KΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΞΕΑ – ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

278

Άσκηση – Παράδειγμα #2-28

Nα υπολογισθεί το pH σε διάλυμα που προκύπτει από την ανάμειξη 30 cm3 διαλύματος ΗCl 1M και 30 cm3 διαλύματος ΝΗ3 2Μ. Κατά την ανάμειξη δεν μεταβάλλεται ο συνολικός όγκος (δίνεται kb ≈ 10-5) Λύση: Aρχικά δεν φαίνεται ότι πρόκειται για άσκηση ασθενούς βάσης και άλατός της με το οποίο έχει κοινό ιόν. Η αντίδραση όμως του ισχυρού οξέος ΗCl με την ασθενή βάση ΝΗ3 δίνει το άλας ΝΗ4Cl το οποίο ιοντίζεται πλήρως στο νερό σε ΝΗ4

+ και Cl-. Εάν μετά την αντίδραση οξέος και βάσης υπάρχει στο διάλυμα και NH3 που δεν έχει αντιδράσει τότε οι κύριες ουσίες στο διάλυμα θα είναι NH3 και ΝΗ4Cl. Στην περίπτωση αυτή έχουμε μία άσκηση ασθενούς βάσης και άλατός της με κοινό ιόν το ΝΗ4

+ και ακολουθούμε την Μεθοδολογία #5. Διαφορετικά μπορούμε να θεωρήσουμε ότι έχουμε μία άσκηση άλατος που προκύπτει από την αντίδραση ισχυρού οξέος και ασθενούς βάσης που υδρολύεται και ακολουθούμε την Μεθοδολογία #3 στην σελίδ 249 . Τα αρχικά όμως βήματα και στις δύο περιπτώσεις είναι ίδια.

BHMA ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΣΗΜΕΙΩΣΗ I

ΔΕΔΟΜΕΝΑ

VHCl = 30 cm3 VNH3 = 30 cm3

[ΗCl] = 1M [ΝΗ3 ] = 2Μ

kb = kΝΗ3 ≈ 10-5

ΖΗΤΟΥΜΕΝΑ pH = ;

Γράφουμε τα δεδομένα και τα ζητούμενα της άσκησης.

II

α) Οι σχέσεις που συνδέουν τα δεδομένα με τα ζητούμενα είναι: pOH = -log[OH-] (1) και pH + pOH = 14 (2) O όγκος του διαλύματος VΔ μετά την ανάμειξη είναι: VΔ = VHCl + VNH3 = 30 cm3 + 30 cm3 = 60 cm3 (3) Τα mol του HCl και της NH3 στο διάλυμα των 60 cm3 που προκύπτει από την ανάμειξή τους υπολογίζονται ως εξής: Υπολογίζουμε τα mol του «καθαρού» ΗCl στα 30 cm3 διαλύματος ΗCl 1M είναι: Στα 1000 cm3 διαλύματος ΗCl υπάρχει 1 mol «καθαρού» ΗCl “ 30 cm3 διαλύματος ΗCl υπάρχει α = ; mol «καθαρού» ΗCl α = 3 . 10-2 mol «καθαρού» ΗCl Eπομένως: Τα mol του HCl nHCl στο διάλυμα των 60 cm3 = 3 . 10-2 mol (4) Τα mol της NH3 nNH3 στο διάλυμα των 60 cm3 = 6 . 10-2 mol (5) Η αντίδραση του HCl με την NH3 δίνεται από:

ΗCl + NH3 ⎯ H2O→ NH4+ + Cl- (6)

-0,03 mol -0,03 mol 0,03 mol 0,03 mol Από την παραπάνω αντίδραση φαίνεται ότι παράγονται 0,03 mol NH4Cl το οποίο ιοντίζεται πλήρως σε NH4+ και Cl-. Aπό τις (4), (5) και (6) προκύπτει ότι η NH3 βρίσκεται σε περίσσεια καθώς 3 . 10-2 mol mol HCl αντιδρούν πλήρως με 3 . 10-2 mol NH3. Τα mol της NH3 σε περίσσεια, δηλαδή τα mol της NH3 που δεν αντιδρούν είναι: nNH3 στο διάλυμα των 60 cm3 σε περίσσεια = 6 . 10-2 mol - 3 . 10-2 mol = 3 . 10-2 mol NH3

