ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών Κεφ5 θεωρία ΟΞΕΑ -ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ( Επίδραση κοινού ιόντος)

Δήμητρα Σπανού

υπό κατασκευή

Επίδραση κοινού ιόντος

Από το κεφάλαιο 4.2 έχουμε μάθει για  τους παράγοντες που επιρρεάζουν την Χημική ισορροπία που είναι η μεταβολή στην συγκέντρωση, την θερμοκρασία και την πίεση. Επίσης για την Αρχή του Le Chatelier

Στην επίδραση κοινού ιόντος έχουμε την εφαρμογή στην μεταβολή της συγκέντρωσης  και πως επιρρεάζεται η Χημική ισορροπία, όταν πρόκειται για ιοντικές αντιδράσεις 

Ήδη έχουμε συναντήσει περιπτώσεις επίδρασης κοινού ιόντος  με την  προσθήκη επιπλέον [Η3Ο+] στο καθαρό νερό που έγινε  με την προσθήκη οξέος ,

 ή επίπλέον  OH- που έγινε  με την προσθήκη βάσης. 

Α. τα Η3Ο+ δεν θα προέρχονται πλέον μόνο από την διάσταση του νερού αλλά και από την διάσταση του οξέος και έτσι  θα έχουμε μεγαλύτερη  συγκέντρωση  [Η3Ο+].  Όμως η  σταθερά Κw για την αντίδραση διάστασης του νερού 

Η2Ο + Η2Ο  <--> Η3Ο⁺   + ΟΗ^-

πρέπει να παραμείνει 10^-14. Έτσι  μειώνεται η συγκέντρωση του [ΟΗ-]

[Η3Ο+] > 10-7 M > [OH-] που προέρχονται από την διάσταση του νερού. Δηλαδή η ισορροπία διάστασης του νερού έχει μετατοπιστεί προς το πρώτο μέλος. 

Αντίστοιχ με την προσθήκη [ΟΗ-] 

τα  [ΟΗ-] δεν θα προέρχονται μόνο από την διάσταση του νερού αλλά και από την διάσταση της βάσης και έτσι θα έχουμε μεγαλύτερη  συγκέντρωση [ΟΗ-].  Όμως η  σταθερά Κw πρέπει να παραμείνει 10^-14. Έτσι  μειώνεται η συγκέντρωση του [Η3Ο+] και πάλι η ισορροπία του νερού έχει μετατοπιστεί προς το πρώτο μέλος. 

Β. Όμως την επίδραση κοινού ιόντος συνήθως μελετάμε όταν σε διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη επιδράσει άλλος ηλεκτρολύτης συνήθως ισχυρός που έχει κοινό ιόν με τον ασθενή ηλεκτρολύτη

Η αντίδραση ιοντισμού του ασθενούς ηλεκτρολύτη μετατοπίζεται προς τα αριστερά

Συγκεκριμένα διακρίνουμε τις περιπτώσεις

1. Σε διάλυμα ασθενούς οξέος επιδρά άλλο οξύ (συνήθως ισχυρό) Παράδειγμα: Σε δ. Υποβρωμιώδους  οξέος  (ΗBrO) όταν επιδρά υδροχλώριο(HCl) 

2. Σε διάλυμα ασθενούς οξέος επιδρά άλας με ίδιο ανιόν με το οξύ. Παράδειγμα: Σε δ. Οξικού οξέος  (CH3COOH) επιδρά οξικό νάτριο(CH3COONa)

3. Σε διάλυμα ασθενούς βάσης  επιδρά άλας με ίδιο κανιόν με την βάση (μια ισχυρή βάση). Παράδειγμα: Σε διάλυμα αμμωνίας  (ΝΗ₃)  επιδρά καυστικό  νάτριο (NaΟΗ)

4. Σε διάλυμα ασθενούς βάσης  επιδρά άλας με ίδιο κατιόν  με τη βάση. Παράδειγμα:  Σε διάλυμα αμμωνίας  (ΝΗ₃)  επιδρά χλωριούχο αμμώνιο (ΝΗ₄Cl)

5. Επίδραση της πρώτης διάστασης πολυβασικού οξέος στις υπόλοιπες διαστάσεις του οξέος: Παράδειγμα Το H2SO4 στην πρώτη διάσταση δίνει ΗSO4^-  και στην δεύτερη SO4^2-

6. Επίδραση της πρώτης διάστασης πολυοξινης βάσης στις υπόλοιπες διαστάσεις της βάσης: Αυτό δεν ισχύει όμως για τα ετεροπολικά υδροξείδια μετάλλων  (Ca(OH)2 ,  ΝaOH κ.α.) αλλά για ομοιοπολικές πολυόξινες βάσεις π.χ. διαμίνες

