Βαθμός ιοντισμούchemistrytopics.xyz/assets/degree-of-dissociation.pdf ·...

1

Βαθμός ιοντισμού

Σε αραιό υδατικό του ασθενούς οξέος HA οι δύο παρακάτω αμφίδρομες αντιδράσεις καταλήγουν σε ισορροπία.

HA H O2+

m ? $ *

Μονόδρομη αντίδραση

Αμφίδρομη αντίδραση

Χημική ισορροπία

Μονός δεσμός Διπλός δεσμός Τριπλός δεσμός

Συντονισμός

£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10

CH CH2Στυρόλιο :

Γνησίως αύξουσα :

CH CΝCH2και ακρυλονιτρίλιο :

Γνησίως φθίνουσα :

αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O A3 ++ - 1^ h

H O H O2 2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O OH3 ++ - 2^ h

Για την ισορροπία του HA ισχύει:

HA

H O AKa

3 $=

+ -767A@A

3^ h

HAA

H O

Ka

3

=-

+67

7A@ A

HA A

A

H OK

K

a

a

3+=

+-

-

+677 7@AA A 4^ h

Ο πρώτος όρος της 4^ h εκφράζει τον λόγο της ποσότητας του HA που ιοντίστηκε προς την ολική πο-σότητά του δηλαδή τον βαθμό ιοντισμού a .

HA A

Aa=

+ -

-

677@AA 5^ h

Από τις 4^ h και 5^ h προκύπτει διαδοχικά:

H O

aK

K

a

a

3

=+ +7 A 6^ h

H O

a

K1

1

a

3

=

++7 A 7^ h

Η παραπάνω σχέση αποδείχτηκε με εντελώς γενικό τρόπο άρα ισχύει και όταν στο διάλυμα υπάρχουν και άλλες διαλυμένες ουσίες όπως οξέα, βάσεις, άλατα κλπ.

Όπως εύκολα προκύπτει ισχύει: ,a 0 1! ^ h και αν το HA είναι ισχυρό οξύ τότε a 1= .

Αντίστοιχη σχέση με την 7^ h προκύπτει και για διάλυμα ασθενούς μονόξινης βάσης B:

OH

a

K1

1

b

=

+-7 A 8^ h

Κατά την αραίωση η συγκέντρωση των οξωνίων ελαττώνεται επομένως ο βαθμός ιοντισμού αυξάνε-ται. Σε άπειρη αραίωση ,C K25 10w

14c = -] g ο βαθμός ιοντισμού δίνεται από τη σχέση:

a

K1 101

a

7=+

- 9^ h

2

Μερικές ενδεικτικές περιπτώσεις:

3

"

"

"

"

:

:

:

:

:

:

:

:

K

K

K

K

a

a

a

a

K

K

K

K

a

a

a

a

10

5 10

10

10

21

31

1110

111

10

10

0

101100

1011

0

1

a

a

a

a

a

a

a

a

7

8

6

8

5

9$

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

+

=

=

-

-

-

-

-

-

Κατά την αραίωση ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται. Δεν είναι σωστό όμως να επικαλεστούμε τον νόμο αραιώσεως του Ostwald: K a

a c1a

2

= - 10^ h

γιατί και αυτός είναι προϊόν προσέγγισης (όπως δείχνεται: http://chemistrytopics.xyz αρχείο ‘‘Οι προσεγγίσεις στον νόμο αραιώσεως του Ostwald.’’ ) άρα δεν ισχύει σε μεγάλη αραίωση.

Η σχέση 9^ h προκύπτει από τις προτάσεις και τους νόμους που αναφέρονται στο σχολικό βιβλίο και αφορούν στον βαθμό ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος η μιας βάσης σε αραιά υδατικά διαλύματα κατά την άπειρη αραίωσή τους. Παρόλο που η θεωρία αυτή για αραιό διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη, εί-ναι αυτοσυνεπής η σχέση δεν ισχύει πραγματικά γιατί πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι σε μεγάλες αραιώσεις η σταθερά ιοντισμού εξαρτάται από τη συγκέντρωση (αυξάνεται) και σε άπειρη αραίωση ο ιοντισμός καθίσταται μονόδρομη αντίδραση. Επομένως σε άπειρη αραίωση ισχύει a 1= . Προφα-νώς η αιτιολόγηση αυτού του αποτελέσματος μέσω του νόμου αραιώσεως του Ostwald είναι λάθος.Αν θέλουμε να δώσουμε μια χημική εξήγηση μπορούμε να πούμε ότι τα ανιόντα και τα κατιόντα σε άπειρη αραίωση είναι ‘‘πολύ μακριά’’ και έτσι δεν μπορούν να ‘‘συναντηθούν’’.

