Χγ 5 3 (ασθενη οξεα&βασεισ)

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις)

Σταθερά ιοντισμού ασθενούς οξέος - βάσης Ο ιοντισμός ενός ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ περιγράφεται με τη χημική ισορροπία: ΗΑ(aq) + Η2Ο(ℓ) ! A−(aq) + Η3Ο+(aq)

[H O+ ][A − ] Η σταθερά ισορροπίας του δίνεται από τη σχέση: Kc = 3 (1) [HA][H2O]

Στα αραιά υδατικά διαλύματα όπου η συγκέντρωση είναι μέχρι 1 Μ, σε 1 L διαλύματος περιέχονται περίπου 1000 g νερό ή 1000/18 = 55,5 mol. Έτσι η συγκέντρωση του νερού είναι σταθερή περίπου 55,5 Μ. Δημιουργούμε μια νέα σταθερά από το γινόμενο ΚC·[Η2Ο] που την ονομάζουμε σταθερά ιοντισμού του ασθενούς οξέος ΗΑ και την συμβολίζουμε Κα. Ισχύει:

[H O+ ][A − ]

K = 3 (2) α [HA]

Ο ιοντισμός μιας ασθενούς μονοπρωτικής βάσης Β περιγράφεται με την ισορροπία: Β(aq) + Η Ο(ℓ) ! ΗΒ+(aq) + ΟΗ―(aq) 2

Όπως και στα ασθενή οξέα έτσι και στις ασθενείς βάσεις ορίζουμε τη σταθερά ιοντισμού της και τη συμβολίζουμε Κb. Ισχύει:

K =

b

[HB+ ][OH− ] (3) [B]

Οι σταθερές ιοντισμού εξαρτώνται: από τη θερμοκρασία (αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας) από τη φύση του οξέος ή της βάσης από τη φύση του διαλύτη Μεταξύ δύο ηλεκτρολυτών διαλυμένων στον ίδιο διαλύτη και στην ίδια θερμοκρασία ισχυρότερος είναι αυτός που έχει μεγαλύτερη σταθερά ιοντισμού.

-159-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο Παραδείγματα 5.7, 5.8, 5.9, 5.10, 5.11 και οι εφαρμογές τους Ασκήσεις 9,10,11,12,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54, 55,56,57 118.

Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λάθος. α. Η σταθερά ιοντισμού του μεθανικού οξέος (HCOOH) σε οποιοδήποτε υδατικό διάλυμά του έχει την ίδια πάντα τιμή. β. Ο λόγος της τιμής της σταθεράς ισορροπίας Kc προς την τιμή της σταθεράς ιοντισμού Kα του αιθανικού οξέος, σε υδατικά διαλύματα είναι ίσος με 55,55 γ. Η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου κάθε υδατικού διαλύματος ασθενούς οξέος συγκέντρωσης C υπολογίζεται από τη σχέση

x2 , όπου Κα η σταθερά ιοντισμού του οξέος και x η συγκένKα = C

τρωση των ιόντων οξωνίου. δ. Το pH υδατικού διαλύματος ασθενούς οξέος ΗΑ 0,01 Μ είναι 2. ε. Η σταθερά ιοντισμού Kα ενός ασθενούς οξέος ΗΑ, στα υδατικά διαλύματα, αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. στ. Υδατικό διάλυμα ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ με συγκέντρωση 0,1 Μ μπορεί να έχει pH = 2,5. Λύση α. β. γ. δ. ε.

στ.

Λάθος (όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία μεταβάλλεται η Κα) Λάθος (ισχύει Kc[H2O] = Kα ή Kc·55,5 = Kα) Λάθος (ισχύει μόνο όταν επιτρέπονται οι προσεγγίσεις) Λάθος (εφόσον το οξύ είναι ασθενές θα ιοντιστεί ένα μέρος του επομένως [Η3Ο+] < 0,01 Μ και pH > 2) Σωστή (ο ιοντισμός είναι ενδόθερμη αντίδραση, με αύξηση της θερμοκρασίας ευνοείται και η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά, έτσι αυξάνεται η σταθερά ιοντισμού) Σωστή (όπως στην πρόταση δ θα ισχύει [Η3Ο+] < 0,1 Μ και pH > 1)

-162-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις) 119.

Να γράψετε τρεις διαφορές μεταξύ βαθμού ιοντισμού και σταθεράς ιοντισμού. Λύση α.

β. γ.

120.

Ο βαθμός ιοντισμού είναι η απόδοση της αντίδρασης ιοντισμού, ενώ η σταθερά ιοντισμού είναι μια σταθερά ισορροπίας του ιοντισμού. Ο βαθμός ιοντισμού είναι αδιάστατο μέγεθος (χωρίς μονάδα) ενώ η σταθερά ιοντισμού έχει μονάδα μέτρησης το mol/L Ο βαθμός ιοντισμού εξαρτάται από τη φύση του ηλεκτρολύτη, τη φύση του διαλύτη, τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη και την παρουσία κοινού ιόντος. Η σταθερά ιοντισμού εξαρτάται από τη φύση του ηλεκτρολύτη, τη φύση του διαλύτη και τη θερμοκρασία.

Δίνονται τρία υδατικά διαλύματα Δ1, Δ2 και Δ3 του ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ. Το Δ1 έχει συγκέντρωση C1 και θερμοκρασία 25 °C. Το Δ2 έχει συγκέντρωση C2 > C1 και θερμοκρασία 25 °C. Το Δ3 έχει συγκέντρωση C3 = C1 και θερμοκρασία 40 °C. O βαθμός ιοντισμού του οξέος ΗΑ στα διαλύματα είναι αντίστοιχα α1, α2, α3 και σε κάθε περίπτωση είναι μικρότερος από 0,1. α. Σε ποιο από τα παραπάνω διαλύματα η Κα του οξέος ΗΑ έχει τη μεγαλύτερη τιμή; Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. β. Να εξηγήσετε γιατί οι βαθμοί ιοντισμού συνδέονται με τη σχέση α3 > α1 > α2. Λύση α. Ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας επομένως είναι μεγαλύτερος στο διάλυμα Δ3. β. Τα διαλύματα Δ1 και Δ3 έχουν την ίδια συγκέντρωση. Το Δ3 έχει μεγαλύτερη θερμοκρασία άρα έχει μεγαλύτερη Κα οπότε Κα3 > Κα1

Αφού οι βαθμοί ιοντισμού είναι μικρότεροι από 0,1 ισχύει ο νόμος του Ostwald.

Κα3 > Κα1 ή α 23C 3 > α12C1 ⇒ α 23C 3 > α12C1 ⇒ α 3 > α1

Τα διαλύματα Δ1 και Δ2 έχουν την ίδια σταθερά ιοντισμού, οπότε από το νόμο του Ostwald έχουμε Κα1 = Κα2 ή α12C1 = α 22C2 ⇒ α12C1 > α 22C2 ⇒ α1 > α 2

Ισχύει: α3 > α1 > α2

-163-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 121.

Δίνεται το ασθενές μονοπρωτικό οξύ ΗΑ. Να αποδείξετε ότι ο βαθμός ιοντισμού και η σταθερά ιοντισμού συνδέονται με τη σχέση Kα α= K α + [H3O + ]

Λύση Ιοντισμός: Συγκέντρωση (Μ) ΗΑ + Η2Ο ⇋ Α− + H3O+ Αρχική

C

Ιοντίζονται

αC

Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

Kα =

[A − ][H3O+ ] [HA]

C-αC

⇔ Kα =

αC ⋅[H3O+ ] C − αC

⇔ Kα =

α ⋅[H3O+ ] 1− α

-

-

αC

αC

αC

αC

⇔α=

Kα K α +[H3O+ ]

Εύρεση του pH διαλύματος ασθενούς οξέος - ασθενούς βάσης •

Όταν ένα διάλυμα περιέχει μόνο ένα ασθενές οξύ ή μόνο μια ασθενή βάση, και ισχύουν οι προϋποθέσεις

Kα C

≤ 0,01 ή α ≤ 0,1 μπορούμε να

κάνουμε τις προσεγγίσεις (δηλαδή μπορούμε να εφαρμόσουμε το νόμο του Οstwald).

122.

Υδατικό διάλυμα αιθανικού οξέος (CH3COOH) έχει συγκέντρωση 0,1 Μ. Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού του αιθανικού οξέος, τη συγκέντρωση όλων των ιόντων του διαλύματος, και το pH του. Δίνονται: Κα = 10−5, θ = 25 °C Λύση Κάνουμε τον ιοντισμό του CH3COOH. Συγκέντρωση (Μ) CH3COOH + Η2Ο ⇋ CH3COO− + H3O+ Αρχική

C

Ιοντίζονται

x

Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

Kα =

[CH3COO− ][H3O+ ] [CH3COOH]

C-x

=

x2 (1) C−x

-164-

-

-

x x

x x

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις) K Αφού α < 0,01 έχουμε C-x ≈ C τότε από την (1) έχουμε: C x2 K α = ⇔ x = K α ⋅C ⇔ x = 10−3 M C

Η συγκέντρωση των ιόντων είναι: [Η3O+] = x = 10−3 M

[CH3COO−] = x = 10−3 M Προσοχή στο διάλυμα υπάρχουν και ιόντα ΟΗ− τα οποία οφείλονται στον αυτοϊοντισμό του νερού. Η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου που παρέχει το νερό είναι αμελητέα συγκριτικά με τα ιόντα οξωνίου που παρέχει το οξύ. Στους 25 °C ισχύει: [Η3O+][OH–] = 10–14 άρα [OH–] = 10–11 Μ Εφόσον [Η3Ο+] = 10−3 Μ προκύπτει ότι pH = -log[H3O+] = 3 123.

