kemijska ravnoteŽa ii - zoak.fkit.hrzoak.fkit.hr/nastava/pred_oiak/seminar 08., kemijske_ravnote¾e...
Post on 04-Apr-2019
221 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebu
Seminar 08
KEMIJSKA RAVNOTEŽA IIRavnoteže u otopinama elektrolita 1
dr. sc. Biserka Tkalčecdr. sc. Lidija Furač
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - uvod
ELEKTROLITI: tvari koje u otopinama disociraju na ione
OTOPINE KISELINA, BAZA I SOLI
JAKI ELEKTROLITI : potpuno disociraju na ione, dobri vodiči el. struje (npr. HCl, HNO3, KCl, Na2SO4)
SLABI ELEKTROLITI : djelomočno disociraju na ione, nedisocirane molekule BA su u ravnoteži s hidratiziranim ionima
B+ i A-
OTOPINE ELEKTROLITA
BA B+ (aq) + A- (aq)
Ravnoteže u vodenim otopinama elektrolita:
1) ravnoteže u otopinama jakih i slabih kiselina i baza
2) ravnoteže u otopinama soli - hidroliza
3) ravnoteže u otopinama kompleksa
4) ravnoteža između otopine i neotopljenog kristala
5) redoks ravnoteže
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - uvod
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - uvodOpćeniti prikaz ravnotežne reakcije disocijacije: BA B+ + A-
[ ][ ][ ]AB
AB −+
=cK
Konstanta ravnoteže prikazane reakcije:
1) Ionski produkt vode
Autoprotoliza vode: H2O + H2O H3O+ + OH-
baza kiselina kiselina baza
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II -Kw
VODENE OTOPINE
Amfoterni karakter vode
[ ][ ][ ]22
3
OHOHOH −+
=cKKonstanta autoprotolize vode:
[H2O]T ≈ c (H2O)T = konst.
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – Kw
Voda vrlo slabo disocira – vrlo slabi elektrolit
[ ] = oznaka za ravnotežnu koncentraciju tvaric ( ) = oznaka za ukupnu koncentraciju tvari
U razrijeđenim vodenim otopinama je voda u velikom suvišku sobzirom na otopljenu tvar (tvari)
[H2O] ≈ c (H2O)
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - Kw
Pri 25 0C:
[ ][ ][ ] ==
−+
22
3
OH OHOH
cK
L/g0479,997O)(H 0252 =Cρ
V (H2O) = 1 L
[H2O] ≈ c (H2O)= L1mol/g18,0153L1L/g997,0479
O)(H O)(HO)(H(
O)(H O)(H
22
2
2
2 =××
=×
=VM
mVn
[ ] [ ][ ] =⋅×==× −−+ 221822 M3445,5510265.3OHHOHcK
[ ][ ] 6214 /dmmol10OHH −−+ ==wK
m (H2O) = ρ x V
55,3445 M
3,265 x 10-18
10-14 M2
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II- pH
potpuno čista voda : [H+] = [OH-] = 10-7 M
Pri 25 0C:
U svim vodenim otopinama:
[H+] > 10-7 M KISELA OTOPINA
[H+] < 10-7 M LUŽNATA OTOPINA
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - pHSÖRENSEN : [ ] pH3 10dm mol/H −−+ =
analogno:
3 dm mol/) H( log - pH −+∑=
Za c (H+) < 0.1 mol dm-3 2 < pH < 12 je mjerljiv
3 dm mol/)- H O( log - pOH −∑=
Pri 25 0C:
pH + pOH = pKw
pH + pOH = pKw = 14
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – aktivitet iona