Ο όρος ‘‘Ιοντισμός’’ στο σχολικό βιβλίο.

Σύμφωνα με το σχολικό βιβλίο: ‘‘Oρισμένες ομοιοπολικές ενώσεις διαλύονται στο νερό και αντι-δρούν μ’ αυτό δημιουργώντας ιόντα. Οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται αντιδράσεις ιοντισμού.’’

Η αντίδραση: F H O2+

-

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

HF OH+- 11^ h

αναφέρεται ως αντίδραση ιοντισμού ενώ δεν είναι συμβατή με τον ορισμό που αναφέρεται στο σχο-λικό βιβλίο δηλαδή χωρίς καμιά αναφορά έχουμε επέκταση του ορισμού. Όσο για την έκφραση ‘‘Ο ιοντισμός του F- σε HF’’ μάλλον είναι ατυχής.

Ο όρος ‘‘Διάσταση’’ στο σχολικό βιβλίο.

Σύμφωνα με το σχολικό βιβλίο ‘‘Διάσταση είναι η απομάκρυνση των ιόντων του κρυσταλλικού πλέγ-ματος.’’

H προσέγγιση αυτή του σχολικού βιβλίου έρχεται σε αντίθεση τόσο με τη διεθνή βιβλιογραφία όσο και με την θέση της IUPAC. Ο όρος διάσταση χρησιμοποιείται πολύ πιο γενικά π.χ. οι αντιδράσεις:

H O H O2 2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O OH3 ++ - 12^ h

3

N O2 4

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

NO2 2 13^ hαναφέρονται ως διαστάσεις. Η IUPAC θεωρεί κάθε διαχωρισμό μιας μοριακής οντότητας (molecular entity) σε δύο ή περισσότερες μοριακές οντότητες, ως διάσταση. Ο όρος ‘‘μοριακή οντότητα’’ συ-μπεριλαμβάνει και τα μόρια και τα ιόντα. Τόσο στη διεθνή βιβλιογραφία όσο και στην IUPAC ανα-φέρεται ότι στον ιοντισμό έχουμε μόνο ετερολυτική διάσπα ση ενώ στην διάσταση έχουμε και ετερο-λυτική και ομολυτική διάσπαση.

Ο όρος ‘‘Βαθμός ιοντισμού’’ στο σχολικό βιβλίο.

Σύμφωνα με το σχολικό ως βαθμός ιοντισμού του ασθενούς οξέος HA ορίζεται το κλάσμα:

a nn

ol

ion= 14^ h

όπου: nion : η ποσότητα ^σε molh του HA που ιοντίστηκε nol : η ολική ποσότητα ^σε molh του HA

Ο παραπάνω ορισμός δεν είναι ολοκληρωμένος, και όπως θα δείξουμε παρακάτω, εκτός από μερικές πολύ απλές περιπτώσεις που εφαρμόζεται χωρίς πρόβλημα, στις πιο σύνθετες πρέπει να οριστούν με σαφήνεια τα μεγέθη nion και nol .

Επειδή δουλεύουμε με συγκεντρώσεις, μπορούμε να διαιρέσουμε αριθμητή και παρονομαστή με τον όγκο του διαλύματος οπότε εξάγεται η ισοδύναμη σχέση:

HAHAa

ol

ion=55?? 15^ h

Ας δούμε και την προσέγγιση της IUPAC στο θέμα μας.

‘‘Βαθμός ιοντισμού είναι ο βαθμός αντίδρασης της αντίδρασης ιοντισμού.’’

Ο βαθμός της αντίδρασης ορίζεται από τη σχέση:

amaxxx

= 16^ h

όπου: x : η έκταση της αντίδρασης (‘‘extent of reaction’’, αποδίδεται και ως πρόοδος της αντί-δρασης)

maxx : η μέγιστη τιμή του x , δηλαδή η τιμή του x όταν ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα έχει εξαντληθεί.

