PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład 2

Transkrypt

1 PODSTAWY CEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA Wykład

2 Plan wykładu II,III Woda jako rozpuszczalnik Zjawisko dysocjacji Równowaga w roztworach elektrolitów i co z tego wynika Bufory ydroliza soli

3 Roztwory (wodne)- przypomnienie Roztwory są to mieszaniny jednorodne złożone z dwóch lub więcej składników (różnych związków chemicznych) Zwykle ten ze składników, którego jest więcej, bywa nazywany rozpuszczalnikiem, a ten drugi substancją rozpuszczoną Zawartość substancji rozpuszczonej definiujemy jako stężenie: stężenie procentowe, masa (ilość gramów) substancji rozpuszczonej zawarta w 100 g roztworu stężenie molowe, liczba moli substancji zawarta w 1 dm roztworu ułamek molowy (wagowy) Obowiązkowo obliczenia związane ze stężeniami

4 Terminologia Nienasycony: to taki roztwór, w którym w danych warunkach ciśnienia i temperatury można rozpuścić jeszcze pewną ilość substancji. Nasycony: to taki, w którym w danej temperaturze w danej ilości rozpuszczalnika nie da się już rozpuścić więcej substancji rozpuszczonej Przesycony: roztwór o stężeniu większym od stężenia roztworu nasyconego w danej temperaturze. Roztwory przesycone są przykładami substancji w stanie termodynamicznym niestabilnym metatrwałym. 4

5 Własności wody (1) wzór sumaryczny O (enry Cavendish 1781) strukturalny-cząsteczka wody jest nie jest liniowa wiązanie w grupach O- jest kowalencyjne pary elektronów w każdym wiązaniu O- wody nie są równomiernie rozłożone pomiędzy dwoma atomami elektrony w każdym wiązaniu O- są przesunięte w stronę atomu tlenu i jego wolnych par atom tlenu zyskuje nieduży dodatkowy ładunek ujemny (-) a atomy dodatkowy ładunek dodatni (+) - O Wiązanie kowalencyjne 5

6 Własności wody ()-Konsekwencje budowy dipolowej Cząsteczki wody są polarne Moment dipolowy wody µ = 1,85 D (1 D =, 10-0 C m) Stała dielektryczna wody ε= 80 (w 0 C) Oddziaływanie elektrostatyczne cząsteczek wody to wzajemne przyciąganie się lub odpychanie cząsteczek o trwałym rozkładzie ładunku elektrycznego np. jonów lub jonu i trwałego dipola. z innymi cząsteczkami wody-wiązanie wodorowe z cząsteczkami polarnymi z jonami 6

7 Elektrolity i dysocjacja elektrolityczna Elektrolity związki, które w stanie stopionym lub w roztworach wodnych przewodzą prąd elektryczny (Arrhenius 1886) nośnikami ładunku elektrycznego w elektrolitach są jony, czyli atomy lub grupy atomów posiadające wypadkowy ładunek elektryczny 7

8 Elektrolity i dysocjacja elektrolityczna Dysocjacja elektrolityczna samorzutny rozpad cząsteczek elektrolitu na jony pod wpływem rozpuszczalnika rozpad na jony może być całkowity lub częściowy (elektrolity mocne lub słabe) wielkość rozpadu na jony określa stopień dysocjacji α: o c o gdzie: α - stopień dysocjacji (0 1) c stężenie molowe jonów powstałych w wyniku dysocjacji, c o - początkowe stężenie molowe elektrolitu α n n c 8

9 Mechanizm dysocjacji elektrolitycznej E w =E at +E jon d Energia wiązania E w r E at E jon Składowa atomowa E at : występowanie molekularnego orbitalu wiążącego Składowa jonowa E jon : występowanie oddziaływania elektrostatycznego E jon 1 4π ε o q q ε 1 r d

10 Mechanizm dysocjacji elektrolitycznej E w =E at +E jon w powietrzu =1 w wodzie =80 E jon (=1)>E jon (=80) E w (=1)>E jon (=80) r

11 Solwatacjaorientacja cząsteczek rozpuszczalnika 1

12 Jak związki jonowe rozpuszczają się w wodzie? Reakcje zachodzące na skutek rozpuszczania: solwatacja (której szczególnym przypadkiem jest hydratacja) - polega na otaczaniu przez cząsteczki rozpuszczalnika, cząsteczek związku rozpuszczanego. Dysocjacja elektrolityczna - polega na samorzutnym rozpadzie związków chemicznych na jony. tworzenie i zrywanie układu wiązań wodorowych 1

13 Warunki zachodzenia dysocjacji Rozpuszczalnik musi mieć odpowiednio dużą wartość względnej przenikalności dielektrycznej (warunek konieczny ale niewystarczający!!!) Rozpuszczona substancja musi posiadać w swoich cząsteczkach wiązanie jonowe lub atomowe spolaryzowane Rozpad cząsteczek na jony przy spełnieniu powyższych warunków zachodzi w wyniku zderzeń termicznych, efektów orientacji dipoli rozpuszczalnika wokół dysocjujących cząsteczek, a także na skutek złożonych oddziaływań między cząsteczkami rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. 14