AKTIVITET IONA
N. Lewis : 3-B
B0B
B dmmol)B( cy
ccyac ⋅=⋅=
ac relativni aktivitet tvari (jedinke) B
yB koeficijent aktiviteta tvari (jedinke) B
cB koncentracija tvari (jedinke) B
c 0 standardna koncentracija referentne otopine = 1 mol dm-3
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona
Vrijednosti koeficijenta aktiviteta za monovalentne i divalentne ione u otopinama jakih (pravih) elektrolita (npr. KCl, KNO3,, HCl; ZnSO4) :
c (ion) y (ion)
monovalentni divalentni
0,1 M 0,80 0,15
0.01 M 0.90 0,39
0,001 M 0,96 0,73
<0,001 M 1,00
3i dmmol5,0log −−+ ⋅⋅−= cIzzy
z + , z - ...z i naboj kationa i aniona
Ic ionska jakost otopine (na temelju koncentracija)
c i koncentracija pojedinog kationa, odn. aniona u otopini
∑=
=⋅=n
ic nizcI
1
2ii ,...3,2,1,
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona
Jaki elektroliti P. Debye, E. Hückel (25 0C), ako je c (ion) < 0.01 M:
Ravnotežna reakcija : AB A+ + B-
Termodinamička konstanta ravnoteže :
AB
BA
aaa
TfK −+ ⋅== )(
Koncentracijska konstanta ravnoteže :[ ][ ][ ]AB
BA)(−+
== T,cfKc
Kc = K , jer aktivitet iona ovisi o koncentraciji
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona
Kc = f (T ) ≈ K ... samo za vrlo, vrlo razrijeđene otopine:
slabi elektroliti : c < 0.1 M y ≈ 1jaki elektroliti : c < 0.001 M a = c
ILI
uz stalnu veliku ionsku jakost otopine, što se postiže dodatkom u otopinu “indiferentnog elektrolita” (ne učestvuje u ravnotežnoj reakciji) u koncentraciji puno većoj od koncentracije sudionika promatrane ravnotežne reakcije, npr. c (NaClO4) = 2 M. Tada ionsku jakost određuje taj elektrolit, pa se aktiviteti iona u promatranoj ravnotežnoj reakciji mogu smatrati konstantnima, bez obzira na promjenu njihove koncentracije(ali u dozvoljenim granicama).
Samo tada se smije u izraz za konstantu ravnoteže uvrstiti koncentracija vrsta, umjesto njihova aktiviteta.
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - aktivitet iona
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II- kiseline1) VODENE OTOPINE MONOPROTONSKIH KISELINA
HA + H2O H3O+ + A-
kiselina baza kiselina baza
ili skraćeno,
HA H+ + A-
[ ][ ][ ][ ]OHHA
AH
2
,K
−+
=K [ ] [ ][ ][ ]HA
AHOH K2,K
−+
== KK
Konstanta ionizacije kiseline
Jer je koncentracije vode konstantna
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II- jake kiseline
a) jake kiseline:
c (kis.) = c (H+)
potpuno disocirane
1.) pH = - log [H+] = - log c (kis.)
2.) pH = - log a (H+) = - log y∙c (kis.)
ako je y = 1 (c < 0.001)
ako je y < 1 (c < 0.1 M ic > 0.001M )
•Primjer računa za vrlo, vrlo razrijeđenu otopinu HCl, c (HCl) = 10-8 M, kada se disocijacija vode ne smije zanemariti (seminarski zadatak).