Η έκταση της αντίδρασης ορίζεται από τη σχέση:

n n ,B B 0x n=-

17^ h

όπου: B : ένα εκ των σωμάτων που συμμετέχουν στην αντίδραση (αντιδρόν ή προϊόν) n : ο στοιχειομετρικός συντελεστής του B, θετικός άν το B είναι προϊόν και αρνητικός αν

είναι αντιδρόν.

Επομένως το x είναι εκτατικό μέγεθος, εξαρτάται από το n δηλαδή από το πως θα γράψουμε τη χη-μική εξίσωση της αντίδρασης, αλλά δεν εξαρτάται από το σώμα B που θα επιλέξουμε για να τη με-τρήσουμε. Μονάδα του x στο SI είναι το mol και προφανώς δεν παίρνει αρνητικές τιμές.

4

Αν ως B θεωρήσουμε ένα εκ των αντιδρώντων που θεωρητικώς θα μπορούσε να αντιδράσει πλήρως (limiting reactant, περιοριστικό αντιδρόν ή αντιδρόν σε ανεπάρκεια) τότε:

n ,

maxB 0x n=- 18^ h

επομένως από τις σχέσεις 16^ h, 17^ h και 18^ h και προκύπτει:

a nn n

,

,

B

B B

0

0=

- 19^ h

Από τη σχέση 19^ h προήλθε η σχέση 14^ h του σχολικού βιβλίου ^όπου B το ασθενές οξύ HAh.Όταν λοιπόν εφαρμόζουμε τη σχέση 19^ h για να υπολογίσουμε το βαθμό ιοντισμού του HA το nB εί-ναι η ποσότητα ^σε molh του HA που βρίσκεται στην ισορροπία σε μοριακή μορφή. Τι είναι όμως το n ,B 0 ; Η IUPAC απαντά: ‘‘n ,B 0 denotes the value of nB at ‘‘zero time’’, when mol0x = .’’ Τώρα όμως τίθεται ένα νέο ερώτημα. Τι εννοεί η IUPAC με το ‘‘zero time’’; Εννοεί μια συγκεκριμένη κατάστα-ση του συστήματος ή μια τυχαία κατάσταση κατά την οποία θέτουμε αυθαίρετα t 0= και 0x = ;Ας εξετάσουμε λοιπόν τις δύο παραπάνω εκδοχές.

Εκδοχή 1η

Με τον όρο ‘‘zero time’’ η IUPAC εννοεί ότι ισχύει 0x = στην κατάσταση του συστήματος κατά την οποία ένα τουλάχιστον από τα προϊόντα δεν υπάρχει στο σύστημα.

Τότε όπως προκύπτει από την 17^ h ισχύει n n,B B0= δηλαδή η ποσότητα του B, η nB , που υπάρχει σ’ αυτή τη κατάσταση στο σύστημα θεωρείται ως αρχική ποσότητα του B n ,B 0^ h.Αν λοιπόν αρχικά στο σύστημα δεν εισαχθεί ένα από τα προϊόντα οι ποσότητες των υπολοίπων σω-μάτων θεωρούνται ως αρχικές. Τι γίνεται όμως αν αρχικά στο σύστημα εισαχθούν ποσότητες όλων των σωμάτων που συμμετέχουν στην αντίδραση; Τότε όπως για τον υπολογισμό του maxx θεωρήσαμε ότι το σύστημα μετατοπίζεται δεξιά έως ότου εξαντληθεί ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα σώμα-τα, δηλαδή ενας καθαρά θεωρητικά υπολογισμός, έτσι και στην περίπτωση αυτή θεωρούμε, με την ίδια λογική, ότι το σύστημα μετατοπίζεται αριστερά ώστε ένα τουλάχιστον από τα προϊόντα να εξα-ντληθεί. Οι ποσότητες των σωμάτων τότε θεωρούνται αρχικές και προφανώς 0x = .Σύμφωνα μ’ αυτή την εκδοχή ο βαθμός ιοντισμού δίνεται πάντα από τη σχέση 5^ h όπου οι συγκε-ντρώσεις των σωμάτων είναι οι συγκεντρώσεις ισορροπίας. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι η σχέση 5^ h μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως ορισμός του βαθμού ιοντισμού (‘‘Acid-base Equilibria and Cal cu-lations’’ Stephen K. Lower). Είναι ο μόνος τρόπος υπολογισμού του βαθμού ιοντισμού που δεν απαι-τεί γνώση της κατάστασης του συστήματος πριν την ισορροπία!!! Δηλαδή δεν ενδιαφέρει ποιες ουσί-ες και με ποια σειρά προστέθηκαν στο σύστημα αλλά η τελική κατάσταση του συστήματος.Επειδή όμως η εκδοχή δεν αφορά μόνο στον προσδιορισμό του βαθμού ιοντισμού αλλά γενικά στον βαθμό αντίδρασης και κυρίως στον υπολογισμό του x πως θα γίνει η συσχέτιση του x με τον χρόνο για την αρχική χρονική στιγμή που επιλέγουμε ως t 0= ; Πολύ απλά θα θεωρήσουμε ως αρχική τιμή του x την τιμή 0x που θα υπολογίσουμε σύμφωνα με την αρχική μας εκδοχή. Ενδεικτικά αναφέρου-με ένα παράδειγμα υπολογισμού του 0x που δίνεται στη σελίδα 11 του βιβλίου ‘‘An introduction to chemical kinetics’’ του Michel Soustelle εκδόσεις Wiley 2011.