Σε 200 mL νερό διαλύουμε 0,34 g ΝΗ3 χωρίς μεταβολή του όγκου. Aν η σταθερά ιοντισμού της αμμωνίας είναι 10−5, να υπολογίσετε το pH του διαλύματος και τη συγκέντρωση των ιόντων αμμωνίου. Δίνονται: η θερμοκρασία του διαλύματος είναι 25 °C, και οι σχετικές ατομικές μάζες: N=14, H=1 Λύση m 0,34 n= = = 0,02 mol NH3 17 Mr Ιοντισμός της αμμωνίας:

n 0,02 C= = = 0,1 M NH3 V 02

Συγκέντρωση (M) NH3 + Η2Ο ⇋ NH4+ + OH− Αρχική C Ιοντίζονται Παράγονται Ιοντική Ισορροπία Kb C

x x x

C-x

x x

< 0,01 μπορούμε να κάνουμε τις προσεγγίσεις στους υπολογισμούς:

x2 ή x2 = 0,1Kb ή x2 = 0,1·10−5 ή x = 10−3 ή [ΟΗ−] = 10−3 ή pOH = 3 Kb = 0,1

Σε θερμοκρασία 25 °C, έχουμε pH + pOH = 14 pH = 11

-165-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 124.

Υδατικό διάλυμα αιθυλαμίνης (CH3CH2ΝH2) έχει pH = 12 και περιεκτικότητα 3,6 % w/v σε 25 °C. Να υπολογίσετε το βαθμό ιοντισμού (α) και τη σταθερά ιοντισμού (Κb) της αιθυλαμίνης. Δίνονται: Ar(C)=12, Ar(N)=14, Ar(H)=1. Λύση 3,6 % w/v σημαίνει ότι: 100 mL διαλύματος περιέχουν 3,6 g CH3CH2ΝH2

1000 mL >> >> x = 36 g

n 0,8 mol Μr = 45 άρα n = m/Mr = 36/45 = 0,8 mol άρα: C = = = 0,8 M V 1L

Ιοντισμός της αιθυλαμίνης: Συγκέντρωση (Μ) CH3CH2ΝH2 + Η2Ο ⇋ CH3CH2ΝH3+ + OH– Αρχική 0,4 Ιοντίζονται Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

x 0,4-x

x x

x x

Σε 25 °C έχουμε pH + pOH = 12, επομένως pOH = 14 - pH = 14-12 = 2 [ΟΗ–] = 10–2 M ή x = 10–2 M οπότε α = x/C = 0,01/0,8 = 0,0125 ή 1,25 %

x2 10−4 α < 0,1 επομένως Kb = = = 1,25⋅10−4 C 0,8

125.

Πόσος όγκος υδατικού διαλύματος ΝΗ3 συγκέντρωσης 0,1 Μ και θερμοκρασίας 25 °C περιέχει τον ίδιο αριθμό ιόντων ΟΗ– με 100 mL υδατικού διαλύματος NaOH συγκέντρωσης 0,1 M και θερμοκρασίας 25 °C; Δίνεται ότι στους 25 °C η σταθερά ιοντισμού της αμμωνίας είναι Kb = 10–5. Λύση Από τη διάσταση του NaOH προσδιορίζουμε τη συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ–

2O

ΝaOH ⎯H⎯ → Νa+ + OH– Από 0,1 M παράγονται 0,1 M

n(OH–) = [OH–]·V = 0,1·0,1 = 0,01 mol Τα ίδια mol περιέχει και το διάλυμα της αμμωνίας. Ιοντισμός της αμμωνίας: Συγκέντρωση (M) NH3 + Η2Ο ⇋ NH4+ + OH− Αρχική 0,1 Ιοντίζονται Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

x 0,1-x

-166-

x x

x x

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις) Kb C

< 0,01 μπορούμε να κάνουμε τις προσεγγίσεις στους υπολογισμούς:

x2 ή x2 = 0,1Kb ή x2 = 0,1·10−5 ή x = 10−3 ή [ΟΗ−] = 10−3 M Kb = 0,1

n(OH–) = [OH–]·V n 0,01 V= = = 10 L − [OH ] 0,001 126.

Να αντιστοιχίσετε κάθε υδατικό διάλυμα της πρώτης στήλης με την τιμή pH της δεύτερης στήλης. Δίνεται ℓog2 = 0,3 1η στήλη Α

2η στήλη

διάλυμα ΝaOH 0,01 M

1

2,7

Β

διάλυμα HΒr 0,01 M

2

11,3

Γ

διάλυμα Ca(OH)2 0,05 M

3

13

Δ

διάλυμα NH3 0,2 M

4

12

Ε

διάλυμα CH3COOH 0,2 M

5

0,7

Στ

διάλυμα HCl 0,2 M

6

2

127.

Οι επόμενες προτάσεις αφορούν υδατικό διάλυμα οξικού οξέος CH3COOH συγκέντρωσης 0,1 Μ. Ποιες είναι σωστές και ποιες λάθος; α. [Η3Ο+] >> [CΗ3COO−] β. [Η3Ο+] = [CΗ3COO−] γ. Το διάλυμα έχει pH μικρότερο ή ίσο με 1. δ. Το διάλυμα έχει pH μεγαλύτερο από 1.

128.

*Διαθέτουμε δύο υδατικά διαλύματα, το Δ1 και το Δ2. Το διάλυμα Δ1 περιέχει το ασθενές μονοπρωτικό οξύ ΗΑ με συγκέντρωση 1 Μ και βαθμό ιοντισμού 1 %. Το διάλυμα Δ2 περιέχει ΝΗ3 και το pH του στους 25 °C είναι 11. Να υπολογίσετε: α. τη σταθερά ιονισμού Κα του ΗΑ. β. την % w/v περιεκτικότητα του Δ2 και το βαθμό ιοντισμού της ΝΗ3 Δίνονται: Αr: N = 14, H = 1, Κb(ΝΗ3) = 10−5, Kw = 10−14. [Απ: 10–4, 0,17 % w/v, 0,01]

129.

Σε υδατικό διάλυμα ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ και για την κατάσταση ισορροπίας ισχύει [ΗΑ] = 2[Α−]. Να υπολογίσετε: α. το pH του διαλύματος και το βαθμό ιοντισμού του ΗΑ. β. τη συγκέντρωση του διαλύματος. Δίνεται: Κα = 0,05 [Απ: 1, 1/3, 0,3 Μ] -167-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Συνοπτικά όταν αραιώνουμε ένα διάλυμα ισχύουν τα εξής • • • • •

139.

Η συγκέντρωση του διαλύματος μειώνεται (C2 < C1) σύμφωνα με τη σχέση C1V1 = C2V2. Οι σταθερές ιοντισμού Κα και Kb παραμένουν σταθερές γιατί εξαρτώνται μόνο από την θερμοκρασία. Στα ασθενή οξέα και βάσεις ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται α2 > α1. Στα διαλύματα των ασθενών οξέων μειώνεται η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου, το pH αυξάνεται και το διάλυμα τείνει να γίνει ουδέτερο. Στα διαλύματα των ασθενών βάσεων μειώνεται η συγκέντρωση των ιόντων υδροξειδίου το pΟH αυξάνεται και το pH μειώνεται, έτσι το διάλυμα τείνει να γίνει ουδέτερο. Υδατικό διάλυμα ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ αραιώνεται με νερό. Να εξετάσετε πως μεταβάλλονται: α. η σταθερά ιοντισμού (Κα) β. η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου [Η3Ο+] και των ιόντων υδροξειδίου [ΟΗ–] γ. ο βαθμός ιοντισμού (α) δ. το pH του διαλύματος ε. ο αριθμός των ιόντων οξωνίου. (Να θεωρήσετε ότι το αρχικό και το τελικό διάλυμα έχουν την ίδια θερμοκρασία και ότι οι βαθμοί ιοντισμού του οξέος ΗΑ και στα δύο διαλύματα είναι μικρότεροι από 0,1) Λύση Ιοντισμός του ασθενούς οξέος: Συγκέντρωση (Μ) HA + Η2Ο ⇋ A− + H3O+ Αρχική C Ιοντίζονται Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

x x x

C-x

x x

Με την αραίωση μειώνεται η συγκέντρωση C του διαλύματος. Οι βαθμοί ιοντισμού στα διαλύματα είναι μικρότεροι από την μονάδα επομένως ισχύουν οι προσεγγιστικές σχέσεις. α. Η σταθερά ιοντισμού ενός ασθενούς ηλεκτρολύτη σε υδατικό διάλυμα εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία επομένως η Kα μένει σταθερή. β.

Ισχύει x = [H3O+ ] = K α ⋅C επομένως η [Η3Ο+] μειώνεται.

Σε σταθερή θερμοκρασία το γινόμενο [Η3Ο+]·[ΟΗ–] = Kw είναι σταθερό, επομένως η [ΟΗ–] αυξάνεται.

