Chemia - laboratorium Wydział Geologii, Geofizyi i Ochrony Środowisa Studia stacjonarne, Ro I, Semestr zimowy 01/14 Dr hab. inż. Tomasz Brylewsi e-mail: brylew@agh.edu.pl tel. 1-617-59 atedra Fizyochemii i Modelowania Procesów Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramii A, I p., poój 105 onsultacje: wtore 10:00-11:00
Laboratorium VI Równowagi jonowe w wodnych roztworach eletrolitów, część II wyprowadzenie prawa rozcieńczeń Ostwalda, zastosowanie prawa równowagi chemicznej do równowag w roztworach eletrolitów (rozwiązywanie zadań), auto-dysocjacja wody, definicja iloczynu jonowego wody i wyprowadzenie jego wyrażenia, pojęcie ph i poh roztworów wodnych (rozwiązywanie zadań).
Dysocjacja eletrolityczna - równanie Ostwalda Z równania na dysocjację słabego wasu: wynia, że [H + ] = [A - ] H HA O H A jeśli c - początowe stężenie molowe eletrolitu, a α - stopień dysocjacji, to stężenia obu rodzajów jonów będą równe: [H + ] = [A - ] = α c, natomiast stężenie niezdysocjowanych cząstecze: [HA] = c c = (1 α)c. po podstawieniu tych wyrażeń we wzorze na stałą dysocjacji otrzymujemy: [H ] [A [HA] ] c c (1 ) c c 1
Dysocjacja eletrolityczna - równanie Ostwalda, cd. c 1 Prawo rozcieńczeń Ostwalda (1888 r.) oreśla zależność między stopniem dysocjacji, stałą dysocjacji i stężeniem początowym eletrolitu. Wilhelm Ostwald 185-19 Dla eletrolitów słabo zdysocjowanych na jony, w roztworach niezbyt rozcieńczonych, jest liczbą bardzo małą, można przyjąć, że 1 α 1, wtedy: c 0,05 c Uproszczone równanie Ostwalda, gdy: lub c 400
Dysocjacja eletrolityczna - równanie Ostwalda, cd. Prawo rozcieńczeń Ostwalda: Stopień dysocjacji słabego eletrolitu jest odwrotnie proporcjonalny do pierwiasta wadratowego ze stężenia tego eletrolitu w roztworze i wprost proporcjonalny do pierwiasta wadratowego ze stałej dysocjacji. c Wniose: gdy stężenie roztworu stopień dysocjacji, natomiast stała równowagi jest niezmienna.
Zastosowanie prawa równowagi chemicznej do równowag w eletrolitach - rozwiązywanie zadań Celem zadań rachunowych związanych z równowagą jonową w roztworach wodnych jest: obliczanie stałych i stopni dysocjacji słabych eletrolitów, obliczanie stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych w roztworach wasów, zasad i soli.
