Roztwory elektrolitów Podział 04_4 Power Source mocne efektywnie przewodzą prąd (NaCl, HNO ) słabe słabo przewodzą (ocet, woda z kranu) nie-elektrolity nie przewodzą (czysta woda, roztwór cukru) (a) (b) (c) Przewodnictwo elektryczne elektrolitów (< 1 Ω -1 cm -1 ) jest < niż metali (<10 4-10 6 Ω -1 cm -1 ) i zależne od stężenia: a) ruchliwość jonów< ruchliwość elektronów b) nośników ładunku jest mniej w elektrolicie
Roztwory elektrolitów Właściwości W porównaniu z nie-elektrolitami roztwory elektrolitów wykazują mocniejsze efekty: obniżenie ciśnienia pary nasyconej temperatury krzepnięcia podwyższenie ciśnienia osmotycznego temperatury wrzenia
Stopień dysocjacji Definicja stosunek liczby cząsteczek rozpadających się na jony do ogólnej liczby cząsteczek rozpuszczonych nazywa się α = n jony n 0 czast H ( ) HB HB α 1 > α 2 H A - H A - A - A - H H A - HB H HB H H H A - A- HB B - HB HB HB H A - A - H A - HB A - H H A - HB HB ( ) HA H A - HB H B - α α 1 2
Roztwory elektrolitów Wiązania w cząsteczce przed rozpuszczeniem jonowe kowalencyjne-spolaryzowane Moc elektrolitu el. silne α 100% NaCl, KNO HCl, HNO el. słabe α<<100% - NH, CH COOH
Solwatacja Orientacja cząsteczek wody H O H - H O H kation anion
Aktywność roztworów Dlaczego wymyślono pojęcie aktywności? Roztwory elektrolitów (zwłaszcza mocnych) to skomplikowane układy (oddziaływania jony-jony, cz. rozpuszczalnika-jony Opisując równowagę w takich układach można: a) Zastosować skomplikowane wzory na stałą równowagi b) Zachować prostą postać równania na stałą równowagi i skomplikować pojęcie stężenia Roztwór rzeczywisty a i = x f i współczynnik aktywności, f i (p, T, c j, c i ) i f i f i 1 a i Model roztworu idealnego x i x c i i = << c c i 0 c 0
Aktywność roztworów Jak obliczyć współczynnik aktywności? 2 2 Az log f i µ Azi µ i = 05. z 1 Bξ µ 1 µ 2 i 1 2 N µ µ = i= 1 c i z i 2 gdzie ξ - średnica uwodnionego jonu. A B = = 1.825 ( εt ) 50.29 1 ( εt )2 10 2 6
Przykład: Obliczmy współczynnik aktywności i aktywność jonu Sr 2 w 0.01 M roztworze SrCl 2, w obecności 0.01 M roztworu KCl. Obliczamy siłę jonową roztworu: µ=1/2.(0.01.40.01.10.0.1)=0.04 Stosujemy prawo Debay'a-Hückela (wiedząc, że A=0.51, B=..107, =5.10-8 cm): log f Aktywność roztworów i 2 Azi µ 051. 4 004. = = 1 Bξ µ 8 7 1 5 10. 10 0. 04 =021. zatem fi=0.49.
Aktywność roztworów Kiedy stosować aktywność? AB A B - stała równowagi stężenie K c K act K = = f f A A f f AB AB f f B B c K A c c c AB B =
Modele kwasów i zasad Arrhenius (1887) kwasy H zasady OH - Ograniczenia: roztwory wodne Przykłady: kwasy: HCl, HNO, H 2 SO 4 zasady: NaOH, Ca(OH) 2
Modele kwasów i zasad Brønsted (192) kwasy donory H (proton) zasady akceptory H (proton) Ograniczenia : roztwory protolityczne (H 2 O, NH ) Przykłady ady: HCl H 2 O Cl H O acid base NH H 2 O NH 4 OH - base acid
Modele kwasów i zasad Lewis (192) kwasy akceptory pary elektronowej zasady donory pary elektronowej Ograniczenia : Przykłady ady: wszystkie związki zki mogą być opisywane jako donory lub akceptory pary elektronowej H 2 O H H O NH (g) HCl (g base acid NH 4 Cl (g) NH Cl (s)
Model Brønsteda niesprzężone pary kwas - zasada K 1 Z 2 K 2 Z 1 sprzężone pary kwas - zasada HA(aq) H 2 O(l) H O (aq) A (aq) acid 1 base 2 acid 2 base 1 conjugate base: remains of the acid molecule after a proton is lost. conjugate acid: formed when the proton is transferred to the base.