Εκδοχή 2η

Με τον όρο ‘‘zero time’’ η IUPAC εννοεί ότι ισχύει 0x = στην κατάσταση που βρίσκεται το σύστημα κατά τη χρονική στιγμή που θεωρούμε ως t 0= .

5

Αυτή η εκδοχή δεν δημιουργεί πρόβλημα αν τη χρονική στιγμή t 0= ένα τουλάχιστον από τα προϊ-όντα δεν υπάρχει (εκδοχή 1) αλλά ακόμη και αν έχουμε όλα τα σώματα που μετέχουν στην αντίδρα-ση μπορούμε να μελετήσουμε κινητικά και θερμοδυναμικά το σύστημα χωρίς πρόβλημα αφού αυτό που μας ενδια φέρει είναι η μεταβολή του x και όχι το ίδιο το x (η μεταβολή του x είναι η ίδια και στις δύο εκδοχές).Το πρόβλημα δημιουργείται μόνο στον βαθμό ιοντισμού που εξαρτάται απευθείας από το x και όχι από τη μεταβολή του x ^σχέση 16^ hh.

Στο σχολικό βιβλίο υπάρχουν παραδείγματα υπολογισμού του a αλλά όχι αναφορά για τη χρονική στιγμή t 0= . Επομένως θα πρέπει να συμπεράνουμε ποια είναι η t 0= σύμφωνα με την αντιμετώ-πιση του θέματος από το σχολικό βιβλίο.

‘‘Ως χρονική στιγμή t 0= , άρα 0x = και ολική συγκέντρωση για το ασθενές οξύ ή βάση, θεωρούμε τη χρονική στιγμή κατά την οποία οι συγκεντρώσεις των ουσιών είναι αυτές που προκύπτουν από τις ποσότητες των ουσιών που προσθέσαμε στο διάλυμα, μετά από τις μονόδρομες αντιδράσεις που λαμβά-νουν χώρα (σύμφωνα με τη μεθοδολογία που αναφέρεται στο μπλε πλαίσιο στο τέλος της παραγράφου 5.4 ‘‘Επίδραση κοινού ιόντος’’), χωρίς διαστάσεις και ιοντισμούς.’’

Η παραπάνω πρόταση αντιμετωπίζει μεν όλα τα θέματα που αναφέρονται στο σχολικό βιβλίο αλλά στερείται επιστημονικής συνέπειας και αδυνατεί να αντιμετωπίσει άλλα ανάλογα θέματα που δεν υπάρχουν στο σχολικό βιβλίο, όπως θα δειχτεί με τα παρακάτω παραδείγματα.

Παράδειγμα 1Δίνεται διάλυμα 1D του ασθενούς οξέος HF συγκέντρωσης , M0 2 και όγκου L1 .i. Με προσθήκη μικρής ποσότητας στερεού NaOH στο διάλυμα 1D , ο βαθμός ιοντισμού του HF

παραμένει σταθερός, αυξάνεται ή ελαττώνεται;ii. Στο διάλυμα 1D προστίθενται , mol0 1 στερεού NaOH. Να βρεθεί ο βαθμός ιοντισμού του HF

στο διάλυμα που προκύπτει.iii. Στο διάλυμα 1D προστίθενται , mol0 2 στερεού NaOH. Να βρεθεί ο βαθμός ιοντισμού του HF

στο διάλυμα που προκύπτει.Δίνεται: C25 cq = , HFK 10a

4= -^ h και κατά την προσθήκη του στερεού στο διάλυμα δεν έχουμε μεταβολή όγκου.