Zastosowanie prawa równowagi chemicznej do równowag w eletrolitach - rozwiązywanie zadań, cd. Zadanie 1 Stopień dysocjacji wasu octowego w roztworze wodnym o stężeniu 0,05 mol/dm wynosi 0,019 w temperaturze 5 C. Obliczyć stężenie jonów wodorowych, octanowych i cząstecze niezdysocjowanych wasu oraz jego stałą dysocjacji. Rozwiązanie: Z równania dysocjacji wasu octowego: wynia, że stężenia obu jonów będą jednaowe: CH COOH H CH COO gdzie α - stopień dysocjacji, c - stężenie początowe wasu octowego. Zatem: H O [ CHCOO ] [H ] c [CHCOO ] [H ] (0,019) (0,05mol/ dm ) 9,5 10 mol/ dm 4
Zastosowanie prawa równowagi chemicznej do równowag w eletrolitach - rozwiązywanie zadań, cd. Natomiast stężenie niezdysocjowanej części wasu octowego wynosi: Wobec tego: [ CHCOOH] (c c) (1 ) c [ CHCOOH] (1 0,019) 0,05mol/ dm 0,049mol/ dm [H ] [CH [CH COO COOH] ] (9,5 10 4 mol/ dm 0,049mol/ dm ) 1,8410 5 mol/ dm Stałą obliczono taże ze wzoru Ostwalda: c 1 (0,019) 0,05mol/ dm 1 0,019 1,8410 5 mol/ dm
Zastosowanie prawa równowagi chemicznej do równowag w eletrolitach - rozwiązywanie zadań, cd. Zadanie Obliczyć stężenie roztworu wodorotlenu amonu, w tórym jest on zdysocjowany w 5%. Stała dysocjacji tego związu wynosi 1,84x10-5 mol/dm Rozwiązanie: Wodorotlene amonu w wodzie ulega dysocjacji: H O NH H O NH 4 OH Stosując wzór na stałą równowagi: [NH 4 z [NH zatem: ] [OH H O] ] c 1 ponieważ 1-1 oraz 0.05 z c c z
Zastosowanie prawa równowagi chemicznej do równowag w eletrolitach - rozwiązywanie zadań, cd. Zamieniając stopień dysocjacji wyrażony w procentach na wyrażony w ułamu: 5,0 0,05 100 Stężenie rozpuszczonego w wodzie wodorotlenu amonu wynosi więc: c 1,8410 5 (0,05) mol/ dm 7,410 mol/ dm
Auto-dysocjacja wody Przewodnictwo eletryczne wody bardzo nisie auto-dysocjacja zachodząca w bardzo małym stopniu wg reacji: H O reacja o bardzo dużym znaczeniu w chemii roztworów wodnych. Zapis tej reacji niezgodny z rzeczywistością w roztworze wodnym ation H + nie może istnieć (stanowiłby wolny proton), podczas procesu dysocjacji wody odbywa się przeniesienie protonu od jednej cząsteczi wody do drugiej, wg reacji: H HO HO HO OH OH gdzie: H O + - jon hydroniowy (uwodniony proton), OH - - jon wodorotlenowy.
Autodysocjacja wody, cd. Jon hydroniowy ation wodorowy hydratyzowany jedną cząsteczą wody. Oddziaływanie jonu wodorowego z cząsteczą wody - bardzo silne - energia oddziaływania w jonie = 711,4 J/mol. Dwa wiązania atomowe oraz dwie wolne pary eletronów tworzą czworościan: w środu znajduje się tlen - jedna para eletronów wiąże jon H + zajmujący pozycję narożną w czworościanie.
Iloczyn jonowy wody Dla uproszczenia reację auto-dysocjacji przedstawia się w postaci: HO H a jej stała równowagi: Stężenie cząstecze wody jest pratycznie stałe, więc: Iloczyn dwóch wielości stałych w warunach T = ºC i p = 1,01 bar OH 1000g [ HO] 55,5mol/ dm 18g jest wielością stałą i nosi nazwę iloczynu jonowego wody: d [H ] [OH [H O] d [HO] [H ] [OH d 1,8 10 16 ] mol/ dm 16 14 d [HO] (1,8 10 mol/ dm ) (55,5mol/ dm ) 110 (mol/ dm ) ]
Iloczyn jonowy wody, cd. Iloczyn jonowy wody - iloczyn stężeń jonów H + i jonów OH - : 14 H O [H ] [OH ] 110 (mol/ dm ) ponieważ [H + ] = [OH - ], więc: [H ] [OH ] 110 7 mol/ dm Iloczyn jonowy wody zachowuje wartość stałą w danej temperaturze. Pratyczny wniose: niezależnie ja zmieniałyby się stężenia jonów H + i OH -, ich iloczyny w dowolnym roztworze zachowują wartość stałą równą 10-14
