Vizes oldatok sav-bázis egyensúlya, a ph fogalma

Átírás

1 Vize oldatok a-ázi egyenúlya, a ph fogalma A kémiailag tizta ízen a H O molekulák egy réze (igen ki réze) ionokra dizociált alakan található meg. iel a íz amfoter, aját magáal i reagál: H O H O H O OH Ez az egyenúly fennáll a tizta ízen é minden híg ize oldatan (öndizociáció). Egyenúlyi állandója [HO [OH [H O iel a íz dizociációfoka (α) rendkíül kici (5 C-on α 1, ), a dizociáció folytán a nem dizociált ízmolekulák koncentrációja nem áltozik meg zámotteıen, így a íz koncentrációja, - [H O - állandónak tekinthetı. agyi felírhatjuk, hogy [H O [H O [OH. Beezete a [H O kifejezét, azt kapjuk, hogy [H O [OH. Ez a íz ionzorzata, 5 C hımérékleten 1, A íz öndizociációja köetkeztéen ize oldatokan tehát mindig an H O é OH ion i. Tizta ízen é emlege kémhatáú ize oldatokan e két ion koncentrációja egyenlı: [H O [OH 1, mol/dm Saa, agy lúgo kémhatáú oldatokan azonan a két ion mennyiége már nem azono. iel a ízionzorzat egítégéel az egyik ion koncentrációjának imeretéen a máik könnyen kizámítható, egyetlen adat irtokáan egyértelmően jellemezhetjük a ize oldatok kémhatáát. Azokat az oldatokat, amelyeknek H O ion koncentrációja a tizta ízre onatkozó értéknél nagyo ( [H O > 10-7 mol/dm ) - a a, azokat izont, amelyeknél ez az érték nél kie - l ú g o k é m h a t á ú nak mondjuk. Az ARRHENIUS OSTWALD-elmélet felhaználááal dolgozta ki 1909-en P. SØRENSEN a ph fogalmát, melynek egítégéel egyzerően megadható a ize oldatok aaágának agy lúgoágának mértéke. SØRENSEN jaalatára a H O _ ionkoncentráció helyett a [H O logaritmuának -1-zereét az un. hidrogén-kiteıt (hidrogén exponent) haználják. Ezt ph-al jelöljük ( pé-há ): Az ily módon definiált ph-kálán a H O koncentráció 10-zere megáltozáának 1,00 ph egyég eltéré felel meg. A konencionáli a-ázi kála zempontjáól a íz özehaonlítái alapul zolgál: a kémiailag tizta íz é a emlege oldatok, amelyeken a [H O [OH, ph7,00, a aa oldatokan ph<7,00 míg a lúgo kémhatáú oldatokan ph>7,00. 5 C-on minden ize oldatra érénye: p ph poh 14,00 1 ph 1 lg [H O lg [H O 1

2 Saak é áziok fogalma é erıége Az ARRHENIUS OSTWALD-elmélet zerint a aak olyan együletek, amelyek ízen olda hidrogénionokra é amaradékra dizociálnak. A áziokra izont az jellemzı, hogy dizociációjuk orán kationokat é hidroxidionokat juttatnak az oldata. HA H A BOH B OH A aak é a áziok erıége cak a dizociációjuk mértékétıl függ, azaz az erı aak/áziok telje egézéen dizociálnak (erı elektrolitok), míg a gyenge aak/áziok cak ki mértéken (gyenge elektrolitok). A folyamatokat a dizociáció-állandók jellemzik: [H [A [HA [B [OH [BOH A BRØNSTED LOWRY-féle a-ázi-elmélet alapján a aak, a áziok é a ók ize oldatan reagálnak a ízmolekulákkal, megáltoztatják a íz dizociáció-egyenúlyának koncentrációizonyait. A aak é a áziok erıégét ize oldatan a aak é a áziok íz-molekulákkal történı hidrogénion-kicerélıdéi reakciójának egyenúlyi állandójáal jellemezhetjük. Pl. egy HA amolekula ízzel a köetkezıképpen reagál: HA H O H O A [H O [A A folyamat egyenúlyi állandója: [HA [H O Híg oldatokan a íz koncentrációja gyakorlatilag állandónak tekinthetı, ezért a kifejezé mindkét oldalát megzoroza ele egy új állandót kapunk: a a dizociáció-állandója kapjuk. [H O [A [H O [HA Haonló megfontoláok alapján a B ázi (pl. NH, aminok) erıégére a B H O HB OH reakció alapján a [HB [OH dizociáció-állandót [B Vagyi mind a két a-ázi elmélet alapján azono értelmezéő a dizociáció-állandó fogalma. Erı aakan a hidrogénion kicerélıdé a ízzel gyakorlatilag telje, azaz pl. a 0,1 mol/dm koncentrációjú HClO 4, H SO 4, HCl é HNO oldatáan a molekulák telje mértéken dizociált alakan annak jelen. HClO 4 H O H O ClO 4 Ezzel zemen a középerı agy gyenge aak, illete áziok oldatáan a hidrogénion-kicerélıdé cak rézlege. HClO H O H O ClO agy az A BRØNSTED-LOWRY-elmélet a kationokat köetkezeteen anak tekinti, mint ahogy az pl. a NH 4 H O NH H O, Al H O Al(OH) H O egyenúlyi folyamatan látható. Az alumínium-ion alóan tö nagyágrenddel erıe a, mint a határozottan anak kezelt é neezett eceta. A kölcönhatá jellege az eddigiektıl eltérı, amikor ize közegen a óra ajátágait izgáljuk. Itt a óra aa karakterét nem az adja, hogy protont képe átadni, hanem a ízıl hidroxidot ez fel: H BO H O [B(OH) 4 H O