7. Διάλυμα που περιέχει ασθενές οξύ ΗΑ συγκέντρωσης Coξ Μ και την συζυγή βάση αυτού Α- με συγκέντρωση Cβασ Μ. Μπορούμε να το συμπεριλάβουμε στην περίπτωση 2, όπου  σε διάλυμα ασθενούς οξέος επιδρά άλας με ίδιο ανιόν με το οξύ, γιατί το ανιόν του άλατος είναι αυτόχρονα και η συζυγής βάση του οξέος

8. Διάλυμα που περιέχει ασθενη βάση Β συγκέντρωσης Cβασ Μ και το συζυγές οξύ αυτού ΒΗ+, με συγκέντρωση Cοξ Μ.  Μπορούμε να το συμπεριλάβουμε στην περίπτωση 4, όπου  σε διάλυμα ασθενούς βάσης, επιδρά άλας με ίδιο κανιόν με τη βάση, γιατί το ανιόν του άλατος είναι ταυτόχρονα και η συζυγής βάση του οξέος.

1. Παράδειγμα

1. Σε διάλυμα ασθενούς οξέος επιδρά άλλο οξύ (συνήθως ισχυρό)

Έχουμε α. διάλυμα  Υποβρωμιώδους  οξέος  (ΗBrO) συγκέντρωσης 0,002Μ και  β. Σε διάλυμα  Υποβρωμιώδους  οξέος  (ΗBrO) συγκέντρωσης 0,002Μ 

και υδροχλώριου(HCl)  0,01Μ.  Να υπολογιστεί ο βαθμός ιοντισμού στις δύο περιπτώσεις. Πως μεταβάλλεται το PH; Κα_ΗBrO = 2.10^-11

α. Για το ΗBrO η αντίδραση ιονισμού είναι  HBrO  +H2O  <-->  H3O⁺   +  BrO^_

H Ka/C είναι <0,01 καί μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον απλοποιημένο τύπο του Osward  Ka=a²c όπου α= (Ka/c)^1/2   --> α= (2.10^-11/ 0,002)1/2  =10^-4

Για το PH έχουμε PH = -log[ H3O⁺] =-logαc  =-log 10^-4 0,002 = -log 2.10^-7  =6,7

^{ή .}

Ka=x²/c όπου χ={H3O⁺ ]=[ BrO^_]

άρα 2.10^-11 =χ2/ 0,002   -->χ²= 4.10-14 --> χ=2.10^-7  

Το PH  = -log(4.10-7) = -log4 -log(10 ^-7)  =-0,3 +7 =6,7

β. Εάν υπάρχει ταυτόχρονα στο διάλυμα και HCl συγκέντρωσης 0,01  η συγκέντρωση {H3O⁺ ] είναι χ+0,01  (ή  α1c +0,01)  δηλαδή χ (ή α1c) από την διάσταση του HBrO  και 0,01 από το HCl,  γιατί το HCl είναι ισχυρό οξύ και διίσταται εξ ολοκλήρου. Αν ο βαθμός  διάστασης του  HBrO είναι α1 τότε έχουμε 

HBrO  +H2O          <-->            H3O⁺   +  BrO^_

                                         αρχικά    mol/lt                                0,002

                                             διίστανται                              a1.0,002

                                  παράγονται                                                                        a1.0,002       a1.0,002 

                                  τελικά                               0,002-  a1.0,002                          a1.0,002       a1.0,002  

                                         Ka= [H3O⁺ ] [BrO^_] / [HBrO]  =  a₁.0,002 . (a₁.0,002 +0,01)   / 0,002( 1-  a₁)      τo  a₁.0,002 +0,01~0,01 και  1-  a_1~1

-

   Άρα a₁.0,002 .0,01 /0,002 = 2.10^-11   αρα a₁₌2.10^-9    Ο βαθμός διάστασης έχει μειωθεί  α>α₁

                                                                                     10^{-4 >}2.10^-9  

2.Παράδειγμα (Κορέση -Ντάση)

2, Σε διάλυμα ασθενούς οξέος επιδρά άλας με ίδιο ανιόν με το οξύ

Ποιος είναιο βαθμός διάστασης του οξικού οξέος σε διάλυμα 0,02Μ σε οξικό οξύ και 0,01Μ σε οξικό κάλιο; Για το οξικό οξύ Κα=1,8.10-5 

Η αντίδραση διάστασης και ιοντισμού του οξικού οξέος είναι

CH3COOH       +H2O    <-->  CH3COO-       +    H3O+

αρχικά mol/lt CH3COOH  0,02mol/lt από αυτά διίστανται α0,02 και παράγουν α.0,02grio/lt H3O+ και α.0.02 CH3COO-. Απομένουν δε 0,02(1-α) mol/lt CH3COOH αδιάστατα.  Όμως το 1-α ~1

Το οξικό κάλιο 0,01Μ διίσταται εξ ολοκλήρου και δίνει 0,01grion/lt CH3COO-,  0,01grion/lt και  0,01grion/lt K+.