Iloczyn jonowy wody, cd. Zależność: [H ] [OH ] 110 14 (mol/ dm ) musi być spełniona we wszystich roztworach wodnych. weźmy pod uwagę 0,01 M HCl, dla tórego: Zgodnie z równaniem: [ H ] 10 M[H ] auto dysocjacja 14 H O [H ] [OH ] 110 stężenie jonów wodorotlenowych znacznie się zmniejsza: [OH 10 ] [H 14 ] 10 10 14 10 1 M
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych Pomiędzy stężeniem jonów H + i OH - w roztworach wodnych współzależność dla celów pratycznych podajemy stężenie jonów H + czysta woda [H + ] = 10-7 M roztwór obojętny do wody dodajemy wasu [H + ] > 10-7 M roztwór waśny do wody dodajemy zasady [H + ] < 10-7 M roztwór zasadowy ażdy roztwór wodny, niezależnie od odczynu, zawiera zawsze jony H + i OH - odczyn roztworu można scharateryzować ilościowo [H + ] lub [OH - ]. łopot z podawaniem stężeń w formie ujemnych potęg liczby 10 wprowadzono za Sörensenem pojęcie ph lub poh: 1 ph log [H log[h ] lub def ujemny log ze stężenia jonów H + lub OH -. ] 1 poh log [OH ] log[oh ]
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych, cd. Znając [H + ] lub [OH - ] roztworu obliczyć ph lub poh - i odwrotnie - znając ph lub poh obliczyć [H + ] lub [OH - ], orzystając z wzorów: [H ] 10 ph lub [OH ] 10 poh Z powiązania pojęcia ph i poh wynia zależność: ph poh 14 orzystając z definicji ph odczyny roztworów przyjmują wartości: ph = 7 ph < 7 ph > 7 odczyn obojętny odczyn waśny odczyn zasadowy
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych, cd. W rozcieńczonych roztworach wodnych ph przyjmuje wartości od 0 do 14: rańcowe wartości ph odpowiadają stężeniu jonów H + w przybliżeniu: 1M HCl ph = 0 1M NaOH ph = 14
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych - rozwiązywanie zadań Zadanie Obliczyć wyładni wodorowy ph dla 0,05 M roztworu HCl. Rozwiązanie: Ponieważ dysocjacja HCl jest całowita (=1): H zatem z ażdej cząsteczi HCl tworzy się jeden jon H + O HCl H Cl czyli: ph log[h [ H ] c 0,05M ] log(0,05) 1,
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych Zadanie 4 Obliczyć wyładni wodorowy ph dla 0,05M roztworu OH. Rozwiązanie: Ponieważ dysocjacja OH jest całowita (=1): zatem z ażdej cząsteczi OH tworzy się jeden jon OH - W oparciu o iloczyn jonowy wody: - rozwiązywanie zadań, cd. OH [ OH ] c 0,05M [H ] [OH ] 10 14 Obliczono stężenie jonów H + oraz ph roztworu OH: [H 14 14 H O 10 10 1 ] 10 ph log[h ] log(,0 1 10 ) 1, 7 [OH ] 510 OH
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych - rozwiązywanie zadań, cd. Zadanie 5 Obliczyć stężenie jonów wodorowych w roztworze, tórego ph =,5. Rozwiazanie: ph log[h ],5 log[ H ],5 [ H ] 10 ph 10,5 zatem: [H ],1610 4 M
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych - rozwiązywanie zadań, cd. Zadanie 6 Obliczyć ph dla 0,1 M roztworu wasu octowego w temperaturze 5 C, w tórej stała dysocjacji tego wasu wynosi 1,810-5. Rozwiązanie: Wzór na stałą dysocjacji wasu octowego wynosi: Ponieważ [H + ]=[CH COO - ], a [CH COOH] przyjęto za równe stężeniu c początowemu c, oraz uwzględniając fat, że: 400 CH COOH H CH COO H O [H ] [CHCOO [CH COOH] ] zatem: c c c
Pojęcie ph i poh roztworów wodnych - rozwiązywanie zadań, cd. [H ] c c c c c [ H ] c ph log[h ] log c 1 log 1 log c 1 ph log(1,8 10 5 1 ) ( log10 1 1 ) log1,8 1 ( 5) 1 ( 1) 1 (0,5),5 0,5 ph,1