3 A a, illete a ázi erıége annál nagyo, minél nagyo a megfelelı dizociáció-állandó értéke. aak áziok óa HCl > 1 nátrium-hidroxid NaOH > 1 alétroma HNO > 1 kálium-hidroxid OH > 1 perklóra HClO 4 > 1 kalcium-hidroxid Ca(OH) 1 kéna H SO 4 > 1 eceta CH COOH 1, ammónia NH 1, hangyaa HCOOH 1, metil-amin CH NH 4, teja CH (CHOH)COOH 1, dimetil-amin (CH ) NH 5, enzoea C 6 H 5 COOH 6, trimetil-amin (CH ) N 5, hidrogén-fluorid HF, etil-amin CH CH NH 5, alétromoa HNO 4, dietil-amin (CH CH ) NH 1, A dizociáció (hidrogénion-kicerélıdé) mértékére jellemzı a dizociációfok (α) i, amely a dizociált molekulák é az öze a, illete ázimolekulák zámának (anyagmennyiégének, koncentrációjának) aránya. Egy HA gyenge a eetén: α [H c O HA A dizociációfok gyakran izaezethetı alamilyen fizikai-kémiai tulajdonág arányára i (ld. molári fajlago ezeté: Λ / Λ ), é egítégéel a dizociáció-állandó meghatározható. Azokat a kémiai folyamatokat, amelyeken kitüntetett zereppel ír a hidrogénion (oxóniumion) protolitiku reakcióknak i neezzük. éretik mellızni a p jelölét a hidrogénionra! Az a nagyenergiájú magreakciókan zerepelhet cak. Vize oldatan ugyan azt mondhatjuk, hogy protonátmenet alóul meg (eıl zármazik a protolitiku reakció kifejezé), de alójáan hidrogénionátmenet a helye megneezé. A H ohaem létezik magáan (ennek ellenére elfogadjuk a H O jelölé mellett a H röidítét i), mert a hidrogénion legalá 4 H O molekuláal özekapcolóda (H 9 O 4 ) létezik cak ize közegen, az OH pedig H 7 O 4 alakan tailizálódik. A ph zámoláa Erı aak é erı áziok ph-ja Ha agy értéke > 1-nél, erı aról, illete erı áziról ezélünk. Een az eeten ize oldatukan a dizociáció telje. Az oxónium-ion-, illete a hidroxid-ion koncentráció a a, illete a ázi-koncentrációól közetlenül zámolható: H n A képlető a eetén: [H O n c (Hn A) (mol/dm ) B(OH) m képlető ázi eetén: [OH m c (B/OH/m ) (mol/dm ) A ph zámítáok mindig molaritáan (mol/dm -en) kifejezett koncentrációt igényelnek! A mért ph értékéıl meg lehet határozni az oldat hidrogénion-koncentrációját, é imert anyagok eetén azok koncentrációját i. A H n A képlető erı aak é B(OH) m képlető erı áziok koncentrációját a ph értékéıl a megfelelı hatányra emeléel kapjuk meg: 10 ph (14,00pH) 10 a koncentráció zámítáa c a cázi n m

