάλυμα του HB: C n C V n 1 y y mol HB V n Αντιδρά όλο το NaOH για να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα. NaOH ΗΒ + NaOH ΝaB + H 2 O Αρχικά: y mol 0,1 x mol Αντ/Παρ: -0,1 x mol -0,1 x mol 0,1 x mol Τελικά: y - 0,1 x mol 0 mol 0,1 x mol Νέες συγκεντρώσεις: C HB y0,1x x y Μ C NaB 0,1 x y x Μ
Ερώτημα Δ2. πανελληνίων εξετάσεων Χημείας Γ τάξης ημερήσιου Γενικού Λυκείου, 9 Σεπτεμβρίου 2016, εξετάσεις τέκνων Ελλήνων του εξωτερικού. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμειχθούν διάλυμα NaOH 0,1 M με διάλυμα HB 1 M και K a =10-6 ώστε να προκύψει ρυθμιστικό διάλυμα με ph=6. Συνέχεια απάντησης: NaB Na +1 + B -1 0,1 x y x Μ 0,1 x y x Μ 0,1 x y x Μ Έχουμε ρυθμιστικό διάλυμα άρα ισχύει ο τύπος: ph pk a log βάσης οξέος 6 6log 0,1x x y y0,1x x y 0,1x log1 log y0,1x 0,1x x 1 y0,1x 0,1x y 0,2x 5. y0,1x y