Download pdf - KEMIJSKA RAVNOTEŽA IIzoak.fkit.hr/nastava/pred_oiak/Seminar 09. Kemijske...Izračunajte pH otopine koja je pripremljena otapanjem 17,28 g čvrstog kalijeva hidroksida u 3 litre otopine

Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologijeSveučilišta u Zagrebu

Seminar 09

KEMIJSKA RAVNOTEŽA IIRavnoteže u otopinama elektrolita 2

dr. sc. Biserka Tkalčecdr. sc. Lidija Furač

KEMIJSKA RAVNOTEŽA II

KONJUGIRANE KISELINE I BAZE U VODENOJ OTOPINI

2.1. B + H2O BH+ + OH-

baza kiselina kiselina baza

BH+ = konjugirana kiselina baze BNH4

+ = konjugirana kiselina baze NH3

2.2. BH+ + H2O H3O+ + B

kis. baza kiselina baza

B = konjugirana baza kiseline BH+

NH3 = konjugirana baza kiseline NH4+

NH3 + H2O NH4+ + OH-

baza kiselina kiselina baza primjer

NH4+ + H2O H3O+ + NH3

kis. baza kiselina baza

općenito

općenito

primjer

KEMIJSKA RAVNOTEŽA II

[ ][ ][ ]

[ ][ ][ ]+

+−+

==HB

BHB

OHBH W

BKK

a) konstanta ravnoteže 2.1. = konstanta ionizacije konjugirane baze B

b) konstanta ravnoteže 2.2 = konstanta ionizacije konjugirane kiseline BH+

[ ][ ][ ]+

−+

=BH

BHKK

Konstanta konjugirane baze

K

wB K

KK =B

wK K

KK =

Konstanta konjugirane kiseline

KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – hidroliza soli

(2) A- + H2O HA + OH- ......................HIDROLIZAbaza kiselina kiselina baza

1. Vodene otopine soli, dobivene neutralizacijom jakih baza i slabihkiselina

(1) MeA → Me+(aq) + A- (aq) …...........potpuna disocijacija, jer je sol (ionski spoj)

- A- = konjugirana baza slabe kiseline i jača baza od vode

voda se ponaša kao kiselina, tj. protondonor

Iz (1)........c (A- ) = c ( MeA)

Iz (2)........ [OH-] = [HA]......jer je omjer stehiometrijskih koeficijenata = 1 : 1

- konstanta hidrolize, Kh (ravnoteža (2)) :


[ ][ ][ ]

[ ][ ]−−

−

−

−

−====

OH)(AOH

AOHHA 2

HA

wBh cK

KKK

1.) bez aproksimacije: [ ] [ ] 0 )(AOHOH -hh

2 =⋅−⋅+ −− cKK

[ ])A (

OH-

2

h cK

−

=

[OH-] pOH pH

2.) aproksimativno:

[OH-] = [HA] << [A-]

[A-] ≈c (A-) = c (MeA)

Kriterij procjene:

1. stupanj hidrolize, α h > 3 % račun bez aproksimacije

2. stupanj hidrolize, α h ≤ 3 % aproksimativni račun

[ ] (MeA)OH h cK ⋅=− pOH

pH

pH

- stupanj hidrolize, α:


[ ](MeA)OH

)(A)(A anohidrolizir

h ccc −

−

−

==α

-napomena: Pri računu obratiti pažnju na dvovalentne soli, MeA2, ukojima je c (A-) = 2 c (MeA2), npr. Ca(CH3COO)2 !!


(2) B++ H2O B + H3O+ ......................HIDROLIZAkiselina baza baza kiselina

(1) BA → B+(aq) + A- (aq) …...........potpuna disocijacija, jer je sol (ionski spoj)

B+ = konjugirana kiselina slabe baze i jača kiselina od vode

voda se ponaša kao baza, tj. protonakceptor

Iz (1)........c (B+ ) = c ( BA)

Iz (2)........ [H3O+] = [H+] = [B]...jer je omjer stehiometrijskih koeficijenata = 1 : 1

2. Vodene otopine soli, dobivene neutralizacijom jakih kiselina i slabihbaza

- konstanta hidrolize, Kh (ravnoteža (2)) :


[ ][ ][ ]

[ ][ ]++

+

+

+

−====

H)(BH

BHB 2

B

wKh cK

KKK

1.) bez aproksimacije: [ ] [ ] 0 )(BHH hh2 =⋅−⋅+ +++ cKK

[ ])B (

H 2

h +

+

=c

K

[H+] pH

2.) aproksimativno:

[H+] = [B] << [B+]

[B+] ≈c (B+) = c (BA)

Kriterij procjene:

1. stupanj hidrolize, α h > 3 % račun bez aproksimacije

2. stupanj hidrolize, α h ≤ 3 % aproksimativni račun

[ ] (BA)H h cK ⋅=+ pH

pH

- stupanj hidrolize, α:


[ ](BA)H

)(B)(B anohidrolizir

h ccc +

+

+

==α

-napomena: Pri računu obratiti pažnju na dvovalentne soli, B2A, ukojima je c (B+) = 2 c (B2A), npr. (NH4)2SO4 !!

KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – otopine puferaOTOPINE PUFERA:

1.) Smjesa slabe kiseline i njezine soli s jakom bazom, npr. smjesa HAc i NaAc

2.) Smjesa slabe baze i njezine soli s jakom kiselinom, npr. smjesa NH3 i NH4Cl

PRIPREMA:

a) izravno miješanje komponenata smjese

b) djelomična neutralizacija:

- slabe kiseline jakom bazom jaka baza je mjerodavni reaktant

ili

- slabe baze jakom kiselinom jaka kiselina je mjerodavni reaktant

c) izravno miješanje dviju soli poliprotonske kiseline (npr. NaH2PO4 i Na2HPO4) i različite druge kombinacije nije sadržaj kolegija

TEMELJNO SVOJSTVO: Dodatkom jake kiseline ili baze (najveća moguća količinaovisi o kapacitetu pufera) u otopinu pufera, pH otopine se značajno ne mijenja.

KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – otopine pufera

1) HAc H+ + Ac- ..... djelomična ionizacija slabe kiseline RAVNOTEŽNALe Chatélier REAKCIJA

2) NaAc Na+ + Ac- ..... sol, ionski spoj potpuna disocijacija

c (Ac-)2) = c (NaAc)

1.) primjer: smjesa HAc i NaAc

reakcije u otopini:

[ ][ ][ ]HAc

AcHK

−+

=K

- [Ac-] = [Ac-]1) + c (Ac-)2)

[Ac-]1) « c (Ac-)2) [Ac-] ≈ c (Ac-)2) = c (NaAc)

- [HAc] = c ( HAc) - [H+] ≈ c (HAc)

Za razliku od otopine čiste kiseline, [H+] ≠ [Ac-]


[ ][ ][ ]

[ ] ( )( )

[ ] ( )( )

[ ] ( )( )HAc

NaAcHHAc

NaAcHHAc

AcHHAc

AcHK n

nc

cc

cK++−+−+

==≈=

[ ] ( )( )

( )( )

( )( )NaAc

HAcNaAcHAc

AcHAcH K n

ncc

ccK =≈⋅= −

+

- povećanje koncentracije soli u kiseloj puferskoj otopini:

Omjer koncentracija slabe kiseline i njezine soli određuje pH puferske otopine.

c (Ac-) [H+] pH kiselost otopine se proporcionalno smanji)(Ac

(HAc)−c

c

- povećanje koncentracije slabe kiseline u kiseloj puferskoj otopini:

c (HAc) [H+] pH kiselost otopine se proporcionalno poveća )(Ac

(HAc)−c

c

KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – otopine puferaa) Dodatak jake baze u kiselu pufersku otopinu:

jaku bazu neutralizira slaba kiselina u puferskoj otopini:

CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2Okiselina baza sol

c (CH3COOH) ; c (CH3COO-) [H+] pH kiselost otopinese malo smanji

b) Dodatak jake kiseline u kiselu pufersku otopinu:

jaku kiselinu neutralizira konjugirana baza slabe kiseline (anion slabe kiseline) uotopini, prisutna u značajnoj količini zbog potpuno disocirane soli (jedn.2)):

CH3COO- + HCl CH3COOH + Cl-

baza kiselina kiselina baza

c (CH3COO-) ; c (CH3COOH) [H+] pH kiselost otopinese malo poveća

CH3COONa + HCl CH3COOH + NaClili u molekulskom obliku

( )( )−AcHAc

cc

( )( )−AcHAc

cc


1) NH3 + H2O NH4+ + OH- ... djelomična ionizacija slabe RAVNOTEŽNA

Le Chatélier baze REAKCIJA

2) NH4Cl NH4+ + Cl- ..... sol, ionski spoj potpuna disocijacija

c (NH4+)2) = c (NH4Cl)

2.) primjer: smjesa NH3 i NH4Cl

reakcije u otopini:

[ ][ ][ ]3

4B NH

ClNH −+

=K

- [NH4+] = [NH4

+]1) + c (NH4+)2)

[NH4+]1) « c (NH4

+)2) [NH4+] ≈ c (NH4

+)2) = c (NH4Cl)