4 Ügyeljünk rá, hogy NE a ph-t kell oztani, mert az gyökonát jelent! Példák 1. ekkora a, mol/dm koncentrációjú alétroma oldat ph-ja? HNO H NO [H c (HNO ), mol/dm ph -1 lg [H -1 lg (, ),5. ekkora a, mol/dm koncentrációjú árium-hidroxid oldat ph-ja? Ba(OH) Ba OH [OH c (Ba/OH/ ), mol/dm 5, mol/dm poh -1 lg[oh -1 lg(5, ),9 ph 14 - poh 14 -,40 11,71. ekkora a ph-ja a 0,158 g/dm koncentrációjú kéna-oldatnak? H SO 4 H SO 4 c (H SO 4 ) c m / 0,158 g/dm / 98,07 g/mol 1, mol/dm [H c (H SO 4 ) 1, mol/dm, mol/dm ph -1 lg [H -1 lg (, ),56 4. Adjuk meg annak a óaoldatnak a koncentrációját g/dm -en, melynek ph-ja,5! HCl H Cl [H 10 -ph 10 -,5 5, mol/dm c (HCl) 5, mol/dm c m c 5, mol/dm 6,46 g/mol, g/dm 5. Adjuk meg annak a kalcium-hidroxid oldatnak a koncentrációját, melynek ph-ja 10,0! Ca(OH) Ca OH poh 14 - ph 14,00-10,0,70 [OH 10 -poh 10 -,70, mol/dm c (Ca/OH/ ) (, )/ mol/dm 1, mol/dm 6. ekkora annak az oldatnak a ph-ja melyet úgy kapunk, hogy 50,0 g,00 tömeg%-o nátronlúgot öntünk 00 cm 0,50 mol/dm koncentrációjú alétroma-oldata, é a kapott oldatot 4,00 dm térfogatra egézítjük ki ízzel? NaOH Na OH HNO H NO H OH H O a H agy az OH anyagmennyiég felelege határozza meg a kémhatát mnaoh mnaoh n NaOH w% 100 m NaOH m n - n OH 100 w% oldat oldat NaOH n H n HNO c V NaOH n OH 50,0 g,00 / (100 40,00 g/mol) 0,050 mol n H 0,50 mol/dm 0,00 dm 0,0750 mol c (H ) 0,0500 mol / 4,00 dm 0,015 mol/dm ph -1 lg[h -1 lg 0,015 1,90 Gyenge aak é áziok ize oldatainak ph-ja Gyenge aról, illete gyenge áziról ezélünk, ha a dizociáció-állandó értéke 1-nél kie. Ezeken az eeteken a a, illete a ázi dizociációja nem telje. A hidrogénion é a hidroxidion koncentráció nem egyenlı a a agy a ázi molaritááal. A [H O agy a [OH zámítáához az egyértékő aak é áziok dizociáció-állandója ( illete ) é a a (illete a ázi) analitikai koncentrációjának imerete zükége. A HA H A folyamathoz tartozó dizociáció-állandó az egyenúly eálláa után: 4

5 [H [A [H x alakan írható fel. A matematikai forma: y, é ennek pozití [HA c [H c x elıjelő megoldáa adja az aktuáli hidrogénion-koncentrációt, amelyıl a ph -1 lg x özefüggéel már zámzerően meghatározható a kémhatá. A ph imeretéen ugyanezt az özefüggét haználjuk (az analitikai koncentráció, agy a dizociáció-állandó zámítáára), az x helyée a 10 -ph értéket helyetteíte. Ugyanígy ezetjük le a áziok kémhatáát i, azok állandóját felhaznála: - [HB [OH [OH é eıl a poh értéket zámítjuk, majd a ph-t. - [B c [OH Töértékő aak é áziok eetéen értelemzerően mindegyik -t, illete -t figyeleme kell enni, ekkor a onyolult matematikai özefüggéek nem tezik lehetıé az egyzerő zámítát. Példák 7. ekkora a ph-ja a 0,100 mol/dm koncentrációjú ecetaoldatnak? ( 1, mol/dm ) CH COOH H CH COO [H [A [H 1, x / (0,100 x) [HA c [H 0 x 1, x 1, egyenlet megoldááal x 1 1, 10 - (x -1, matematikailag helye, de kémiailag értelmetlen eredmény) [H 1, 10 - mol/dm ph -1 lg[h -1 lg 0,001,88 8. Egy ize ammónia-oldat ph-ja 10,70. Hány mol/dm koncentrációjú az oldat? ekkora a dizociációfok? ( 1, mol/dm ) NH H O NH 4 OH poh 14 - ph 14-10,70,0 [OH 10 -poh 10 -,0 5, mol/dm - [HB [OH [OH - [B c [OH c x (x / ) 5, (5, ) /1, c 1, mol/dm α 5, /1, , (,47%) 9. A teja (C H 6 O ) egyértékő zere a, 0,050 mol/dm koncentrációjú ize oldatának ph-ja,75. Határozzuk meg a a dizociáció-állandóját! CH CH(OH)COOH H CH CH(OH)COO [H 10 -ph [H [A [H [HA c [H [H 10-,75 1, mol/dm (1, mol/dm ) / (, mol/dm - 1, mol/dm ) 1, mol/dm 5