Έτσι τα συνολικά οξικά ιόντα προέρχονται και από το οξικό οξύ (α.0,02) και από το οξικό κάλιο 0,01 (CH3COOK) --> [CH3COO-] =a.0,02+ 0,01  ~  0,0

Από τον τύπο Κα =[CH3COO-].[H3O+]/[CH3COOH] έχουμε 1,8.10^-5=0,01.α.0,02/ 0,02(1-α)  --> 1.8.10^-5=α.0,02  --> 

α=0,18.10^-2   άρα η απόδοση είναι 0,18%

3. Παράδειγμα(Κορέση -Ντάση)

3.Σε διάλυμα  ασθενούς βάσης  επιδρά άλας με ίδιο κατιόν  με τη βάση.

Να υπολογιστεί ο βαθμός διάστασης της αμμωνίας ΝΗ3  α0 σε διάλυμα 0,01Μ σε αμμωνία β) Σε διάλυμα 0,01Μ σε αμμωνία και 0,01Μ σε υδροξείδιο του Νατρίου. Για την αμμωνία Κβ= 1,8.10^-5

ΝΗ₃        +      Η₂Ο     <-->   ΝΗ4⁺    +      ΟΗ^-

 αρχικά 0,01 σε ΝΗ₃   αντιδρούν χ mol/lt NH₃   παράγονται  α0,01 mol/lt NH4⁺   και α0,01 mol/lt OH- 

και μένουν 0,01-α.0,01mol/lt αμμωνίας . Εξετάζουμε αν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον απλουστευμένο τύπο αραίωσης του Osward

 Ka/c = 1,8.10^-5/10^-2  =1,8.10^-3<10-2 άρα μπορούμε ναχρησιμοποιήσουμε απλουστευμένο τον τύπο της Κβ

Κβ= α₂c  -> α= (Kβ/c)1/2

α=(18.10-6/10-2)1/2  --> α=4,15.10^-2  ή Απόδοση της διάστασης της αμμωνίας είναι 4,15%

 β) Σε διάλυμα 0,01Μ σε αμμωνία και 0,01Μ σε υδροξείδιο του νατρίου (ΝaOH) .

Τώρα η συγκέντρωση των ΟΗ- προέρχεται και από την ΝΗ₃ και από την NaOH.

H NaOH διάστασται πλήρως και η συγκέντρωση των ΟΗ^- που δίνει  στο διάλυμα είναι 0,01grion/lt.

H Η συνολική [ΟΗ^-] είναι α₁c + 0,01=α₁.0,01+0,01~ 0,01

Κβ=[NH4+] [OH-]/[NH3]   δηλαδή 1,8.10^-5= α₁.0,01.(α₁.0,01+0,01)/0,01(1-α₁) απλοποιώντας  και έχοντας α₁.0,01+0,01=0,01(1+α₁) όπου 1+α₁~1  και 1-α₁~1 έχουμε:  1,8.10^-5 =α₁.0,01 άρα α₁=0,18.10^-2 και η απόδοση της διάστασης της αμμωνίας είναι0,18% Βλέπουμε ότι α₁<α δηλαδή η απόδοση της διάπασης της αμμωνίας έχει μειωθεί λόγω της είδρασης του κοινού ιόντος με την ισχυρή βάση που είναι το ΟΗ^-

4.Παράδειγμα

4. Σε διάλυμα ασθενούς βάσης επιδρά άλας με ίδιο κατιόν με την βάση

Να υπολογιστεί ο βαθμός διάστασης της αμμωνίας σε ένα διάλυμα 0,1Μ σε αμμωνία και 0,018 σε χλωριούχο αμμώνιο. Για την αμμωνία η Κ_β=1,8.10-5.

ΝΗ₃  + Η₂Ο  -->  ΝΗ₄⁺    +    ΟΗ^-

ΝΗ₄Cl-->  NH₄⁺    +   Cl^-  

Από την ΝΗ3 έχουμε 0,1mol/lt αρχικά, από αυτά διασπώνται α.0,1 και παράγονται α.0,1 grion/lt NH4+ και α.0,1grion/lt OH-. Απομένουν (0,1-α.0,1) =0,1(1-α)

Από το 0,018 mol/lt του ΝΗ4Cl διασπάται όλο και παράγωνται 0,018grion/lt NH4+ και 0,018grion/lt Cl-

Τα συνολικά grion/lt του ΝΗ4+ είναι α.0,1 +0,018

Από την διάσταση της αμμωνίας έχω Κβ=[ΝΗ4+] [ΟΗ-]/[ΝΗ3] όπου η συγκέντρωση των Κατιόντων αμμωνίου είναι η συνολική.