- [NH3] = c ( NH3) - [OH-] ≈ c (NH3)

Za razliku od otopine čiste baze, [OH-] ≠ [NH4+]


[ ][ ][ ]

( )[ ]( )

[ ] ( )( )

[ ] ( )( )3

4

3

4

3

4

3

4B NH

NHOHNH

NHOHNH

OHNHNH

OHNHn

nc

cc

cK+−+−−+−+

==≈=

[ ] ( )( )

( )( )

( )( )ClNH

NHClNH

NHNHNHOH

4

3

4

3

4

3B n

nc

cccK =≈⋅= +

−

- povećanje koncentracije soli u lužnatoj puferskoj otopini:

Omjer koncentracija slabe baze i njezine soli određuje pH puferske otopine.

c (NH4+) [OH-] [H+] pH kiselost otopine se

proporcionalno poveća)(NH)(NH

4

3+c

c

- povećanje koncentracije slabe baze u lužnatoj puferskoj otopini:

c (NH3) [OH-] [H+] pH kiselost otopine se proporcionalno smanji )(NH

)(NH

4

3+c

c

KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – otopine puferaa) Dodatak jake kiseline u lužnatu pufersku otopinu:

jaku kiselinu neutralizira slaba baza u puferskoj otopini:

NH3 + HCl NH4Cl baza kiselina sol

c (NH3) ; c (NH4+) [OH-] [H+] pH kiselost otopine

se malo poveća

b) Dodatak jake baze u lužnatu pufersku otopinu:

jaku bazu neutralizira konjugirana kiselina slabe baze (kation slabe baze) uotopini, prisutna u značajnoj količini zbog potpuno disocirane soli (jedn.2)):

NH4+ + OH- NH3 + H2O

kiselina baza

c (NH4+ ) ; c (NH3) [OH-] [H+] pH kiselost otopine

se malo smanji

NH4Cl + NaOH NH4Cl + NH3 + H2O

ili u molekulskom obliku

( )( )+4

3

NHNH

cc

( )( )+4

3

NHNH

cc

Domaća zadaća1 . M. Sikirica, Stehiometrija:

zadatci: 10.22.; 10.22.; 10.35.; 10.36.; 10.41.; 10.43.; 10.44.; 10.45.

Napomena za 10.35. i 10.36.: Kiseline (baze) su monoprotonske (jednovalentne), a u točki ekvivalencijaje kiselina (baza) potpuno neutralizirana.

2. I. Filipović, Opća i anorganska kemija I:

zadatci: 9.3.17.; 9.3.19.; 9.3.20.

3. Izračunajte pH otopine natrijeva hipoklorita (NaClO), ako je maseni udio NaClO uotopini, w = 10 %, a gustoća otopine je 1,2 kg/L. Konstanta hipokloritne kiseline je, K (HClO) = 3,2 ∙ 10-8 M. R: pH = 10,85.

4. Izračunajte masu amonijevog perklorata u 250 mL otopine, ako je pH te otopine,pH = 5,11. Konstanta ionizacije amonijaka je, K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M; R: m = 3 g.

5. U otopini kalijevog cijanida koncentracije c = 0,2 M izmjeren je pH = 11,2. Izračunajte konstantu ionizacije slabe cijanovodične kiseline HCN.R: K (HCN) = 7.96 ∙ 10-10 M.

6. Izračunajte: a) volumen sumporne kiseline, c (H2SO4) = 0,25 M, potreban zapotpunu neutralizaciju 1,0 L otopine amonijaka, c (NH3) = 1 M i b) pH otopinenakon neutralizacije. K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M.R: a) V (H2SO4) = 2,0 L; b) pH = 4,85.

Domaća zadaća - nastavak

7. Izračunajte pH otopine koja se dobije miješanjem 400 cm3 octene kiseline,c (CH3COOH) = 0,5 M i 200 cm3 otopine natrijeva acetata, c (CH3COONa) = 1 M.K (CH3COOH) = 1,75 ∙ 10-5 M. R: pH = 4,76.

8. Izračunajte masu amonijeva klorida koju treba dodati u 250 cm3 otopine amonijaka, w (NH3) = 5 %, ρ (NH3)otopina = 0,98 g cm-3, da bi se dobilapuferska otopina čiji pH = 9,8. K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M. R: m (NH4Cl) = 10,36 g.

9. Izračunajte pH otopine koja je pripremljena otapanjem 17,28 g čvrstog kalijeva hidroksida u 3 litre otopine octene kiseline, c (CH3COOH) = 0,25 M. K (CH3COOH) = 1,75 ∙ 10-5 M. R: pH = 4,6.