6 Sók ize oldatainak ph-ja A ízen oldott ók telje mértéken ionjaikra dizociálnak: BA B A majd a protonaffinitáuk, illete hidrogénion-átadó képeégük zerint a ízzel reagálhatnak (hidrolizálhatnak). Az oldat kémhatáát (ph-ját) a ót képezı a é ázi dizociáció-állandójának / aránya zaja meg. BH H O H O B A H O HA OH a. Ha a ót képezı a i é ázi i erı, akkor a ó dizociációjáan keletkezı ionok nem reagálnak a ízzel, hidrolízi nem köetkezik e, a ó oldata emlege kémhatáú, ph 7,0. (pl. NaCl, Cl, Na SO 4, NO, ClO 4 ). Ha egy gyenge anak erı ázial alkotott óját oldjuk ízen, az anion reagál a ízzel a konjugált a é OH ion keletkezée közen, é az oldat lúgo kémhatáúá álik. Ekkor <, é a ph > 7,0 (pl. NaF, CO, Na PO 4, CH COONa, NO, Na SO ). CH COONa Na CH COO CH COO H O CH COOH OH [HA [O H [HO [OH [HA A hidrolízit a özefüggé, agyi a ízionzorzat é a gyenge ai özeteı dizociáció-állandójának hányadoa jellemzi. Az oldat ph-ját az [A [H O [A a oldott ó koncentrációja fogja megzani: OH ó a azaz, minél nagyo a ó-koncentráció annál lúgoa lez az oldat. c. Gyenge ázi é erı a ójának ize oldatáan lejátzódó hidrolízi orán H O ionok keletkeznek, é aa kémhatáú lez az oldat (pl. NH 4 Cl, NH 4 NO, C 6 H 5 NH Cl). Ha >, akkor a ó ize oldatáan a ph < 7,0. NH 4 Cl NH 4 Cl NH 4 H O NH H O [B [H O A hidrolízi egyenúlyi állandója ekkor, haonlóan az elızıhöz, [BH, a ó- oldat ph-ját a HO ó koncentrációól zámítjuk. ázi ázi d. Ha a ót képezı a é ázi egyaránt gyenge, akkor a dizociáció-állandók aránya zaja meg az oldat kémhatáát. Így például: - az ammónium-acetát ize oldata emlege, miel a a (CHCOOH) ázi (NH) - az ammónium-nitrit oldata aa, mert a a (HNO) > ázi (NH) - az ammónium-karonát oldata lúgo kémhatáú, miel a (HCO) < ázi (NH) Példák 10. 1,540 g nátrium-acetátot oldunk 00,0 cm oldattérfogatra. ekkora a kapott oldat ph-ja, ha az eceta 1, mol/dm? CH COONa Na CH COO CH COO H O CH COOH OH m NaAc OH ó c V ó poh -1 lg [OH ph 14,00 poh a NaAc mnaac [ NaAc [NaAc 1,540 g / (8,0 g/mol 0,000 dm ) 9, mol/dm V NaAc 6