Λύση α΄

i. Στο διάλυμα 1D το HF ιοντίζεται σύμφωνα με την αντίδραση:

HF H O2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O F3 ++ - 20^ h

Κατά την προσθήκη της ποσότητας στερεού NaOH συμβαίνει η διάσταση:

NaOH

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

Na OH++ - 21^ h

και λόγω της δέσμευσης των ιόντων H O3+ από τα ιόντα OH- η ισορροπία 20^ h μετατοπίζεται δεξιά

(Αρχή Le Chatelier) άρα ο βαθμός ιοντισμού του HF αυξάνεται.

ii. Μετά την προσθήκη του στερεού NaOH στο διάλυμα 1D για το διάλυμα που προκύπτει έχουμε:

NaOH

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

Na OH++ - 21^ h

,0 1 ,0 1

HF H O2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O F3 ++ - 20^ h

,0 2 - - x- x x

6

H O OH3 ++ -

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

2 H O2 22^ h y- y-

HFHF

H O FKa

3 $=

+ -

^ h 666@@@

, xx y x0 2 10 4

$

-

-= -

` j 23^ h

H O OHKw 3 $= + -6 6@ @

,x y y0 1 10 14$- - = -` _j i 24^ h

Από τις 23^ h και 24^ h υπολογίζονται τα x και y αλλά επειδή η ακριβής επίλυση είναι περίπλοκη μπο-ρούμε να κάνουμε μια προσέγγιση. Θεωρούμε ότι οι ποσότητες των οξωνίων και υδροξειδίων που δεν αντιδρούν σύμφωνα με την 22^ h είναι αμελητέες σε σχέση με αυτές που αντιδρούν άρα από την 24^ h προκύπτει:

x y. και ,y 0 1. άρα ,x y 0 1. .

Επομένως για τον βαθμό ιοντισμού έχουμε:

, ,,

HFHFa n

n x0 2 0 2

0 121

ol

ion

ol

ion.= = = =

55??

Η ακριβής επίλυση του συστήματος θα έδινε , ,a 0 500499 0 5005.=

iii. Μετά την προσθήκη του στερεού NaOH στο διάλυμα 1D για το διάλυμα που προκύπτει έχουμε:

NaOH

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

Na OH++ - 21^ h

,0 2 ,0 2

HF H O2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O F3 ++ - 20^ h

,0 2 - - x- x x

H O OH3 ++ -

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

2 H O2 22^ h y- y-

HFHF

H O FKa

3 $=

+ -

^ h 666@@@

, xx y x0 2 10 4

$

-

-= -

` j 25^ h

H O OHKw 3 $= + -6 6@ @

,x y y0 2 10 14$- - = -` _j i 26^ h

Από τις 25^ h και 26^ h υπολογίζονται τα x και y αλλά επειδή η ακριβής επίλυση είναι περίπλοκη μπο-ρούμε να κάνουμε μια προσέγγιση. Θεωρούμε ότι οι ποσότητες των οξωνίων και υδροξειδίων που δεν αντιδρούν σύμφωνα με την 24^ h είναι αμελητέες σε σχέση με αυτές που αντιδρούν άρα από την 26^ h προκύπτει:

x y. και ,y 0 2. άρα ,x y 0 2. .

7

Επομένως για τον βαθμό ιοντισμού έχουμε:

, ,,

HFHFa n

n x0 2 0 2

0 21

ol

ion

ol

ion.= = = =

55??