-170-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις) γ. δ. ε.

140.

Kα

οπότε ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται.

C

Εφόσον μειώνεται η [H3O+] το pH = -log [Η3Ο+] αυξάνεται. Αριθμός ιόντων οξωνίου (N) αυξάνεται, διότι όπως αποδείχθηκε στο γ ερώτημα αυξάνεται ο βαθμός ιοντισμού.

N = [H3O+]·V = x·V = αC·V = α·n (όπου n = CV τα αρχικά mol που δεν μεταβλήθηκαν). α=

Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις ισχύουν όταν υδατικό διάλυμα ΝΗ3 (ασθενής βάση) αραιώνεται με νερό σε 4-πλάσιο όγκο και σε σταθερή θερμοκρασία; α. Η τιμή της σταθεράς Κb μειώνεται. β. Ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ3 διπλασιάζεται. γ. Η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ– διπλασιάζεται. δ. Το pH του διαλύματος αυξάνεται. ε. Ο αριθμός των ιόντων ΟΗ– διπλασιάζεται. Δίνεται ότι ισχύουν οι προσεγγιστικές σχέσεις. Λύση Ιοντισμός της αμίνης: Συγκέντρωση (M) NH3 + Η2Ο ⇋ NH4+ + OH− Αρχική C Ιοντίζονται

x

Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

x x

C-x

x x

Με την αραίωση μειώνεται η συγκέντρωση C του διαλύματος. Ισχύει: C1V1 = C2V2 ή C1V1 = C24V1 ή C1 = 4C2. α.

Λάθος. Η σταθερά Kb για δεδομένη διαλυμένη ουσία σε υδατικό διάλυμα εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία που είναι σταθερή επομένως η Kb έχει σταθερή τιμή.

β.

Σωστή.

Ισχύουν: α1 = = (1) και α 2 = (2) οπότε α2 = 2α1.

C1 4C 2 C2

Λάθος.

γ.

Kα

Kα

Kα

Ισχύει x = [OH− ] = Kb ⋅C

Η συγκέντρωση C γίνεται τέσσερις φορές μικρότερη επομένως η συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ– γίνεται δύο φορές μικρότερη.

-171-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου δ.

Λάθος. Εφόσον μειώνεται η συγκέντρωση των ιόντων OH–, αυξάνεται η τιμή του pOH = -log[OH–] και μειώνεται το pH (pH = pKw–pOH).

Αλλιώς, σύμφωνα και με το σχολικό βιβλίο, με την αραίωση ενός υδατικού διαλύματος βάσης το pH μειώνεται.

ε.

Σωστή. Θεωρούμε ως Ν τον ζητούμενο αριθμό των ιόντων ΟΗ–. Όπως και στην προηγούμενη άσκηση ισχύει: N = [ΟΗ–]·V = x·V = αC·V = α·n (όπου n = CV τα αρχικά mol που δεν μεταβλήθηκαν). Από την πρόταση (β) ισχύει α2 = 2α1 άρα και Ν2 = 2Ν1.

141.

α. Υδατικό διάλυμα του ασθενούς οξέος ΗΑ αραιώνεται σε εκατονταπλάσιο όγκο. Να δείξετε ότι το pH του αρχικού διαλύματος και το pH΄ του αραιωμένου διαλύματος συνδέονται με τη σχέση: pH΄= pH + 1 (Οι προσεγγίσεις επιτρέπονται). β. Σε 25 °C υδατικό διάλυμα μονοσθενούς βάσης έχει pH = 12. Το αραιώνουμε σε 100-πλάσιο όγκο και το pH μεταβάλλεται κατά 2 μονάδες. Να εξετάσετε αν η βάση είναι ισχυρή ή ασθενής. γ. Αραιώνουμε υδατικό διάλυμα μονοπρωτικού οξέος συγκέντρωσης C > 0,01 M και διαπιστώνουμε ότι αυξάνεται ο αριθμός των ιόντων οξωνίου. Να εξετάσετε αν το οξύ είναι ισχυρό ή ασθενές. Σε όλες τις αραιώσεις η θερμοκρασία δε μεταβάλλεται. Λύση α.

Συγκέντρωση (Μ) HA + Η2Ο ⇋ A− + H3O+ Αρχική C Ιοντίζονται x Παράγονται x x Ιοντική Ισορροπία C-x x x Αραίωση: C1V1 = C2V2 ⇒ C1V1 = C2·100V2 ⇒ C1 = 100C2.

Με εφαρμογή του νόμου του Ostwald έχουμε x = [H3O+ ] = K α ⋅C

[H O+ ] = K α ⋅C1 = K α ⋅100C2 = 10 K α ⋅C2 και [H3O+ ]2 = K α ⋅C2 3 1

άρα: [Η3Ο+]1 = 10[Η3Ο+]2 ⇒ -log[Η3Ο+]1 = -log(10[Η3Ο+]2) ⇒

-log[Η3Ο+]1 = -log10-log[Η3Ο+]2 ⇒ pH1 = -1+pH2 ⇒ pH2 = pH1+1

β.

Συμβολίζουμε τη βάση με Β και υποθέτουμε ότι είναι ισχυρή. Συγκέντρωση (Μ) Β + Η2Ο → ΗΒ+ + ΟΗ–

c M

c M c M Αρχικό διάλυμα: pH = 12 σε 25 °C έχουμε pOH = 14-pH = 2 άρα [ΟΗ–] = C1 = 0,01 Μ. Αραίωση: C1V1 = C2V2 ⇒ 0,01V1 = C2·100V1 ⇒ C2 = 10–4 M. -172-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις)

142.

Αραιωμένο διάλυμα: [OH–] = 10–4 M ⇒ pOH = 4 ⇒ pH = 14-4 = 10. Το pH μεταβάλλεται κατά 2 μονάδες, άρα η υπόθεση αληθεύει.

γ.

Υποθέτουμε ότι το οξύ είναι ισχυρό. Στα ισχυρά οξέα το σύνολο των μορίων ιοντίζονται, επομένως ο αριθμός των ιόντων τους δεν επηρεάζεται από την αραίωση. Η υπόθεση δεν αληθεύει επομένως το οξύ είναι ασθενές. Εφόσον C > 0,01 M δεν λαμβάνεται υπόψη ο ιοντισμός του νερού.

Διαθέτουμε υδατικό διάλυμα αμμωνίας που έχει βαθμό ιοντισμού 1 %. α. Πόσα g ΝΗ3 περιέχονται σε 200 mL του διαλύματος; Δίνεται Κb = 10−5 και Mr = 17 β. Αραιώνουμε το διάλυμα σε 100-πλάσιο όγκο. Να υπολογίσετε τη

μεταβολή του βαθμού ιοντισμού της αμμωνίας. Λύση α.

Έστω ότι η συγκέντρωση της αμμωνίας είναι C. Κάνουμε τον ιοντισμό της (παραλείπουμε τον ιοντισμό του νερού ως αμελητέο).

NH3 + Η2Ο ⇋ NH4+ + OH− Εφόσον ο βαθμός ιοντισμού είναι 1 % δηλαδή 0,01 < 0,1 μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το νόμο του Ostwald με την απλούστερη μορφή του: Κb = α2C ή C = Κb /α2 ή C = 0,1 M, οπότε:

1000 mL διαλύματος περιέχουν 0,1 mol ή 0,1·17 g ΝΗ3

200 mL >> >> x = 0,34 g ΝΗ3 β. Το αραιωμένο διάλυμα έχει όγκο V΄= 100·V και συγκέντρωση C΄: Ισχύει:

Kb C'

CV = C΄V΄ ή CV = C΄⋅100V ή C΄ = 10–3 Μ (1)

= 0,01 επιτρέπεται η προσέγγιση οριακά, οπότε από το νόμο

του Οstwald έχουμε: Κb = α΄2C΄ ή α΄ = 0,1. Βλέπουμε ότι δεκαπλασιάστηκε ο βαθμός ιοντισμού.

143.

Διάλυμα οξικού οξέος (CH3COOH) (Δ1), συγκέντρωσης 0,1 Μ και όγκου 250 mL αραιώνεται με νερό, οπότε σχηματίζεται διάλυμα (Δ2) στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του οξέος είναι τετραπλάσιος σε σχέση με τον αρχικό. Να υπολογισθεί ο όγκος του διαλύματος (Δ2). Δίνεται η σταθερά ιοντισμού του οξέος, Kα = 10–5 Λύση Αρχικό διάλυμα Δ1:

Αραιωμένο διάλυμα Δ2:

Νόμος αραίωσης:

Kα/C1 = 10–5/10–1 = 10–4 < 10–2 Κα = α12.C1 ⇒ α1 = 10–2 α2 = 4·α1 = 4·10–2 < 0,1 Κα = α22.C2 ⇒ C2 = 6,25·10–3 M C1.V1 = C2.V2 ⇒ V2 = 4 L -173-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 144.