HA H+ + A-
)(H log - pH += a
b) slabe kiseline: djelomično disocirane
HA H+ + A-
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II- slabe kiseline
[ ][ ][ ]HA
AHK
−+
=K
[H+] = [A-] = c (ionizirane kiseline)
[HA] = ravnotežna koncentracija neionizirane kiseline
[HA] = c (kiseline)ukupna – c (kiseline)ionizirana
= c (kiseline)ukupna – [A-] tj. [H+]
[ ][ ]+
+
=H - (kiseline)
H
ukupna
2
K cK pH
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II– slabe kiseline
1.) bez aproksimacije: [ ] [ ] 0 (HA)HH KK2 =⋅−⋅+ ++ cKK [H+]
[ ]HA) (
H 2
K cK
+
= [ ] (HA)H K cK ⋅=+
2.) aproksimativno:
pH
HA je slabo disocirana, pa se uz približni uvjet,
c (HA) > 10-2 M), K (HA) < 10-3 M može smatrati:
Kriterij procjene:
1. stupanj ionizacije, α > 3 % račun bez aproksimacije
2. stupanj ionizacije, α ≤ 3 % aproksimativni račun
[H+] = [A-] << [HA]
[HA] ≈ c (HA)
Računanje pH slabe kiseline
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - stupanj ionizacije
Stupanj ionizacije, α:
[ ]ukupnoukupno
ionizirano
(HA)H
(HA)(HA)
ccc +
==α [ ] ukupnoHA)(H c⋅=+ α
1.) bez aproksimacije:
[ ][ ] α
αα
α-1
HA) (HA) (HA) (
HA) (HHA) (
H ukupna2
ukupnaukupna
ukupna22
ukupna
2
K
ccc
cc
K ==−
=−
+
+
2.) aproksimativno:
[ ]ukupna
2
ukupna
ukupna22
ukupna
2
K HA) (HA) (
HA) (HA) (H c
cc
cK α
α===
+
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – jake baze
a) jake baze:
potpuno disociraneMeOH Me+ + OH-
c (OH-) = c (baza)c (OH-) = 2 c (baza)
Hidroksidi alkalijskih i zemnoalkalijskih elemenata, osim Be(OH)2
Me(OH)2 Me2+ + 2 OH-
1.) pOH = - log [OH-] = - log c (baza); - log 2c (baza)
2.) pOH = - log a(OH-) = - log y∙c (baza); - log 2y∙c (baza)
y = 1 (c < 0.001)
y < 1 (c < 0.1 M ic > 0.001M)
pH + pOH = 14
pH = 14 - pOH
b) slabe baze: djelomično disocirane
B + H2O BH+ + OH-
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II- slabe baze
[ ][ ][ ]B
OHBHB
−+
=K
[BH+] = [OH-] = c (ionizirana baza)
[B] = ravnotežna koncentracija neionizirane baze
[B] = c (baza)ukupna – c (baza)ionizirana
= c (baza)ukupna – [BH+] tj. [OH-]
[ ][ ]−
−
=OH - (baze)
OH
ukupna
2
B cK pOH
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II– slabe baze
1.) bez aproksimacije: [ ] [ ] 0 (B)OHOH BB2 =⋅−⋅+ −− cKK [OH-]
[ ]B) (
OH 2
B cK
−
= [ ] (B)OH B cK ⋅=−
2.) aproksimativno:
pOH
B je slabo disocirana, pa se uz približni uvjet,
c (B) > 10-2 M), K (B) < 10-3 M može smatrati:
Kriterij procjene:
1. stupanj ionizacije, α > 3 % račun bez aproksimacije
2. stupanj ionizacija, α ≤ 3 % aproksimativni račun
[OH-] = [BH+] << [B]
[B] ≈ c (B)
Računanje pH slabe baze
pH
pH
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II - stupanj ionizacije
Stupanj ionizacije, α:
[ ]ukupnaukupna
ionizirana
(B)OH
(B)(B)
ccc −
==α [ ] ukupnaB)(OH c⋅=− α
1.) bez aproksimacije:
[ ][ ] α
αα
α-1B) (
B) () (BB) (
OHB) (OH ukupna
2
ukupnaukupna
ukupna22
ukupna
2-
B
ccc
cc
K =−
=−
= −
2.) aproksimativno:
[ ]ukupna
2
ukupna
ukupna22
ukupna
2-
B B) (B) (
B) (B) (
OH ccc
cK α
α===
Domaća zadaća
1. M. Sikirica, Stehiometrija:
zadatci: 10.15.; 10.16.; 10.9.; 10.51.; 10.52.
2. I. Filipović, Opća i anorganska kemija I:
zadatak: 9.3.18.