Η ακριβής επίλυση του συστήματος θα έδινε ,a 0 999978=

Λύση β΄

i. Με την προσθήκη στερεού NaOH στο διάλυμα 1D λαμβάνει χώρα η αντίδραση: HF NaOH+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

NaF H O2+ 27^ hκαι μετά λόγω της διάστασης:

NaF

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

Na F++ - 28^ hη ισορροπία: HF H O2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O F3 ++ - 20^ h

μετατοπίζεται αριστερά λόγω επίδρασης κοινού ιόντος F-^ h άρα ο βαθμός ιοντισμού ελαττώνεται.* Αν και το τελικό συμπέρασμα είναι ‘‘σωστό’’ (μέσα στο πλαίσιο που εξετάζεται) μια ολοκληρωμένη απάντηση θα έπρεπε να συμπεριλά-βει και την ελάττωση της συγκέντρωσης του HF με ποσοτική πλέον αντιμετώπιση ανάλογη της λύσης του ερωτήματος ii.

ii. Μετά την προσθήκη του στερεού NaOH στο διάλυμα 1D για το διάλυμα που προκύπτει έχουμε:

HF NaOH+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

NaF H O2+ 27^ h ,0 1 ,0 1 ,0 1

NaF

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

Na F++ - 28^ h ,0 1 ,0 1

HF H O2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O F3 ++ - 20^ h

,0 1 - - x- x x , x0 1- x , x0 1+

HFHF

H O FKa

3 $=

+ -

^ h 666@@@

,,

xx x0 10 1

10 4$-+

= -_ i

x 10 4= -

, ,a x0 1 0 1

10 104

3= = =-

-

iii. Μετά την προσθήκη του στερεού NaOH στο διάλυμα 1D για το διάλυμα που προκύπτει έχουμε:

HF NaOH+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

NaF H O2+ 27^ h ,0 2 ,0 2 ,0 2

δηλαδή δεν έχει απομείνει HF ώστε να έχει νόημα ο βαθμός ιοντισμού του.

Ας εξετάσουμε τώρα τις δύο παραπάνω λύσεις.

8

Λύση α΄Οι απαντήσεις και των τριών ερωτημάτων σωστές επιστημονικά, απολύτως συμβατές με την IUPAC, και εντός της εξεταστέας ύλης του σχολικού βιβλίου. Απορρέουν από την εκδοχή 1 και ο βαθμός ιοντισμού που υπολογίσαμε είναι αυτός που προκύπτει από τη σχέση 5^ h ή από την ισοδύναμή της σχέση 7^ h. Είναι προφανές ότι για τον υπολογισμό του a απαιτείται μόνο η γνώση της ισορροπίας του διαλύματος.

Λύση β΄Η λύση του υποερωτήματος ii. είναι αυτή που προτείνει το σχολικό βιβλίο στο παράδειγμα 5.11 της παραγράφου 5.4 ‘‘Επίδραση κοινού ιόντος’’. Οι απαντήσεις των υποερωτημάτων i. και iii. είναι οι μόνες συμβατές την απάντηση του υποερωτήματος ii. Στο υποερώτημα λοιπόν i., για να είμαστε συμ-βατοί με το παράδειγμα 5.11 του σχολικού βιβλίου, πρέπει να απαντήσουμε ότι ελαττώνεται ο a αν και είναι προφανές ότι η προσθήκη της βάσης ελαττώνει τη συγκέντρωση των οξωνίων, η ισορροπία μετατοπίζεται δεξιά άρα αυξάνεται ο a . Τα αδιέξοδα είναι αλλεπάλληλα. Στο ερώτημα ‘‘Πώς θα με-ταβληθεί ο a αν προσθέσουμε και μικρή ποσότητα αέριου HCl;’’ θα πρέπει να απαντήσουμε ότι θα αντιδράσει με το NaA και θα ελαττωθεί η επίδραση κοινού ιόντος άρα θα αυξηθεί a . Δηλαδή τελικά σε διάλυμα HA αν προστεθεί NaOH ο a ελαττώνεται ενώ αν προστεθεί και HCl ο a αυξάνεται!!!Στο υποερώτημα iii. με τη συνεχή προσθήκη NaOH ο a ελαττώνεται και ξαφνικά όταν οι ποσότη-τες του HA και του NaOH γίνουν στοιχειομετρικά ίσες εξαφανίζεται σαν να έπαψε να υπάρχει HA στο διάλυμα!!! Φυσικά όλα αυτά στερούνται επιστημονικής βάσης και οφείλονται στο γεγονός ότι το σχολικό βιβλίο έχει παγιδευτεί σε μια μεθοδολογία μοριακών αντιδράσεων ενώ πλέον το επίπεδο της ύλης έχει ανεβεί στις ιοντικές. Η δε εξουδετέρωση πρέπει να γίνει σε μοριακή μορφή όταν ήδη από την Α΄ Λυκείου γνωρίζουν τα παιδιά την εξουδετέρωση κατά Arrhenius σε ιοντική μορφή: H OH+