10. Izračunajte za koliko će se promijeniti pH otopine koja sadrži amonijak, c (NH3) = 0,1 M i amonijev sulfat c ((NH4)2SO4) = 0,05 M, ako se u 100 cm3 te otopine doda a) 10 cm3 otopine NaOH, c (NaOH) = 0,2 M, b) 10 cm3 otopine H2SO4, c (H2SO4) = 0,1 M. K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M. R: a) ΔpH = 0,18; b) ΔpH = 0,18.

11. Izračunajte volumen otopine klorovodične kiseline, c (HCl) = 0,5 M, koji trebadodati u 200 mL otopine koja sadrži octenu kiselinu i natrijev acetat jednakihkoncentracija, c (CH3COOH) = c (CH3COONa) = 1M, da bi se pH otopinepromijenio za 0,02 pH jedinice. K (CH3COOH) = 1,75 ∙ 10-5 M.R: V (HCl) = 10 cm3.

Zadatci za vježbu - nastavak

1. Izračunajte pH otopine amonijevog sulfata, ako je maseni udio te soli u otopini, w = 0,04, a gustoća otopine je 1,02 g/mL. Konstanta baze amonijaka je, K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M. R: pH = 4,71.

2. U otopini amonijevog nitrata izmjeren je pH = 5,1. Izračunajte masenukoncentraciju soli u otopini. K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M. R: γ = 8,56 g/L.

3. Izračunajte pH otopine koja sadrži barijev acetat masene koncentracije 120 g/L.Konstanta ionizacija octene kiseline je, K (CH3COOH) = 1,75 ∙ 10-5 M.R: pH = 9,4.

4. Izračunajte pH otopine koja sadrži 10 g natrijevog nitrita u 150 mL otopine.Konstanta ionizacije dušikaste kiseline je, K (HNO2) = 4 ∙ 10-4 M.R: pH = 8,7.

5. Izračunajte pH otopine anilin hidrogenklorida (C6H5NH3Cl) množinske koncentracije, c = 0,5 M. Anilin, C6H5NH2, je slaba baza, a anilin hidroklorid je sol te baze. K (C6H5NH2) = 3,8 ∙ 10-10 M. R: pH = 2,44.

Uputa: anilin se ponaša u vodi kao amonijak:

C6H5NH2 + H2O C6H5NH3+ + OH– K (C6H5NH2) = 3,8 ∙ 10-10 M

Sol disocira prema sljedećoj jednadžbi: C6H5NH3Cl → C6H5NH3+ + Cl-


6. Izračunajte konstantu ionizacije anilina (C6H5NH2), ako pH otopine anilinhidrogenklorida množinske koncentracije, c (C6H5NH3Cl) = 0,5, iznosi pH =2,44. (Uputa kao za zadatak 5.). R: K (C6H5NH2) = 3,8 ∙ 10-10 M.

7. Izračunajte: a) volumen otopine natrijeva hidroksida množinske koncentracije,c (NaOH) = 0,2 M, potreban za potpunu neutralizaciju 20 mL otopine octenekiseline, c (CH3COOH) = 0,05 M i b) pH otopine nakon neutralizacije. K (CH3COOH)= 1,75 ∙ 10-5 M. R: a) V (NaOH) = 5,0 mL; b) pH = 8,68.

8. Izračunajte za koliko se promijeni pH otopine amonijaka, c (NH3) = 1,5 M, ako seu 200 mL otopine doda 5 g amonijeva klorida. K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M. R: ΔpH = 1,96.

9. Izračunajte množinu klorovodične kiseline koju je potrebno dodati u otopinu kojasadrži 1,2 mol amonijaka, da bi se dobila puferska otopina čiji pH = 9,7. K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 M. R: n (HCl) = 0,304 mol.

10. Izračunajte masu natrijeva hidroksida koju je potrebno dodati u 250 cm3 otopinekoja sadrži amonijak, c (NH3) = 0,5 M i amonijev klorid, c (NH4Cl) = 1,0 M, da bise pH otopine promijenio za 0,6 pH jedinice. K (NH3) = 1,7 ∙ 10-5 MR: m (NaOH) = 5 g.


11. Izračunajte za koliko će se promijeniti pH otopine koja sadrži octenu kiselinu,c (CH3COOH) = 0,020 M i natrijev acetat c (CH3COONa) = 0,015 M, ako se u10 cm3 te otopine doda a) 10 µmol HCl, b) 10 = µmol NaOH.K (CH3COOH) = 1,75 ∙ 10-5 M. R: a) ΔpH = 0,05; b) ΔpH = 0,05.