3. Izračunajte pH vodene otopine klorovodične kiseline, c (HCl) = 10-7 M.R: pH = 6,79
4. a) U vodenoj otopini natrijeva hidroksida, c (NaOH) = 0,005 M izmjerenavrijednost pH otopine je, pH = 11,66. Izračunajte koeficijent aktiviteta otopine.b) Volumen od 5 mL te otopine otpipetiran je u odmjernu tikvicu od 250 mL te jetikvica nadopunjena destiliranom vodom do oznake. Izračunajte pH takopripremljene otopine natrijeva hidroksida. c) Koliki je koeficijent aktivitetahidroksidnog aniona u pripremljenoj otopini ? Obrazložite!R: a) y = 0,92; b) pH = 10. c) zaključite sami
5. U vodenoj otopini klorovodične kiseline izračunati pH otopine iznosi, pH = 1,80, aizmjereni pH otopine je, pH = 1,85. Izračunajte a) koncentraciju klorovodičnekiseline u otopini; b) koeficijent aktiviteta vodikovog iona u otopini.R: a) c (HCl) = 0,0158 M; b) y = 0,89
Domaća zadaća - nastavak
6. U tikvici volumena 1 L je u nešto destilirane vode otopljena točno izvaganamasa barijeva hidroksida oktahidrata, nakon čega je tikvica nadopunjenadestiliranom vodom do oznake. U dobivenoj otopini je izmjeren pH = 12,07. a) Izračunajte koncentraciju otopine barijeva hidroksida, ako je koeficijent aktivitet hidroksidnog iona u otopini, y = 0,58. b) Izračunajte masu barijevahidroksida oktahidrata koju ste otopili za pripremu zadane otopine.R: a) c ((Ba(OH)2) = 0,01 M; b) m ((Ba(OH)2 ∙ 8 H2O) = 3,153 g
7. U otopini octene kiseline izmjeren je pH = 3,5. Konstanta ionizacije octene kiselineje, KK =1,8 ∙ 10-5 M. Izračunajte a) ravnotežnu koncentraciju OH- i CH3COO- iona, b) ravnotežnu koncentraciju neionizirane kiseline i ukupnu množinsku koncentraci-ju kiseline u otopini, c) stupanj ionizacije kiseline u otopini.R: a) [OH-] = 3,16 ∙ 10-11 M; b) = [CH3COOH] = 5,55 ∙10-3 M;c (CH3COOH) = 5,86 ∙ 10-3 M ; c) α = 5,4 %
8. Stupanj ionizacije kloroctene kiseline u vodenoj otopini, c (CH2ClCOOH) = 0,0521M, iznosi, α = 15 %. Izračunajte a) pH otopine, b) koncentraciju neioniziranekiseline i c) konstantu ionizacije kiseline.R: a) pH = 2,1; b) 0,0443 M; c) KK = 1,379 ∙ 10-3 M
Domaća zadaća - nastavak9. Izračunajte volumen vode koju treba dodati u 0,5 dm3 vodene otopine amonijaka,
c (NH3) = 2 M, da bi se stupanj ionizacije kiseline u otopini udvostručio. K (NH3) =1,75 ∙ 10-5 M.R: V (H2O) = 1,5 L
10. Izračunajte množinsku koncentraciju mravlje kiseline u vodenoj otopini, ako je stupanj ionizacije mravlje kiseline u otopini jednak stupnju ionizacije dušikastekiseline u otopini u kojoj je masena koncentracija dušikaste kiseline, γ (HNO2) =0,5076 g dm-3. K (HCOOH) = 1,8 ∙ 10-4 M; K (HNO2) = 4 ∙ 10-4 M.R: c (HCOOH) = 4,87 ∙ 10-3 M
11. A) U nekoj vodenoj otopini u kojoj je koncentracija amonijaka, c (NH3) = 2 M,izmjeren je pH = 14. Izračunajte a) ravnotežnu koncentraciju amonijeva iona u otopini b) stupanj ionizacije amonijaka u otopini. K (NH3) = 1,8 ∙ 10-5 M.B) Koliki će biti a) pH otopine b) ravnotežna koncentracija amonijeva iona i c)stupanj ionizacije amonijaka, ako otopina sadrži samo amonijak jednake koncentracije od 2 M?R: A) a) [NH4
+] = 36 µmol/L; b) α = 0,0018 %; B) a) pH = 11,74; b)[NH4
+] = 6 mmol/L; c) α = 0,3 %
top related