+ -

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O2 29^ h

Παράδειγμα 2i. Σε L H O1 2 διαλύεται , mol0 1 αέριου HA (ασθενές οξύ) και , mol0 1 στερεού NaA. Να βρεθεί ο

βαθμός ιοντισμού του HA στο διάλυμα που προκύπτει.ii. Σε L H O1 2 διαλύεται , mol0 1 αέριου HA (ασθενές οξύ) και , mol0 2 στερεού NaA. Να βρεθεί ο

βαθμός ιοντισμού του HA στο διάλυμα που προκύπτει.Δίνεται: C25 cq = , HAK 10a

7= -^ h και κατά την προσθήκη του αέριου και του στερεού στο διά-λυμα δεν έχουμε μεταβολή όγκου.

Λύση α΄

Για τον υπολογισμό του βαθμού ιοντισμού θα εφαρμόσουμε στο κάθε ερώτημα τη σχέση 7^ h (αφού πρώτα την αποδείξουμε). Επομένως αρκεί να υπολογίσουμε την συγκέντρωση των οξωνίων στην κάθε περίπτωση.

i. Μετά την προσθήκη των , mol0 1 HA και , mol0 1 NaA δημιουργείται ρυθμιστικό διάλυμα και το pH υπολογίζεται με εφαρμογή της εξίσωσης Henderson-Hasselbach:

,,

logpH pK 0 10 1

7a= + =

H O M1037=+ -6 @

H O

a

K1

1

110101

21

a

37

7=

+

=+

=+

-

-6 @

Για να γίνει κατανοητός ο πολύ μεγάλος βαθμός ιοντισμού αρκεί να σκεφτούμε ότι το διάλυμα αυτό είναι ακριβώς όμοιο με το διάλυμα που προκύπτει με προσθήκη , mol0 1 στερεού NaOH σε L1 δια-λύματος ,HA M0 2 (παράδειγμα 1, υποερώτημα i., λύση α΄).

9

ii. Μετά την προσθήκη των , mol0 1 HA και , mol0 2 NaA δημιουργείται ρυθμιστικό διάλυμα και το pH υπολογίζεται με εφαρμογή της εξίσωσης Henderson-Hasselbach:

,,

log logpH pK 0 10 2

7 2a= + = +

H O M M10 5 10log3

7 2 8$= =+ - - -6 @

H O

a

K1

1

1105 101

32

a

37

8$=

+

=+

=+

-

-6 @

Δηλαδή ο βαθμός ιοντισμού αυξάνεται!!! Για να γίνει κατανοητή η αύξηση του βαθμού ιοντισμού αρκεί να σκεφτούμε ότι το διάλυμα αυτό είναι ακριβώς όμοιο με το διάλυμα που προκύπτει με προ-σθήκη , mol0 2 στερεού NaOH σε L1 διαλύματος ,HA M0 3 άρα η αύξηση του βαθμού ιοντισμού (σε σχέση με το υποερώτημα i) οφείλεται στη μεγαλύτερη ποσότητα NaOH.

Λύση β΄

i. Μετά την προσθήκη των , mol0 1 HA και , mol0 1 NaA έχουμε:

NaA

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

Na A++ - 30^ h ,0 1 ,0 1

HA H O2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O A3 ++ - 1^ h

,0 1 - - x- x x , x0 1- x , x0 1+

HAHA

H O AKa

3 $=

+ -

^ h 666@@@

,,

xx x0 10 1

10 7$-+

= -_ i

x 10 7= -

, ,a x0 1 0 1

10 107

6= = =-

-

Όπως όμως εύκολα μπορούμε να διαπιστώσουμε οι αρχικές συγκεντρώσεις H O M1037=+ -_6 @ ,

,HA M0 1=6 @ και ,A M0 1=- h6 @ ικανοποιούν την συνθήκη ισορροπίας:

,,

HAH O A

HAK0 110 0 1

10 a3

77$ $

= = =+ - -

- ^ h666@@@

επομένως το ασθενές οξύ HA παραμένει αμετάβλητο άρα a 0= ;;;

ii. Μετά την προσθήκη των , mol0 1 HA και , mol0 2 NaA έχουμε:

