Post on 05-Sep-2019
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)) :
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – hidroliza soli
[ ][ ][ ]
[ ][ ]−−
−
−
−
−====
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:
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – hidroliza soli
[ ](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 !!
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – hidroliza soli
(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)) :
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – hidroliza soli
[ ][ ][ ]
[ ][ ]++
+
+
+
−====
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:
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – hidroliza soli
[ ](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-]
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – otopine pufera
[ ][ ][ ]
[ ] ( )( )
[ ] ( )( )
[ ] ( )( )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
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – otopine pufera
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+]
KEMIJSKA RAVNOTEŽA II – otopine pufera
[ ][ ][ ]
( )[ ]( )
[ ] ( )( )
[ ] ( )( )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-
Zadatci za vježbu - nastavak
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.
Zadatci za vježbu - nastavak
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.