Διάλυμα Δ1 ασθενούς οξέος ΗΑ συγκέντρωσης 0,1 Μ και όγκου 0,5 L έχει pH = 3. Πόσα λίτρα νερού πρέπει να προσθέσουμε ώστε να προκαλέσουμε μεταβολή του pH κατά μία μονάδα; Λύση Ιοντισμός οξέος: Συγκεντρώσεις Αρχική Ιοντίζονται Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

ΗΑ + Η2Ο ⇋ Η3Ο+ + Α– C x C-x

x x

x x

Το αρχικό διάλυμα Δ1 έχει συγκέντρωση C1 = 0,1 M pH = 3 ⇒ [H3O+] = x = 10–3 M α = x/C1 = 0,01 < 0,1 ⇒ Kα = x2/C1 = 10–5 Με την αραίωση το διάλυμα τείνει να γίνει ουδέτερο άρα το αραιωμένο διάλυμα Δ2 θα έχει pH = 4 οπότε από ανάλογο πίνακα συγκεντρώσεων θα έχουμε συγκέντρωση ιόντων οξωνίου y = 10–4. Θεωρούμε ότι στο αραιωμένο διάλυμα Δ2 ισχύουν οι προσεγγίσεις. Τότε Kα = y2/C2 ⇒ C2 = 10–3 Μ Πράγματι ισχύουν οριακά οι προσεγγίσεις (α = y/C2 = 0,1) Νόμος αραίωσης: C1.V1 = C2.V2 ⇒ V2 = 50 L Ο ζητούμενος όγκος του νερού είναι: VH2O = V2-V1 = 50 L - 0,5 L = 49,5 L Παρατήρηση: Όταν αραιώνουμε διάλυμα ασθενούς οξέος ή ασθενούς βάσης σε εκατονταπλάσιο όγκο, και επιτρέπονται οι προσεγγίσεις, το pH μεταβάλλεται κατά μία μονάδα και το τελικό διάλυμα τείνει να γίνει ουδέτερο.

-174-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις) 145.

Έχουμε 400 mL υδατικού διαλύματος (Δ1) ασθενούς οξέος ΗΑ που έχει pH = 3. Να υπολογίσετε: α. τη συγκέντρωση και τον βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα (Δ1). β. τον όγκο του νερού που πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα (Δ1) ώστε να διπλασιαστεί ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ. γ. την % μεταβολή της συγκέντρωσης των ιόντων [Α−] κατά την αραίωση. δ. τον αριθμό των ιόντων Α− πριν και μετά την αραίωση. Δίνεται η σταθερά ιοντισμού Κα(ΗΑ) = 2·10−5, η θερμοκρασία των διαλυμάτων είναι 25 °C και η σταθερά Αvogadro ΝΑ = 6·1023 Λύση Αντίδραση ιοντισμού του οξέος:

Συγκεντρώσεις ΗΑ + Η2Ο ⇋ Η3Ο+ + Α– Αρχική C Ιοντίζονται x Παράγονται x x Ιοντική Ισορροπία C-x x x α.

Στο διάλυμα Δ1 έχουμε: pH = [Η3O+] = 10–3 M ⇒ x = 10–3 M Θεωρούμε ότι γίνονται προσεγγίσεις: Κα = x2/C1 ⇒ C1 = 0,05 Μ

α1 = x/C1 = 0,02 = 2 % Εφόσον α1 < 0,1 ισχύουν οι προσεγγίσεις.

β.

Στο διάλυμα Δ2 ο βαθμός ιοντισμού θα γίνει α2 = 2α1 = 0,04 < 0,1. Επιτρέπονται οι προσεγγίσεις: Κα = α22C2 ⇒ C2 = 1/80 M Ισχύει: C1V1 = C2(V1+VH2O) ⇒ V(H2O) = 1,2 L

γ.

Στο Δ1: [A–]1 = x = 10–3 M Στο Δ2: [A–]2 = α2C2 = 5·10–4 M Η συγκέντρωση [A–]2 είναι η μισή σε σχέση με την [A–]1 επομένως μειώνεται κατά 50 %

δ.

Ο αριθμός των ιόντων Α– δίνεται από τη σχέση: Ν = n(A–)NA = [A–]·V·NA Στο διάλυμα Δ1: Ν1 = [A–]1·V1·NA = 10–3·0,4·6·1023 = 2,4·1020 ιόντα Στο διάλυμα Δ2: Ν2 = [A–]2·V2·NA = 5·10–4·1,6·6·1023 = 4,8·1020 ιόντα

Παρατήρηση: Η συγκέντρωση των ιόντων Α– υποδιπλασιάστηκε, όμως ο αριθμός των ιόντων A– διπλασιάστηκε. Αυτό οφείλεται στην αύξηση του βαθμού ιοντισμού.

-175-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 146.

Υδατικό διάλυμα Δ1 ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ έχει όγκο V1 = 30 mL, βαθμό ιοντισμού α1 = 0,2 και συγκέντρωση C1 = 1 M. Αραιώνουμε το διάλυμα με νερό και προκύπτει νέο διάλυμα Δ2 στο οποίο ο βαθμός ιοντισμού του οξέος είναι α2 = 0,25 και η θερμοκρασία είναι ίδια με τη θερμοκρασία του Δ1. α. Να υπολογίσετε τη σταθερά ιοντισμού του οξέος. β. Να υπολογίσετε τον όγκο του νερού που χρησιμοποιήσαμε για την αραίωση του αρχικού διαλύματος. Λύση Αντίδραση ιοντισμού του οξέος: Συγκεντρώσεις ΗΑ + Η2Ο ⇋ Η3Ο+ + Α– Αρχική C Ιοντίζονται αC Παράγονται αC αC Ιοντική Ισορροπία C-αC αC αC α.

Στο διάλυμα Δ1 έχουμε α1 > 0,1 επομένως δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις.

α 2C 0,04⋅1 Kα = 1 1 = = 0,05 1− α1 1− 0,2

β.

Στο διάλυμα Δ2 (ίδιας θερμοκρασίας) η Κα έχει την ίδια τιμή.

2

K ⋅(1− α ) 0,05(1− 0,25) αC Kα = 2 2 ⇔ C2 = α 2 2 = = 0,6M 1− α 2 1 /16 α2

Aπό τη σχέση C1V1 = C2(V1+VH2O) προκύπτει V(H2O) = 20 mL

147.

Να συμπληρώσετε τα κενά στις ακόλουθες προτάσεις. α. Κατά την αραίωση υδατικού διαλύματος του ασθενούς οξέος ΗΑ σε σταθερή θερμοκρασία ο βαθμός ιοντισμού …………….…………, η σταθερά ιοντισμού του ….........……..... .......……….. και το pH του διαλύματος ........................ β. Κατά την αραίωση υδατικού διαλύματος της ασθενούς βάσης ΝΗ3 σε σταθερή θερμοκρασία ο βαθμός ιοντισμού της ΝΗ3 ….......…, η σταθερά ιοντισμού της .................... ......................., και το pH του διαλύματος ……....………. .

148.

Υδατικό διάλυμα του ασθενούς οξέος ΗΑ αραιώνεται με νερό και σχηματίζεται διάλυμα ίδιας θερμοκρασίας με το αρχικό. Να χαρακτηρίσετε τις επόμενες προτάσεις ως σωστές ή λάθος και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας (Οι προσεγγίσεις επιτρέπονται). α. Ο βαθμός ιοντισμού του ΗΑ είναι και στα δύο διαλύματα ίδιος. β. Το pH του διαλύματος αυξάνεται με την αραίωση.

-176-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις)

Συμπύκνωση διαλύματος ασθενούς οξέος - ασθενούς βάσης •

• • • • • • •

155.

Θεωρούμε υδατικό διάλυμα ασθενούς οξέος (ή βάσης) συγκέντρωσης C1. Μπορούμε να το συμπυκνώσουμε με δύο τρόπους: (α) εξατμίζοντας νερό (β) προσθέτοντας μια επιπλέον ποσότητα καθαρής ουσίας (συνήθως χωρίς μεταβολή του όγκου). Σε κάθε περίπτωση το συμπυκνωμένο διάλυμα έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση (C2) από το αρχικό διάλυμα Όταν εξατμίζουμε νερό ισχύει η σχέση: n1 = n2 άρα και C1V1 = C2V2. Όταν προσθέτουμε n mol καθαρής ουσίας ισχύει η σχέση: n1 + n = n2 και C2 = n2/V. H σταθερά ιοντισμού Κα παραμένει σταθερή σε σταθερή θερμοκρασία. Σύμφωνα με τον νόμο του Οstwald ο βαθμός ιοντισμού μειώνεται α2 < α1 Σύμφωνα με τον νόμο του Οstwald η συγκέντρωση των ιόντων οξωνίου στα οξέα αυξάνεται άρα [Η3Ο+]2 > [Η3Ο+]1 και το pH μειώνεται. Σύμφωνα με τον νόμο του Οstwald η συγκέντρωση των ιόντων υδροξειδίου στις βάσεις αυξάνεται άρα [OH–]2 > [OH–]1 και το pH αυξάνεται. Πόσα mol αμμωνίας (ΝΗ3) πρέπει να διαλυθούν σε 500 mL διαλύματος Δ1 ΝΗ3 συγκέντρωσης C1 = 0,1 Μ ώστε να μεταβληθεί το pH κατά μισή μονάδα χωρίς μεταβολή του όγκου; Δίνονται η σταθερά ιοντισμού του νερού Κw = 10–14 και της αμμωνίας Kb = 10–5 Λύση Υπολογίζουμε το αρχικό pH. Ιοντισμός: ΝΗ3 + Η2Ο Αρχική 0,1 M Ιοντίζονται x M Παράγονται Ιοντική Ισορροπία (0,1-x) M

⇋

ΝΗ4+ + ΟΗ– x M x M

x M x M

Προσέγγιση: Kb/C = 10–5/10–1 = 10–4 < 10–2 Kb = x2/0,1 ⇒ x = 10–3 M ⇒ pOHαρχ = -log [OΗ–] = -log10–3 = 3 ⇒ pHαρχ =14-pOH = 14-3 = 11 Από τον ιοντισμό της αμμωνίας υπολογίζουμε τη συγκέντρωση C2 της βάσης στο νέο διάλυμα. Ιοντισμός: Αρχική Ιοντίζονται

ΝΗ3 + Η2Ο C2 M

ΝΗ4+ + ΟΗ– -

y M

Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

⇋

(C2-y) M -179-

y M

y M

y M

y M

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου Με την προσθήκη καθαρής βάσης το pH του διαλύματος αυξάνεται και γίνεται 11,5 άρα το νέο pOH = 2,5 ⇒ [OH–] = y = 10–5/2M Θεωρούμε ότι γίνονται προσεγγίσεις.