Model Brønsteda Przykłady Kwasy jednoprotonowe HCl H 2 O HNO H 2 O HClO 4 H 2 O Kwasy dwuprotonowe 1) H 2 SO 4 H 2 O Rozpuszczalnik woda 2) HSO 4 - H 2 O 1) H 2 CO H 2 O 2) HCO - H 2 O
Model Brønsteda Przykłady kwas 1 zasada 2 kwas 2 zasada 1 HCl H 2 O H O Cl HNO H 2 O H O NO HClO 4 H 2 O H O ClO 4 1) H 2 SO 4 H 2 O H O HSO 4 2) HSO 4 - H 2 O H O SO 4 2 1) H 2 CO H 2 O H O HCO 2) HCO - H 2 O H O CO 2
Model Brønsteda Przykłady dysocjacja hydroliza kwas 1 zasada 2 kwas 2 zasada 1 HCl H 2 O H O Cl - CH COOH H 2 O H O CH COO NH 4 H 2 O H O NHN H 2 O CH COO OH - CH COOH rozp. gazu H 2 O NHN OH - NH 4 CH COOH OH - H O CH COO H 2 O NHN NH 4 H 2 O zobojętnianie autodysocjacja H 2 O H 2 O OH - H O
Model Brønsteda Przykłady Rozpuszczalnik amoniak kwas 1 zasada 2 kwas 2 zasada 1 HCl NH NH 4 Cl - CH COOH NH NH 4 Rozpuszczalnik kwas octowy Rozpuszczalnik metanol CH COO CH COOH CH NH 2 CH COO CH NH CH COOH CH OH CH COO CH OH 2
Model Brønsteda Roztwory niewodne - autodysocjacja autodysocjacja 2 H 2 O OH - H O 2 NH NH 4 NH 2 - HF H 2 F HF 2-2 HCN H 2 CN CN - zobojętnianie
Model Brønsteda Autodysocjacja wody K = f ( T, p) H 2 O H 2 O H O OH conj conj acid base 2 acid 2 base 1 K K w = [ OH ] [ HO 2 [ H O] = H O ][ OH [ 2 ] ] K w (298K,1atm) = 10 14 roztwór 1) [H O ]=[OH - ] = 1 10 7 obojętny (neutral( neutral) 2) [H O ]>[OH - ] kwaśny (acidic( acidic) ) [H O ]<[OH - ] zasadowy (basic( basic)
Skala ph 14 K w = [ HO ][ OH ] = 10 log( ) = log([ HO ]) log([ OH ]) = 14 K w 14 log( ) = log([ H O ]) log([ OH ]) = K w pk w ph poh = ph poh = log([ HO = log([ OH = 14 ]) ]) K w (298K,1atm) = 10 14
Skala ph [H ] ph 298 K, 1 atm zasadowy Basic 10 14 14 10 1 1 10 12 12 10 11 11 10 10 10 1 M NaOH Ammonia (Household cleaner) 10 9 9 obojętny Neutral 10 8 8 10 7 7 10 6 6 Blood Pure water Milk 10 5 5 kwaśny Acidic 10 4 4 10 10 2 2 Vinegar Lemon juice Stomach acid 10 1 1 1 0 1 M HCl
Stałe równowagi w roztworach słabe kwasy HA(aq) H 2 O(l) H O (aq) A (aq) HO A = = HA K a H A HA
Stałe równowagi w roztworach słabe kwasy rozpuszczamy kwas octowy w wodzie CH COOH H 2O CH COO H O K 1 Z2 Z1 K2 [ CH COO ] [ HO [ CH COOH ] K a = ] Stała dysocjacji kwasu K a jest to stała równowagi reakcji kwasu z wodą.
Stałe równowagi w roztworach słabe kwasy rozpuszczamy dwutlenek węgla w wodzie 2 a HCO H HCO ( K ) 2 a HCO H CO ( K ) 1 2 K K a a 1 2 = = [ H O ][ HCO [ H CO ] 2 [ H O ][ CO [ HCO ] 2 ] ] K > a K 1 a 2
Stałe równowagi w roztworach słabe kwasy Table 14.2 Values of K a for Some Common Monoprotic Acids Formula Name Value of K a * HSO 4 Hydrogen sulfate ion 1.2 x 10 2 HClO 2 Chlorous acid 1.2 x 10 2 HC 2 H 2 ClO 2 Monochloracetic acid 1.5 x 10 HF Hydrofluoric acid 7.2 x 10 4 HNO 2 Nitrous acid 4.0 x 10 4 HC 2 H O 2 Acetic acid 1.8 x 10 5 [Al(H 2 O) 6 ] Hydrated aluminum(iii) ion 1.4 x 10 5 HOCl Hypochlorous acid.5 x 10 8 HCN Hydrocyanic acid 6.2 x 10 10 NH 4 Ammonium ion 5.6 x 10 10 HOC 6 H 5 Phenol 1.6 x 10 10 Increasing acid strength *The units of K a are mol/l but are customarily omitted.