Eνότητα 2.1.4 : Οξέα και Βάσεις: Επίδραση κοινού ιόντος – Ρυθμιστικά διαλύματα - Ογκομέτρηση

H συγκέντρωση της NH3 στο διάλυμα των 60 cm3 είναι: Στα 60 cm3 διαλύματος υπάρχουν 0,03 mol NH3

“ 1000 cm3 διαλύματος υπάρχουν z = ; mol NH3 ⇒ z = [NH3] = 0,5 M (7) Όμοια από την (6) προκύπτει ότι η: [NH4Cl] = 0,5 M στο διάλυμα των 60 cm3 (8) Επομένως το πρόβλημα ανάγεται στην περίπτωση διαλύματος που περιέχει ασθενή βάση (την NH3) με συγκέντρωση [NH3] = 0,5 M και το άλας της [NH4Cl] = 0,5 M με το οποίο έχει κοινό ιόν το NH4+ (θυμηθείτε ότι η NH3 αντιδρά με το νερό και δίνει επίσης NH4+). Επομένως ακολουθούμε την Μεθοδολογία #5. β) Oι κύριες ουσίες επομένως στο διάλυμα είναι: NH3 (ασθενής βάση) και το NH4Cl το οποίο ιοντίζεται πλήρως στο νερό και δίνει NH4+ (συμπεριφέρεται σαν οξύ στην αντίδρασή του με το νερό) και Cl- (δεν αντιδρά με το νερό). γ) Η αντίδραση ιοντισμού του άλατος NH4Cl δίνεται από:

NH4Cl ⎯ H2O→ NH4+ + Cl- (9)

-0,5 mol/ℓ +0,5 mol/ℓ +0,5 mol/ℓ Η αντίδραση ιοντισμού της NH3 στο νερό δίνεται από:

NH3 + H2O NH4+ + ΟΗ- (10) H (10) είναι η σημαντικότερη αντίδραση ισορροπίας η οποία καθορίζει το pH του διαλύματος στην άσκηση (kb = kΝΗ3 ≈ 10-5). Υπάρχει και η ισορροπία αυτοϊοντισμού του νερού η οποία γίνεται ταυτόχρονα αλλά η σταθερά ισορροπίας kw = 10-14 υποδηλώνει ότι το νερό είναι πολύ ασθενέστερη βάση από την NH3 και επομένως η αντίδραση αυτή δεν καθορίζει το pH στην συγκεκριμένη άσκηση. δ) Έστω χ mol/ℓ από την NH3 ιοντίζονται. Ο πίνακας με τις αρχικές και τελικές συγκεντρώσεις των ουσιών στην ισορροπία είναι:

NH3 + H2O NH4+ + ΟΗ- (10) Αρχικά 0,5 Μ 0,5 Μ 0

Μεταβολή -x M +x M +x M Τελικά

(στην xημική ισορροπία)

(0,5–x) M (0,5+x) M x M

ε) Για την σταθερά ιοντισμού της NH3 ισχύει: kb = kΝΗ3 = [NH4+] . [ΟΗ-] / [NH3] = 10-5 (11)

III

Aπό την σχέση (11) και τις συγκεντρώσεις στην χημική ισορροπία από τον πίνακα: kb = kΝΗ3 = [NH4+] . [ΟΗ-] / [NH3] =10-5 ⇒ kb = kΝΗ3 = (0,5+x) . x / (0,5–x) =10-5 ⇒ kb = kΝΗ3 = 0,5 . x / 0,5 = 10-5 ⇒ x = [ΟΗ-] = 10-5 M (12) Σημείωση: Το 0,5+x ≈ 0,5 και το 0,5-x ≈ 0,5 αφού kb/c = 10-5 /5 .10-1 < 10-2 Eπομένως από την (1) και την (12) ⇒ pOH = -log[OH-] = -log(10-5) = 5 (13

IV

Eπομένως την (2) και την (13) ⇒ pH = 14 – pOH = 14 – 5 = 9

Όμοιες ασκήσεις: 190, 191

279