Kb = y2/C2 ⇒ C2 = 1 M Το πηλίκο Kb/C2 = 10–5 < 0,01, επομένως επαληθεύεται η προσέγγιση. Τα αρχικά mol της βάσης ήταν nαρχ = C1·V = 0,1·0,5 = 0,05 mol NH3 Τα τελικά mol της βάσης είναι nτελ = C2·V = 1·0,5 = 0,5 mol NH3 Προσθέσαμε n = nτελ-nαρχ = 0,45 mol NH3 156.

Υδατικό διάλυμα Δ1 ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ έχει pΗ = 3 και βαθμό ιοντισμού α1 = 0,01. Εξατμίζουμε 19,8 L νερό από 20 L διαλύματος Δ1 και σχηματίζεται διάλυμα Δ2. Να υπολογίσετε: α. την αρχική συγκέντρωση C1. και τη σταθερά Κα. β. τον βαθμό ιοντισμού α2 στο συμπυκνωμένο διάλυμα. Τα διαλύματα βρίσκονται στους 25 °C και επιτρέπουν προσεγγίσεις. Λύση Συγκεντρώσεις ΗΑ + Η2Ο ⇋ Η3Ο+ + Α– Αρχική C Ιοντίζονται αC Παράγονται αC αC Ιοντική Ισορροπία C-αC αC αC α.

Στο διάλυμα Δ1 έχουμε α1 < 0,1 ισχύουν οι προσεγγίσεις.

pH = 3 ⇒ [H3O+] = x1 = 10–3 M, 2 1 1

x1 = α1C1 ⇒ C1 = x1/C1 = 0,1 M

K = α C = 10 α

β.

Το διάλυμα Δ2 έχει όγκο V2 = V1 - V(H2O) = 0,2 L

Ισχύει: C1V1 = C2V2 ⇒ C2 = 0,001 M

Κα/C2 = 10–2 (επιτρέπει οριακά προσεγγίσεις).

K K α = α 22C2 ⇒ α 2 = α = 10−2 = 0,1 C2

−5

-180-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Ανάμειξη διαλυμάτων του ίδιου ασθενούς οξέος - ασθενούς βάσης •

Όταν γίνεται ανάμειξη διαλυμάτων του ίδιου οξέος ή της ίδιας βάσης το τελικό διάλυμα περιέχει το συνολικό αριθμό mol του οξέος ή της βάσης. Ισχύει η σχέση: n1 + n2 = n3 ή C1V1 + C2V2 = C3V3

160.

Δίνονται τα υδατικά διαλύματα Δ1 και Δ2 του ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ που έχουν αντίστοιχα συγκεντρώσεις 0,05 Μ και 0,8 Μ. α. Αναμειγνύουμε 200 mL από το Δ1 με 175 mL από το Δ2. Να υπολογίσετε τον βαθμό ιοντισμού του ΗΑ στο διάλυμα Δ που σχηματίζεται. β. Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμείξουμε τα διαλύματα Δ1 και Δ2 ώστε να σχηματίζουμε διάλυμα Δ3 με pH = 3; Δίνεται η σταθερά ιοντισμού Κα(ΗΑ) = 10−5. Λύση α.

Υπολογίζουμε τη συγκέντρωση του ΗΑ στο τελικό διάλυμα:

C1V1 + C2V2 = C3V3 ⇒ 0,05⋅0,2 + 0,8⋅0,175 = C⋅0,375 ⇒ C = 0,4 M

Kα 10−5 10−2 < 0,01 ⇒ K α = α 2C ⇒ α = = = 0,005 C3 0,4 2

β.

Θεωρούμε ότι χρησιμοποιούμε V1 L από το Δ1 και V2 L από το Δ2.

C1V1 + C2V2 = C3V3 ή 0,05⋅V1 + 0,8⋅V2 = C3⋅(V1+V2) (1)

Ιοντισμός του ΗΑ στο διάλυμα Δ3 Συγκέντρωση (Μ) ΗΑ + Η2Ο ⇌ Α− + H3O+ Αρχική

C3

Ιοντίζονται

x

Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

C3-x

-

-

x x

x x

pH = 3 ⇒ [H3O+] = x = 10–3 M Για την C3 ισχύει C1 < C3 < C2 ⇒ 0,05 M < C3 < 0,2 M 2 2 Επομένως Kα < 0,01 ⇒ K α = x ⇒ C 3 = x = 0,1 M C C3 Kα 3

Από την (1) ⇒ 0,05·V1 + 0,8·V2 = 0,1·(V1+V2) ⇒ 5V1 + 80V2 = 10V1 + 10V2 V 1 ⇒ 70V2 = 5V1 ⇒ 1 = V2 14

-182-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις) 161.

Δίνεται το ασθενές μονοπρωτικό οξύ ΗΑ. Αναμειγνύουμε 100 mL υδατικού διαλύματος ΗΑ 0,1 Μ με 400 mL υδατικού διαλύματος ΗΑ 0,2 Μ. Να υπολογιστεί ο βαθμός ιοντισμού του ασθενούς οξέος στο τελικό διάλυμα. (Κα = 1,8·10−5) Λύση

Υπολογίζουμε την ποσότητα των mol της διαλυμένης ουσίας στα αρχικά διαλύματα. n1 = C1V1 = 0,1⋅0,1 = 0,01 mol n2 = C2V2 = 0,2⋅0,4 = 0,08 mol Το τελικό διάλυμα περιέχει συνολικά: n3 = n1 + n2 = 0,09 mol Το τελικό διάλυμα έχει συγκέντρωση: C =

n3 V3

=

0,09 = 0,18 M 0,5

Κάνουμε τον ιοντισμό του ΗΑ στο τελικό διάλυμα (θεωρούμε αμελητέο τον ιοντισμό του νερού). Συγκέντρωση (Μ) ΗΑ + Η2Ο ⇌ Α− + H3O+ Αρχική

C

Ιοντίζονται

αC

Παράγονται Ιοντική Ισορροπία Εφόσον το πηλίκο

C-αC

-

-

αC αC

αC αC

Kα < 0,01 έχουμε Κα = α2C3 άρα α = 0,01 C

162.

Αναμειγνύουμε 100 mL υδατικού διαλύματος Δ1 ασθενούς οξέος ΗΑ με C1 = 1 Μ που έχει βαθμό ιοντισμού α1 = 10−3 με 400 mL υδατικού διαλύματος Δ2 του ΗΑ που έχει βαθμό ιοντισμού α2 = 4·10−3 ίδιας θερμοκρασίας. α. Να βρεθεί ο βαθμός ιοντισμού α3 του διαλύματος Δ3 που σχηματίζεται. β. Να υπολογίσετε το pH κάθε διαλύματος. log2 = 0,3 [Απ: 2·10–3, 3, 3,6, 3,3]

163.

Με ποια αναλογία όγκων πρέπει να αναμείξουμε υδατικό διάλυμα Δ1 της ασθενούς βάσης CH3NH2 C1 = 2 Μ με υδατικό διάλυμα Δ2 CH3NH2 συγκέντρωσης C2 = 0,04 Μ ώστε να σχηματιστεί διάλυμα Δ3 με α3 = 0,01; Δίνεται ότι η μεθυλαμίνη (CH3NH2) έχει Κb = 10−5 [Απ: 3:95]

-183-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Σύγκριση ισχύος δύο ασθενών οξέων - βάσεων Μεταξύ δύο ασθενών ηλεκτρολυτών ισχυρότερος είναι εκείνος που έχει μεγαλύτερη σταθερά ιοντισμού σε υδατικά διαλύματα ίδιας θερμοκρασίας ή μεγαλύτερο βαθμό ιοντισμού σε υδατικά διαλύματα ίδιας συγκέντρωσης και ίδιας θερμοκρασίας (που περιέχουν μόνο τον ασθενή ηλεκτρολύτη).

164.

Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λάθος και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. α. Αν το οξύ ΗΑ είναι ισχυρότερο από το οξύ ΗΒ, τότε κάθε υδατικό διάλυμα του οξέος ΗΑ θα έχει μικρότερο pH από κάθε υδατικό διάλυμα του οξέος ΗΒ της ίδιας θερμοκρασίας. β. Ο βαθμός ιοντισμού του ασθενούς οξέος ΗΑ σε υδατικό διάλυμα συγκέντρωσης 10−2 Μ είναι α1 = 10−2 και του ασθενούς οξέος ΗΒ σε υδατικό διάλυμα συγκέντρωσης 1 Μ είναι α2 = 5⋅10−3. Τότε το οξύ ΗΑ είναι πιο ισχυρό από το οξύ ΗΒ. γ. Η σταθερά Κα του ασθενούς οξέος ΗΑ είναι μεγαλύτερη από την σταθερά Κα του ασθενούς οξέος ΗΒ στην ίδια θερμοκρασία και στον ίδιο διαλύτη. Το οξύ ΗΑ είναι πιο ισχυρό από το ΗΒ. δ. Τα υδατικά διαλύματα Δ1 και Δ2 έχουν την ίδια συγκέντρωση και την ίδια θερμοκρασία. Το Δ1 περιέχει την ασθενή βάση RNH2 και το Δ2 την ασθενή βάση ΝΗ3. Αν το Δ1 έχει μεγαλύτερο pH από Δ2, τότε η RNH2 είναι πιο ισχυρή βάση από την ΝΗ3. Λύση α.

β.

γ.

δ.

Λάθος pH = -log[H3O+], όμως η συγκέντρωση [Η3Ο+] ενός διαλύματος εξαρτάται και από την αρχική συγκέντρωση του ασθενούς οξέος. Στην εκφώνηση δεν αναφέρονται οι συγκεντρώσεις. Λάθος Πρέπει να συγκρίνουμε τις σταθερές ιοντισμού των οξέων σε ίδια θερμοκρασία. Δεν μπορεί να γίνει σύγκριση, διότι στην εκφώνηση δεν αναφέρονται οι θερμοκρασίες των διαλυμάτων. Σωστή Σύμφωνα με τη θεωρία μέτρο σύγκρισης της ισχύος είναι η σταθερά ιοντισμού σε διαλύματα του ίδιου διαλύτη και ίδιας θερμοκρασίας. Σωστή pH(Δ1) > pH(Δ2) οπότε pΟH(Δ1) < pΟH(Δ2) άρα [ΟΗ–](Δ1) > [ΟΗ–](Δ2)

[OH− ] α= επομένως α1 > α2 C

Σε υδατικά διαλύματα ασθενών βάσεων ίδιας συγκέντρωσης και ίδιας θερμοκρασίας η βάση που έχει μεγαλύτερο βαθμό ιοντισμού είναι πιο ισχυρή, επομένως η βάση RNH2 είναι πιο ισχυρή.

-184-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Ασθενή οξέα - Βάσεις) 165.

Το ασθενές οξύ ΗΑ έχει βαθμό ιοντισμού 1 % σε υδατικό διάλυμα 0,1 Μ και το ασθενές οξύ ΗΒ έχει βαθμό ιοντισμού 0,1 % σε υδατικό διάλυμα 1 Μ της ίδιας θερμοκρασίας. Ποιο οξύ είναι ισχυρότερο; Λύση

Οι συγκεντρώσεις των διαλυμάτων είναι διαφορετικές και η θερμοκρασία ίδια, επομένως θα συγκρίνουμε τις σταθερές ιοντισμού τους. Οι βαθμοί ιοντισμού επιτρέπουν τις προσεγγίσεις (α < 0,1), επομένως εφαρμόζουμε το νόμο του Ostwald σε κάθε διάλυμα. Κα(ΗΑ) = α12C1 Κα(ΗΑ) = 10−5 Κα(ΗΒ) = α22C2 Κα(ΗΒ) = 10−6 Επειδή η σταθερά ιοντισμού του οξέος ΗΑ είναι μεγαλύτερη από τη σταθερά ιοντισμού του οξέος ΗΒ, επομένως το ΗΑ είναι ισχυρότερο.

•

Όταν δεν γνωρίζουμε αν ένας ηλεκτρολύτης (οξύ ή βάση) είναι ισχυρός ή ασθενής, θεωρούμε ότι είναι ισχυρός κάνουμε τους υπολογισμούς και αν επαληθεύονται τα δεδομένα είναι ισχυρός αλλιώς είναι ασθενής.

166.

Σε 40 mL διαλύματος οξέος ΗΑ με pH = 2 προσθέτουμε νερό μέχρι να γίνει ο όγκος του διαλύματος 4 L. Σχηματίζεται διάλυμα με pH = 3,2. Να εξετάσετε αν το οξύ είναι ισχυρό ή ασθενές Λύση

Αρχικό διάλυμα. Θεωρούμε ότι το οξύ ΗΑ είναι ισχυρό με αρχική συγκέντρωση C1. Ιοντισμός του οξέος: HA + H2O → H3O+ + A–

Από C1 Μ παράγονται C1 Μ C1 Μ pH = 2 ⇒ [Η3Ο+] = C1 = 0,01 Μ Αραίωση:

C1.V1 = C2.V2 ⇒ C2 = 10–4 Μ

Αραιωμένο διάλυμα. Ιοντισμός του οξέος:

HA + H2O → H3O+ + A–

Από C2 Μ παράγονται C2 Μ C2 Μ [Η3Ο+]τελ = C2 = 10–4 Μ επομένως pHτελ = 4 Όμως το pH είναι 3,2 οπότε το οξύ είναι ασθενές.

-185-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου Διαλύματα αλάτων •

•

•

•

•

179.

Γράφουμε την αντίδραση διάστασης του άλατος και εξετάζουμε αν τα ιόντα του αντιδρούν με το νερό (υδρολύονται). Ένα ιόν αντιδρά με το νερό όταν είναι συζυγές οξύ ασθενούς βάσης ή συζυγής βάση ασθενούς οξέος. Τα άλατα που προέρχονται από εξουδετέρωση ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση σχηματίζουν ουδέτερα διαλύματα, διότι τα ιόντα του δε υδρολύονται. Χαρακτηριστικά είναι τα άλατα NaCl, KBr, Ca(NO3)2. Τα άλατα που προέρχονται από εξουδετέρωση ισχυρού οξέος με ασθενή βάση σχηματίζουν όξινα διαλύματα. Σε αυτά υδρολύεται το κατιόν, για παράδειγμα τα άλατα του αμμωνίου NH4Cl ..., τα άλατα των αμινών RNH3Cl ... Τα άλατα που προέρχονται από εξουδετέρωση ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση σχηματίζουν βασικά διαλύματα. Σε αυτά υδρολύεται το ανιόν, για παράδειγμα τα άλατα των οργανικών οξέων RCOONa, RCOOK, και άλλα όπως NaF, NaCN ... Τα άλατα που προέρχονται από ασθενές οξύ και ασθενή βάση σχηματίζουν όξινα, ουδέτερα και βασικά διαλύματα. Σε αυτά υδρολύονται και τα δύο ιόντα. Το ιόν που έχει μεγαλύτερη σταθερά ιοντισμού καθορίζει το pH του διαλύματος. Το pH υδατικού διαλύματος ΝΗ4CI 0,1 M είναι δυνατό να έχει στους 25 °C την τιμή: α. 11

β. 7

γ. 1

δ. 5 Λύση Σωστή είναι η δ Το κατιόν ΝΗ4+ του άλατος είναι συζυγές οξύ της ασθενούς βάσης ΝΗ3 οπότε υδρολύεται και σχηματίζει Η3Ο+ ενώ το ανιόν Cl– δεν υδρολύεται ως συζυγής βάση του ισχυρού οξέος HCl.

180.

Αν εξουδετερώσουμε πλήρως υδατικό διάλυμα ΚOH με υδατικό διάλυμα HCI προκύπτει διάλυμα 25 °C που έχει pH: α. pH > 7

β. pH < 7 γ. pH = 7

δ. pH ≥ 7. Λύση Σωστή είναι η α Με την πλήρη εξουδετέρωση θα σχηματιστεί το άλας KCl. Τα ιόντα του Κ+ και CI– δεν υδρολύονται. Το Κ+ με την εφυδατωμένη του μορφή Κ(Η2Ο)x+ είναι συζυγές οξύ της ισχυρής βάσης ΚΟΗ και το Cl– δεν υδρολύεται ως συζυγής βάση του ισχυρού οξέος HCl. -188-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Άλατα) 181.

Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λαθος και να δικαιολογήσετε την επιλογή σας. α. Δύο αραιά υδατικά διαλύματα Δ1 και Δ2 ίδιας θερμοκρασίας περιέχουν αντίστοιχα αιθανικό οξύ CH3COOH και μεθανικό οξύ HCOOH ίδιας συγκέντρωσης. Το Δ1 έχει τιμή pH = 4 και το Δ2 έχει τιμή pH = 3. Τότε στην ίδια θερμοκρασία ισχύει: K

b(CH3COO − )

> Kb(HCOO − )

β. Κάθε υδατικό διάλυμα της ένωσης NH4NO3 είναι βασικό. γ. Yδατικό διάλυμα NaF έχει pH > 7 στους 25 °C. δ. Σε θερμοκρασία 25 °C, τα υδατικά διαλύματα του NH4Cl έχουν pH μικρότερο από τα υδατικά διαλύματα του NaCl ε. Η αντίδραση ιοντισμού είναι ενδόθερμη, άρα η τιμή της σταθεράς ιοντισμού Kα ενός ασθενούς οξέος μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. στ. Όταν αντιδράσουν πλήρως 0,1 mol CH3COOH με 0,1 mol NaOH προκύπτει ουδέτερο διάλυμα. Λύση α.

pH1 > pH2 επομένως [Η3Ο+]1 > [Η3Ο+]1

Από τις αντιδράσεις ιοντισμού των οξέων έχουμε:

β.