NaA

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

C CC O OO N NN

Na A++ - 30^ h ,0 1 ,0 2

10

HA H O2+

m ? $ *






£ ¤ ¥ 11£ ¤ ¥ 12

£ ¤ ¥ 10





αέριο : CO2

αέριο : CO2

H O A3 ++ - 1^ h

,0 1 - - x- x x , x0 1- x , x0 2+

HAHA

H O AKa

3 $=

+ -

^ h 666@@@

,,

xx x0 10 2

10 7$-+

= -_ i

x 5 10 8$= -

, ,a x0 1 0 1

5 10 5 108

7$$= = =

--

Όπως όμως εύκολα μπορούμε να διαπιστώσουμε οι αρχικές συγκεντρώσεις H O M1037=+ -_6 @ ,

,HA M0 1=6 @ και ,A M0 2=- h6 @ είναι οι συγκεντρώσεις της προηγούμενης ισορροπίας αν προ-σθέσουμε και ,A M0 1=-6 @ οπότε η προηγούμενη ισορροπία μετατοπίζεται αριστερά άρα a 0< ;;;

Δυστυχώς η προσέγγιση του σχολικού βιβλίου (2η εκδοχή) δεν μπορεί να εφαρμοστεί με συνέπεια και γι’ αυτό οδηγούμαστε σε αλλεπάλληλα αδιέξοδα.

Πρόταση προς τους θεματοδότες.

Ο βαθμός ιοντισμού να ζητείται μόνο για αραιό διάλυμα ασθενούς οξέος HA στο οποίο οι μόνες επιτρεπτές μεταβολές είναι η αραίωση (όχι άπειρη) ή (και) η προσθήκη οξέος. Ανάλογα για ασθενή βάση B.

Πρόταση προς τους συγγραφείς του επόμενου σχολικού βιβλίου.

Οι όροι ‘‘ιοντισμός’’ και ‘‘διάσταση’’ να μπουν κάτω από τον ίδιο όρο ‘‘διάσταση’’ και απλώς να γίνει κάποια ειδική αναφορά για τον ιοντισμό.

Ο βαθμός διάστασης (ή κατά περίπτωση ιοντισμού) να ορίζεται μέσω της σχέσης 5^ h (οι συγκεντρώ-σεις αναφέρονται στην ισορροπία) για να μη δημιουργείται ποτέ πρόβλημα.

Πρόταση προς τους καθηγητές που διδάσκουν το σχολικό βιβλίο.

Ο βαθμός ιοντισμού ενός ασθενούς οξέος HA υπολογίζεται από τη σχέση:

HAHAa

ol

ion=55?? 15^ h

Η ολική συγκέντρωση, HA ol5 ? , για το ασθενές οξύ HA, είναι η συγκέντρωση που προκύπτει στο τε-

11

λικό διάλυμα, μετά από τις μονόδρομες αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα (σύμφωνα με τη μεθοδο-λογία που αναφέρεται στο μπλε πλαίσιο στο τέλος της παραγράφου 5.4 ‘‘Επίδραση κοινού ιόντος’’), χωρίς διαστάσεις και ιοντισμούς.Η HA ion5 ? είναι η μεταβολή (ελάττωση) της HA ol5 ? μέχρι την ισορροπία (ολική συγκέντρωση μείον συγκέντρωση ισορροπίας).Στην περίπτωση ερώτησης όπως η i. του παραδείγματος 1 δίνουμε την αντίστοιχη απάντηση της α΄ λύσης ενώ αν υπάρχει ταυτόχρονα και το ερώτημα ii. τότε δίνουμε τις αντίστοιχες απαντήσεις της β΄ λύσης. Ανάλογα αντιμετωπίζουμε και την περίπτωση ασθενούς βάσης B.

ΚονδύληςΠαναγιώτης ΛατζώνηςΠολυνίκης Χημικός Χημικός [email protected] [email protected]

http://chemistrytopics.xyz

Βαθμός ιοντισμούchemistrytopics.xyz/assets/degree-of-dissociation.pdf ·...

Documents

Transcript of Βαθμός ιοντισμούchemistrytopics.xyz/assets/degree-of-dissociation.pdf ·...