Κβ=α.0,1.(α.0,1+0,018)/ 0,1(1-α)=1,8.10-5

Η διάσταση της αμμωνίας έχει περιοριστεί και μπορούμε χωρίς σηματικό λάθος να απλουστεύσουμε΄ως εξής

α.0,1+0,018~0,018  και 1-α~1 έτσι   1,8.10^-5 = α.0,1.0,018/0,1-->α=10^-3  ή η διάσπαση της αμμωνίας είναι 0,1%

5. Παράδειγμα (Κορέση -Ντάση)

5. Επίδραση της πρώτης διάστασης πολυβασικού οξέος στις υπόλοιπες διαστάσεις

Να υπολογιστεί η συγκέντρωση των ιόντων Η₃Ο+ σε ένα διάλυμα Η₂SO₄  0,01M Το θειικό οξύ είναι ισχυρό στην πρώτη διάσταση και στην δεύτερη διάσταση η Κα είναι Κα=1,05.10^-2

Για τις δυο διαστάσεις έχουμε

Η₂SO₄   +  H₂O  -->  HSO₄^-   +  H₃O⁺

HSO₄^-  +  H₂O  -->  H₃O⁺    +   SO₄^-2

Από την πρώτη διάσταση έχουμε 0,01mol/lt H₂SO₄  που διίστανται πλήρως και  παράγονται 0,01grion/lt HSO₄^-.

Κατά την δεύτερη διάσταση από τα αρχικά 0,01grion/lt διίστανται χ και παράγονται χgrion/lt H₃O⁺ και  xgrion/lt SO₄^-2

Tα grion/lt του Η3Ο+ προέρχονται από την πρώτη και την δεύτερη διάσταση [Η₃Ο⁺] =0,01 +χ

Kα= [Η₃Ο⁺] [SO₄^-2]/[HSO₄^-]  --> 1,05.10^-2 =(0,01+χ).χ/0,01-χ

καταλήγουμε σε εξίσωση 2ου βαθμού  

χ²  +  2,05.10-2χ  -1,05.10-4=0  Η θετική ρίζα είναι χ=4,24.10^-3  =[Η3Ο+]

7.Παράδειγμα 

7. Διάλυμα που περιέχει ασθενές οξύ ΗΑ συγκέντρωσης Coξ Μ και την συζυγή βάση αυτού Α-με συγκέντρωση Cβασ Μ

Το ασθενές οξύ ιονίζεται ως εξής  

ΗΑ  + Η2Ο  <--->  Η₃Α+        +   Α-

Με αρχικά mol/lt Coξ Μ  από τα οποία αντιδρούν χ , παράγονται χgrion/lt Η₃Α+ και χgrion/lt Α- και απομένουν coξ -x από το ασθενές οξύ ΗΑ.

Τα τελικά είναι coξ -x  mol/lt  ΗΑ ,  χgrion/lt Η₃Α+ και (cβασ +χ)grion/lt Α- . Αν υποθέσουμε πως coξ -x  ~ =coξ  και  cβασ +χ =cβασ

Από την Κα =[Η₃Α+] [Α-] /[ΗΑ] έχουμε Κα= χ.(cβασ +χ)/cοξ -χ  που γίνεται Κα= χ.cβασ /cοξ   άρα [Η₃Α+]= Κα coξ /cβασ

8.Παράδειγμα 

7. Διάλυμα που περιέχει ασθενή βάση Β συγκέντρωσης Cβασ Μ και το συζυγές οξύ ΒΗ+ αυτού με συγκέντρωση Cβασ Μ

Το ασθενές οξύ ιονίζεται ως εξής  

Β + Η2Ο  <--->  ΟΗ-        +  ΒΗ+

Με αρχικά mol/lt Cβασ Μ  από τα οποία αντιδρούν χ , παράγονται χgrion/lt ΟΗ- και χgrion/lt ΒΗ+ και απομένουν cβασ -x από ττην ασθενή βάση Β

Τα τελικά είναι cβασ -x  mol/lt  Β,  χgrion/lt ΟΗ- και (cοξ +χ)grion/ltΒΗ+ . Αν υποθέσουμε πως cβασ -x  ~ =coξ  και  cβασ +χ =cβασ

Από την Κβ =[ΟΗ-] [ΒΗ+] /[Β] έχουμε Κα= χ.(cοξ +χ)/cβασ -χ  που γίνεται Κβ= χ.cοξ /cβασ   άρα [ΟΗ-]= Κβ coξ /cβασ

Δήμητρα Σπανού