γ.

δ.

ε.

στ.

[H3O+ ]12 [H3O+ ]22 K α(CH COOH) = και K =

α(HCOOH) 3 C −[H3O+ ]1 C −[H3O+ ]2

K α(HCOOH) > K α(CH COOH) επομένως Kb(HCOO− ) < Kb(CH COO− ) (σωστή) 3 3

– Το ανιόν ΝΟ3 δεν υδρολύεται ως συζυγής βάση του ισχυρού οξέος ΗΝΟ3. Το κατιόν ΝΗ4+ υδρολύεται και σχηματίζει Η3Ο+ επομένως το διάλυμα θα είναι όξινο (λάθος) Το κατιόν Νa+ δεν υδρολύεται ως συζυγές οξύ (με τη μορφή Na(H2O)x+ της ισχυρής βάσης NaOH. Το ανιόν F– υδρολύεται ως συζυγής βάση του ασθενούς οξέος HF και σχηματίζει ανιόντα ΟΗ– οπότε το διάλυμα θα είναι βασικό και σε 25 °C το pH θα είναι μεγαλύτερο από το 7 (σωστή) Το κατιόν ΝΗ4+ υδρολύεται και σχηματίζει κατιόντα Η3Ο+ ενώ το ανιόν Cl– δεν υδρολύεται, έτσι το διάλυμα NH4Cl είναι όξινο. Το διάλυμα NaCl είναι ουδέτερο διότι τα ιόντα του δεν υδρολύονται (σωστή) Με την αύξηση της θερμοκρασίας η ισορροπία ιοντισμού μετακινείται προς τα δεξιά και η σταθερά ιοντισμού αυξάνεται (λάθος) Με την πλήρη εξουδετέρωση παράγεται CH3COONa, το οποίο είναι άλας προερχόμενο από ασθενές οξύ και ισχυρή βάση, οπότε το διάλυμα θα είναι βασικό (λάθος) -189-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 182.

Τα υδατικά διαλύματα KHSO4 εμφανίζουν όξινο χαρακτήρα. α. Να γράψετε τη χημική εξίσωση της αντίδρασης που αιτιολογεί τον όξινο χαρακτήρα των διαλυμάτων αυτών. β. Να εξηγήσετε τον όξινο, βασικό ή ουδέτερο χαρακτήρα διαλύματος K2SO4, αναγράφοντας τη σχετική χημική εξίσωση. γ. Να αναφέρετε τα συζυγή συστήματα οξέος - βάσης που συμμετέχουν σε κάθε μία από τις παραπάνω χημικές αντιδράσεις. Το H2SO4 είναι ισχυρό στο α΄ στάδιο και ασθενές στο β΄ στάδιο. Λύση α.

HSO4– + H2O ⇋ SO42– + H3O+

β.

Το άλας διίσταται και παρέχει ιόντα Κ+ και SO42–. Τα κατιόντα Κ+ δεν υδρολύονται ενώ τα ανιόντα SO42– αποτελούν τη συζυγή βάση του ασθενούς οξέος HSO4–. Από την αντίδραση με το νερό (υδρόλυση) SO4–2 + H2O ⇋ HSO4– + OH– προκύπτουν ιόντα OH– και το διάλυμα είναι βασικό.

γ. οξύ: HSO4– συζυγής βάση: SO42– +

H3O H2O H2O

OH– 183.

Οι σταθερές ιοντισμού του ΗCOOH και της ΝΗ3 είναι αντίστοιχα Κα = 10−4 και Κb = 2·10−5. Να εξετάσετε αν διάλυμα HCOONH4 είναι όξινο, ουδέτερο ή βασικό. Λύση Το άλας διίσταται: HCOONH4 → NH4+ + HCOO– Τα ιόντα υδρολύονται σύμφωνα με τις χημικές εξισώσεις: NH4+ + Η2Ο ⇌ ΝΗ3 + Η3Ο+ HCOO– + Η2Ο ⇌ HCOOH + ΟH– Θα συγκρίνουμε τις σταθερές ιοντισμού των ιόντων NH4+ και HCOO– Kw K α(NH + ) = (1) 4 Kb (NH3 )

Kw Kb(HCOO− ) = (2) K α (HCOOH)

Κα(ΗCΟΟΗ) = 10−4 > Κb(NH3) = 2·10−5 ⇒ Kb(HCOO− ) < K α(NH + ) 4

+ Το κατιόν ΝΗ4 είναι ισχυρότερο από το ανιόν HCOO– Το διάλυμα θα είναι όξινο.

-190-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Άλατα) 184.

Να υπολογίσετε το pΗ: α. υδατικού διαλύματος ΝaCl 1 Μ β. υδατικού διαλύματος άλατος ΝaΑ 0,1 Μ δεδομένου ότι η σταθερά ιοντισμού του ασθενούς οξέος ΗΑ είναι 10−5. γ. υδατικού διαλύματος του άλατος CH3NH3Cl 1 M δεδομένου ότι η σταθερά ιοντισμού της αμίνης CH3NH2 είναι 10–4. Λύση

α. Κάνουμε τη διάσταση του άλατος NaCℓ:

ΝaCl → Νa+ + Cl−

0,1Μ 0,1Μ 0,1Μ Τα ιόντα δεν αντιδρούν με το νερό, επομένως το pH καθορίζεται από τον ιοντισμό του νερού και στους 25 °C είναι 7 β. Κάνουμε τη διάσταση του άλατος ΝaΑ:

ΝaΑ → Νa+ + Α−

0,1Μ 0,1Μ 0,1Μ Το ανιόν Α− υδρολύεται (συζυγής βάση του ασθενούς οξέος ΗΑ) Το κατιόν Νa+ δεν υδρολύεται (συζυγές οξύ της ισχυρής βάσης ΝaΟΗ)

Kw

= 10-9 K α (HA)

Συγκέντρωση (M) A− + Η2Ο ⇋ HA + OH− Αρχική 0,1 Αντιδρούν x Παράγονται x x Ιοντική Ισορροπία 0,1-x x x Το ανιόν Α– έχει σταθερά ιοντισμού: Kb =

x2 Kb = ⇔ x = 10-5 M , pOH = 5, pH = 9 C

B. Κάνουμε τη διάσταση του άλατος CΗ3ΝΗ3Cl:

CH3NH3Cl → CH3NH3+ + Cl−

0,1Μ 0,1Μ 0,1Μ Το ιόν Cl− δεν υδρολύεται (συζυγής βάση του ισχυρού οξέος ΗCl). Το ιόν CH3NH3+ υδρολύεται (συζυγές οξύ της ασθενούς βάσης CH3NH2).

Kw

Το κατιόν CH3NH3+ έχει K α =

= 10-10

Kb (CH3NH2 )

Συγκέντρωση (M) CH3NH3+ + Η2Ο ⇋ CH3NH2 + H3O+ Αρχική Αντιδρούν Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

1 x 1-x

x2 K α = ⇔ x = 10-5 M , pH = 5 C

-191-

-

-

x x

x x

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 185.

Να υπολογίσετε το pH υδατικού διαλύματος χλωριούχου αμμωνίου (NH4Cl) περιεκτικότητας 0,535 % w/v. Σχετικές ατομικές μάζες: N:14, H:1, Cl:35,5, Kb(NΗ3) = 10–5, και γινόμενο ιόντων του νερού Kw = 10–14. Λύση

Mr(ΝΗ4Cl) = 14+4+35,5 = 53,5 Στα 100 mL διαλύματος ή 0,1 L περιέχονται 0,535 g ή n = 0,535/53,5 = 0,01 mol C = n/V = n/V = 0,01/0,1 = 0,1 M Διάσταση άλατος: ΝΗ4Cl → ΝΗ4+ + Cl–

Από 0,1Μ παράγονται 0,1Μ 0,1Μ Το ιόν ΝΗ4+ είναι συζυγές οξύ της ασθενούς βάσης ΝΗ3, επομένως υδρολύεται. Η σταθερά ιοντισμού του ιόντος ΝΗ4+ είναι: Kα = Kw/Kb = 10–14/10–5 = 10–9. Το ιόν Cl– είναι συζυγής βάση του ισχυρού οξέος HCl επομένως δεν αντιδρά με το νερό.

Υδρόλυση: Αρχική Αντιδρούν Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

ΝΗ4+ + Η2Ο ⇋ C y

ΝΗ3 + Η3Ο+ -

C-y

y y

y y

Προσέγγιση: Κα/C = 10–9/10–1 = 10–8 <10–2 (επιτρέπονται) Κα = y2/C ⇒ y = 10–5 M ⇒ [H3O+] = 10–5 M ⇒ pH = 5 186.