Stałe równowagi w roztworach sole słabych s kwasów rozpuszczamy octan sodowy w wodzie COOH OH CH COO H 2O CH Z 1 K2 K1 Z2 K b = [ CHCOOH ] [ OH [ CH COO ] ] Stała K b jest stałą równowagi reakcji zasady CH COO - z wodą. Nazywamy ją też stałą hydrolizy.
Stałe równowagi w roztworach słabe zasady rozpuszczamy gazowy amoniak w wodzie NH NH ) ( g ) ( aq NH H 2O NH 4 OH Z 1 K2 K1 Z2 K b = [ NH 4 ] [ NH [ OH ] aq ] K b jest stałą dysocjacji zasadowej zasady (NH ) aq. Jest to stała równowagi reakcji zasady z rozpuszczlnikiem, tj. wodą.
Stałe równowagi w roztworach sole słabych s zasad rozpuszczamy chlorek amonu w wodzie NH 4 H 2O NH H aq O K 1 Z2 Z1 K2 K a = [ NH aq [ NH ] [ H 4 ] O ] Stała K a jest stałą równowagi reakcji kwasu NH 4 z wodą. Nazywamy ją też stałą hydrolizy.
Moc kwasów i zasad 14_22 Before dissociation HA After dissociation, at equilibrium H A (a) HA HA (b) H A
Moc kwasów i zasad sprzęż ężone pary, stałe e równowagir Większe jest K a słabego kwasu, tym mocniejszy jest kwas i słabsza sprzężona z nim zasada. Zasada mocniejsza od OH - jest w wodzie mocną zasadą; zasady słabsze od OH - są w wodzie słabymi zasadami. Relative acid strength Very strong Strong Weak Relative conjugate base strength Very weak Kwas mocniejszy od H O jest w wodzie kwasem mocnym; kwasy słabsze od H O są w wodzie kwasami słabymi. Weak Im większe jest K b słabej zasady, tym mocniejsza jest zasada i słabszy sprzężony z nią kwas Very weak Strong Very strong
Moc kwasów i zasad sprzęż ężone pary mocny słaby HClO 4 HI HBr HCl H 2 SO 4 HNO H O HSO 4 - HF H 2 CO H 2 S NH 4 HCO - H 2 O NH ClO 4 - I - Br - Cl - HSO 4 - NO - H 2 O SO 4 2- F - HCO - HS - NH CO 2- OH - NH 2 - słaba mocna kwas zasada
Moc kwasów i zasad elektroujemność Im bardziej elektroujemny jest atom centralny, tym mocniejszy jest kwas.
Moc kwasów i zasad stopień utlenienia HClO 4, chlorowy (VII) HClO, chlorowy (V) HClO 2, chlorowy (III) mocny mocny pk a 2.00 :O: ll :Cl O H : : : :O: ll O = Cl O H ll :O: :O: ll :Cl O H ll :O: : : HClO, chlorowy (I) pk a 7.5 :Cl O H : : : :
H Ind H 2 O H O Ind Wskaźniki [ H O ] H Ind H 2O HO Ind barwa 1 barwa 2 ph>7 zakres zmiany barwy wskaźnika ph K = [ H O ] [ Ind [ H Ind] ] ph = pk [ Ind ] log [ H Ind ]
H Ind H 2 O H O Ind Wskaźniki [ OH ] H Ind H 2O HO Ind barwa 1 barwa 2 zakres zmiany barwy wskaźnika ph K = [ H O ] [ Ind [ H Ind] ] ph = pk [ Ind ] log [ H Ind ]
Wskaźniki 15_4 0 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ph Crystal Violet Cresol Red Thymol Blue Erythrosin B 2,4-Dinitrophenol Bromphenol Blue Methyl Orange Bromcresol Green Methyl Red Eriochrome* Black T Bromcresol Purple Alizarin Bromthymol Blue Phenol Red m - Nitrophenol o-cresolphthalein Phenolphthalein Thymolphthalein Alizarin Yellow R * Trademark CIBA GEIGY CORP. The ph ranges shown are approximate. Specific transition ranges depend on the indicator solvent chosen.
Wskaźniki HO OH O O C OH C mocny kwas i mocna zasada (t) C O O (Colorless acid form, HIn) słaby kwas i mocna zasada (t) C O O (Pink base form, In ) mocny kwas i słaba zasada (t)
Kwaśne deszcze Surface waters (e.g., lakes and streams) and animals living in them Forests Soil Automotive Coatings Materials Visibility Human Health
Kwaśny papier ph= > 7.0 ph= < 6.6 H 2 O / H