14 a związki niejonowe? Etanol C 5 O polarna grupa O może tworzyć połączenie (wiązanie wodorowe) z cząsteczkami wody 15

15 Podział elektrolitów 1 (100 %), dysocjacja jest całkowita, takie elektrolity noszą nazwę mocnych 0< <0.1 (poniżej 10 %) dysocjacja jest częściowa, takie elektrolity noszą nazwę słabych Każdy elektrolit rozpada się na jony dodatnie, zwane kationami i na jony ujemne, zwane anionami Jeśli rozpada się cząsteczka obojętna, suma ładunków po prawej stronie równania reakcji musi również być równa zeru 16

16 Roztwory elektrolitów Wiązanie w cząsteczce przed rozpuszczeniem elektrolity mocne 1 Moc elektrolitu elektrolity słabe <<1 jonowe NaCl, KNO - kowalencyjnespolaryzowane Cl, NO N (aq), C COO 17

17 Eksperymentalny dowód dysocjacji 1M C O (aq) Nieelektrolit Substancja rozpuszczona składa się tylko z cząsteczek 1M NaCl (aq) Mocny elektrolit: substancja rozpuszczona zawiera jony 1M C COO (aq) słaby elektrolit: substancja rozpuszczona składa się cząsteczek (głównie) i jonów 18

18 Dysocjacja zasad, kwasów i soli Równania dysocjacji muszą spełniać ogólne warunki dla równań reakcji Dysocjacja kwasów - kationy wodorowe i aniony reszty kwasowej: Cl NO O O Cl NO Dysocjacja wielostopniowa O CCO O C C O O CO CO - O O CO CO

19 Dysocjacja zasad Dysocjacja zasad - kationy metalu i aniony grup wodorotlenowych M e ( O ) N a O n n M e n O N a O N 4 A l(o) A l(o) A l(o) O N O A l(o) A l(o) Al Efektem dysocjacji kwasów jest pojawienie się kationów wodorowych, skutkiem dysocjacji zasad - pojawienie się w roztworze anionów wodorotlenowych O O O 0

20 Dysocjacja soli Większość soli należy do elektrolitów mocnych Sole rozpadają się na kation(y) metalu i anion(y) reszty kwasowej: NaCl Na PbI Pb BaSO Fe (SO 4 ) Ba Cl I Fe SO SO 4 1

21 Stała dysocjacji K D stała równowagi reakcji dysocjacji elektrolitu słabego Dla wielostopniowej reakcji dysocjacji każdy etap charakteryzuje stała równowagi CO CO SO 4 - O SO - 4 O O O CO - - CO SO SO K 1 K K [ ] [ CO [ CO ] [ ] [ [ CO [ CO [ - ] ] [SO ] ] [[SO ] ]!!!!

22 Prawo rozcieńczeń Ostwalda K D K c AB c r(ab) A c r(a) B c r(b) c c α c α c α r(a) c 1 - c r(ab) α r(b) α 1 K D c c 0 0 α α c - c c α 0 D 0 0 c c 0 α α K c α D 0

23 Od czego zależy stopień dysocjacji? Od stężenia 1 Od temperatury 1 c Od rodzaju rozpuszczalnika: Jeżeli ta sama substancja rozpuszcza się w różnych rozpuszczalnikach, to jej stopień dysocjacji (przy tym samym stężeniu i w tej samej temperaturze) jest tym większy im większa jest przenikalność dielektryczna rozpuszczalnika Inżynieria Biomedyczna, I rok T 4

24 Autodysocjacja wody to samorzutna dysocjacja elektrolityczna cząsteczek O zachodząca w wodzie ciekłej. Autodysocjacja jest możliwa gdyż cząsteczki wody mają budowę polarną. O O następuje przeniesienie protonu z jednej cząsteczki wody do drugiej O O jon hydroniowy O Jony + nie istnieją samodzielnie w roztworze, gdyż pojedynczy proton wytwarza bardzo silne pole elektryczne i jest zawsze otoczony przez dipole wody jon hydroksylowy

25 Autodysocjacja wody (cd) O O O Stała dysocjacji wody K D : K D [ O ] [O [ O] ] 55.6 mol dm - K D [ O] [ O ] [O ] const K W K w - iloczyn jonowy wody K W =10-14 w temperaturze 5 o C Reakcja dysocjacji wody jest reakcją endotermiczną : T K W wykładnik jonów wodorowych (Sorensen, 1909) p log[ ] po log[o ]

26 Wykładnik jonów wodorowych p W każdym roztworze wodnym zawsze ustala się stan równowagi wynikający z autodysocjacji wody w temperaturze 5 o C p+po=14 [ ] [O ] W czasie dysocjacji kwasów pojawiają się jony wodorowe (hydroniowe), a w czasie dysocjacji zasad jony wodorotlenowe. Jony te powodują przesunięcie stanu równowagi reakcji dysocjacji w kierunku zgodnym z regułą przekory.

27 Odczyn roztworów-skala p [ + ] Skala p Odczyn zasadowy obojętny kwaśny [O - ] Wzrost [ + ] Wzrost [O - ]