Πόσα γραμμάρια οξικού νατρίου (CH3COONa) είναι διαλυμένα σε 500 mL διαλύματος CH3COONa που έχει pH = 9; Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες: C:12, H:1, O:16, Na:23, Kw = 10–14, και η Kα(CH3COOH) = 10–5. Λύση

Mr(CH3COONa) = 12+3+12+32+23 = 82 Θεωρούμε ότι έχουν διαλυθεί n mol CΗ3CΟΟΝa. Το διάλυμα έχει συγκέντρωση C = n/V = n/0,5 = 2n M (1) Διάσταση άλατος: CH3COONa → CH3COO– + Νa+

Από C (mol/L) παράγονται C Μ C M Το ανιόν CH3COO– είναι συζυγής βάση του ασθενούς οξέος CH3COOH, οπότε υδρολύεται. Έχει Kb = Kw/Kα = 10–14/10–5 = 10–9 Το κατιόν Na+ με την εφυδατωμένη του μορφή (Na(H2O)x)+ είναι συζυγές οξύ της ισχυρής βάσης NaOH, επομένως δεν υδρολύεται.

-192-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Άλατα) Υδρόλυση: Αρχική Αντιδρούν Παράγονται Ιοντική Ισορροπία

CH3COO– + Η2Ο ⇋ CH3COOH + OH– C y y y C-y y y

pH = 9 ⇒ pOH = 5 ⇒ [OH–] = y = 10–5 M θεωρούμε ότι γίνονται προσεγγίσεις άρα Κb = y2/C ⇒ C = 0,1 M ⇒ 2n = 0,1 ⇒ n = 0,05 οπότε m = n·Mr = 0,05·82 = 4,1 g Οι προσεγγίσεις επαληθεύονται διότι Kb/C = 10–4 < 0,01 187.

Μεταξύ των σταθερών ιοντισμού Κα και Kb του οξέος ΗΑ και της συζυγούς του βάσης Α− στους 25 °C ισχύει η σχέση: α. Κα + Kb = 14

β. Κα : Kb= 10−14 γ. Kb =

Kα 10-14

δ. K α =

10-14 Kb

188.

Οι σταθερές ιοντισμού ενός ασθενούς μονοπρωτικού οξέος και της συζυγούς του βάσης έχουν την ίδια τιμή σε θερμοκρασία 25 °C. Να υπολογίσετε την κοινή τιμή.

189.

Κατά τη διάλυση κυανιούχου νατρίου (NaCN) σε νερό προκύπτει αλκαλικό διάλυμα διότι τα ιόντα .............. τα οποία προκύπτουν από τη διάσταση του ....................... αντιδρούν με το νερό προς παραγωγή ....................... και ιόντων ………………….., σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: ............................................................................................................

190.

Διαθέτουμε τα εξής υδατικά διαλύματα. (α) χλωριούχο κάλιο KCℓ, (β) χλωριούχο αμμώνιο NH4Cℓ και (γ) χλωριώδες κάλιο KCℓO2. Αν οι ενώσεις ΚΟΗ, ΗCℓ είναι ισχυρές και οι ενώσεις ΝΗ3, HCℓO2 είναι ασθενείς να χαρακτηρίσετε τα διαλύματα ως όξινα ή βασικά ή ουδέτερα.

191.

Το pH υδατικού διαλύματος NaCN (το HCN είναι ασθενές οξύ) είναι δυνατό να έχει στους 25 °C την τιμή: α. 5

β. 7 γ. 1

δ. 9

192.

Δίνονται τα υδατικά διαλύματα Α, Β, Γ, Δ, και Ε, τα οποία περιέχουν HBr, HCOONa, KBr, KOH και NH4Br αντίστοιχα. Τα διαλύματα βρίσκονται στους 25 °C και έχουν την ίδια συγκέντρωση c. Να κατατάξετε τα διαλύματα κατά σειρά αυξανόμενης τιμής pH και να αιτιολογήσετε την απάντησή σας.

-193-

5η ενότητα - Ιοντική ισορροπία (Άλατα) •

Ακολουθούν παραδείγματα ασκήσεων που περιλαμβάνουν πλήρη εξουδετέρωση οξέος από βάση.

198.

Σε 2 L διαλύματος μεθανικού οξέος (HCOOH) συγκέντρωσης 0,05 Μ διαλύουμε χωρίς μεταβολή του όγκου 4 g ΝaΟΗ. Να υπολογισθεί το pH διαλύματος που σχηματίζεται. Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες: Na:23, H:1, Ο:16, η σταθερά ιοντισμού του οξέος Kα = 10–4, γινόμενο ιόντων του νερού Kw = 10–14, log5 = 0,7. Λύση

Το αρχικό διάλυμα περιέχει n = C·V = 0,05·2 = 0,1 mol HCOOH Διαλύσαμε n = m/Mr = 4/40 mol = 0,1 mol NaOH Εξουδετέρωση: HCOOH + NaOH → HCOONa + H2O

0,1 mol 0,1 mol 0,1 mol Το τελικό διάλυμα περιέχει 0,1 mol HCOONa σε όγκο 2 L, οπότε η συγκέντρωσή του είναι C = n/V = 0,1/2 M = 0,05 M. Διάσταση άλατος: HCOONa → HCOO– + Na+

Από 0,05 Μ παράγονται 0,05 Μ 0,05 Μ Το ιόν HCOO– είναι συζυγής βάση του ασθενούς oξέος HCOOH και υδρολύεται, ενώ το ιόν Na+ είναι συζυγές οξύ της ισχυρής βάσης NaOH και δεν υδρολύεται. Η σταθερά ιοντισμού του HCOO– είναι: Kb = Kw/Kα = 10–14/10–4 = 10–10 Υδρόλυση: HCOO– + Η2Ο ⇋ HCOOH + OH– Αρχική C Αντιδρούν y Παράγονται y y Ιοντική Ισορροπία C-y y y Κb/C = 10–10/0,05 = 2·10–9 < 10–2 επιτρέπει προσεγγίσεις Κb = y2/C ⇒ 10–10 = y2/0,05 ⇒ y = [OH–] = 51/2·10–6 M pΟH = -log (51/2·10–6) = -(1/2)log5-log10–6 = 6-0,5·0,7 = 5,65 pH = 14-pOH = 14-5,65 = 8,35

-195-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 199.

Πόσα γραμμάρια μεθανικού οξέος (HCOOH) πρέπει να διαλύσουμε σε 500 mL διαλύματος Ca(OH)2 συγκέντρωσης 0,1 Μ ώστε να εξουδετερωθεί πλήρως όλο το Ca(OH)2; Να υπολογίσετε το pH του εξουδετερωμένου διιαλύματος. Δίνονται οι σχετικές ατομικές μάζες: Ca:40, H:1, Ο:16, η σταθερά ιοντισμού του HCOOH Kα = 10–4, και το γινόμενο ιόντων του νερού Kw = 10–14, log2 = 0,3. Λύση

HCOOH: Ca(OH)2:

Mr = 1+12+16.2+1 = 46 n = C·V = 0,5·0,1 = 0,05 mol Ca(OH)2

Εξουδετέρωση:

HCOOH:

2 HCOOH + Ca(OH)2 → (HCOO)2Ca + 2 H2O 2 mol 1 mol 1 mol x = 0,1 mol 0,05 mol y = 0,05 mol

m = n·Mr = 0,1·46 = 4,6 g

(HCOO)2Ca: C = n/V = 0,05/0,5 = 0,1 M Διάσταση άλατος: (HCOO)2Ca → 2 HCOO– + Ca2+

Από 0,1 Μ παράγονται 0,2 Μ 0,1 Μ Το ιόν HCOO– είναι συζυγής βάση του ασθενούς oξέος HCOOH οπότε αντιδρά με το νερό (υδρολύεται). Το ιόν Ca2+ δεν αντιδρά με το νερό ως συζυγές οξύ της ισχυρής βάσης Ca(OH)2 Η σταθερά ιοντισμού του ιόντος HCOO– είναι: Kb = Kw/Kα = 10–14/10–4 = 10–10 Υδρόλυση: HCOO– + Η2Ο ⇋ HCOOH + OH– Αρχική C Αντιδρούν y Παράγονται y y Ιοντική Ισορροπία C-y y y Κb/C = 10–10/0,2 < 10–2 επιτρέπει προσεγγίσεις Κb = y2/C ⇒ 10–10 = y2/0,2 ⇒ y = [OH–] = 21/2·10–5,5 M pΟH = -log (21/2·10–5,5) = -(1/2)log2-log10–5,5 = 5,5-0,5·0,3 = 5,35 pH = 14-pOH = 14-5,35 = 8,65 200.

Aναμειγνύουμε 100 mL υδατικού διαλύματος ΝΗ3 2 Μ με 400 mL υδατικού διαλύματος HCl 0,5 Μ. Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση των ιόντων ΝΗ4+ και των ιόντων ΟΗ− του διαλύματος που σχηματίζεται. Δίνεται: Κb(ΝΗ3) = 10−5, Kw = 10−14 [Απ: 0,4, 5·10–10]

201.

Διαθέτουμε 200 mL υδατικού διαλύματος Δ1 νιτρώδους οξέος (ΗΝΟ2) 0,5 Μ. α. Πόσα mL υδατικού διαλύματος Δ2 υδροξειδίου του νατρίου (NaOH) συγκέντρωσης 0,125 M πρέπει να προσθέσουμε στο διάλυμα Δ1 ώστε να εξουδετερωθεί πλήρως το νιτρώδες οξύ; -196-