7 [OH 1, (mol/dm ) 9, mol/dm / 1, mol/dm 5, (mol/dm ) [OH 7, mol/dm poh -1 lg 7, ,14 ph 14,00-5,14 8, Számítuk ki a 0,150 mol/dm koncentrációjú nátrium-fluorid oldat ph-ját! (HF: 7, 10-4 mol/dm ) NaF Na F F H O HF OH OH ó poh -1 lg [OH ph 14,00 - poh a [OH 1, (mol/dm ) 0,150 mol/dm / 7, 10-4 mol/dm, (mol/dm ) [OH 1, mol/dm poh -1 lg 1, ,84 ph 14,00-5,84 8,16 1. ennyi lez az ammónium-klorid oldat ph-ja, ha 1,5 g óól 500,0 cm ize oldatot kézítettünk? ( 1, mol/dm ) NH 4 Cl NH 4 Cl NH 4 H O H O NH HO ó ph -1 lg [H O mó mó c V c ázi ó ó V [H O 1, (mol/dm ) 1,5 g / (5,49 g/mol 0,5000 dm 1, mol/dm ) [H O 5, mol/dm ph -1 lg 5, , 1. ekkora a zódaikaróna oldat koncentrációja g/dm -en, ha oldatának ph-ja 8,85? ( 4, 10-7 mol/dm ) NaHCO Na HCO HCO H O H CO OH [ poh 14,00 - ph [OH 10 -poh OH - [ó a c m(ó) ó [ó c m(ó) 84,01 g/mol (10-5,15 ) (mol/dm ) 4, 10-7 mol/dm / 1, (mol/dm ) 18,1 g/dm Vize puffer-oldatok A puffer- (kiegyenlítı, agy tompító) oldatok olyan elegyek, melyek az adott közeg ph-jának állandóágát iztoítják akkor i, ha a, agy ázi jut hozzájuk, illete, ha felhígulnak. E tulajdonáguk azzal magyarázható, hogy a ennük kialakult dizociáció egyenúlyok köetkeztéen olyan meghatározott oxónium-ion koncentrációjuk an, ami külı határa i cak ki mértéken áltozik. A legegyzerő puffer-oldatok alamilyen gyenge aat é annak óját (pl. nátrium-acetát - eceta), agy gyenge ázit é annak óját (pl. ammónia - ammónium-klorid) tartalmazzák, ph-juk a a é ó, illete a ázi é ó izonylago koncentrációjától függ: [a [ázi [ H O [ OH [ó [ó 14. ekkora a CH COOH/CH COONa koncentráció-arány aan a pufferoldatan, amelyen a ph 4,45? ( 1, mol/dm ) [a [ H O [H O 10 -ph ph [a 10 [ó [ó [CH COOH / [CH COONa 10-4,45 mol/dm / 1, mol/dm,0 15. ekkora a ph aan az ammónia ammónium-klorid pufferen, amelyen c m(ázi) 8,500 g/dm NH é c m(ó) 10,70 g/dm NH 4 Cl an? ( 1, mol/dm ) cm(ázi) cm(ó) [ázi [ NH [ NH 4Cl [ OH c m(ázi) NH4Cl [ OH [ó c NH poh -1 lg [OH NH Cl 4 ph 14,00 - poh NH m(ó) 7

8 [OH 1, mol/dm 8,500 g/dm 5,49 g/dm / (17,0 g/mol 10,70 g/dm ) [OH 4, mol/dm poh -1 lg 4, ,5 ph 14,00 -,5 10,65 Feladatok 1. ekkora lez az oldat ph-ja, ha 10,00 cm 6,00 mol/dm koncentrációjú óaat 00,0 cm oldattérfogatra hígítunk? (0,70). A,8 %-o zírtartalmú tej ph-ját 6,77-nek találták 5 C-on. Számítuk ki a minta poh-ját, [H -ját é [OH -ját! A tej kémhatáa aa agy áziku? (poh: 7,; H : 1, mol/dm ; OH : 5, mol/dm ; aa). Sütıport feloldottak ízen, é a poh-t 5,47-nek mérték találták 5 C-on. Számítuk ki az oldat ph-ját, [H -ját é [OH -ját! Az oldat aa agy áziku? (ph: 8,5; H :, mol/dm ; OH :, mol/dm ; lúgo) 4. ekkora lez az oldat ph-ja, ha 0,6888 g nátrium-hidroxidól 450,0 cm ize oldatot kézítünk? (1,58) 5. Hány mg kénaat tartalmaz az oldat 500,0 cm -e, amelyen a ph,16? (170 mg) 6. Számítuk ki a kalcium-hidroxid oldat ph-ját, ha koncentrációja, mol/dm? (11,71) 7. A tallium(i)-hidroxid erı ázi, gyakran haználják zere zintézieken. ekkora a TlOH oldat ph-ja, ha koncentrációja,48 g/dm? (1,08) 8. 1,000 g enzoeaat 50,0 cm oldattérfogatra olda, az oldat ph-ja,91. A enzoea molekulák hány zázaléka dizociált, mekkora a értéke? (5,0%; 6, mol/dm ) 9. A hangyaa 1, mol/dm. ekkora a ph-ja az oldatnak, ha hangyaara néze a töményége,15 g/dm? (,47) 10. A triklóreceta (CCl COOH) nagyon korrozí, fehérjék kicapáára zokták haználni. Számítuk ki a dizociáció-állandóját, ha tudjuk, hogy 0,0500 mol/dm koncentrációjú oldatának ph-ja ugyanannyi, mint a 0,0400 mol/dm -e HClO 4 oldaté! (1, mol/dm ) 11. Egy HA képlető gyenge a 1,00 móljáól,00 liter ize oldatot kézítettünk. Az egyenúly eállta után a dizociálatlan molekulák koncentrációja 0,450 mol/dm olt. Számítuk ki a dizociáció-állandót! (5, mol/dm ) 1. Az akrila (CH CHCOOH) a poliakrilát mőanyagok monomerje, 5, mol/dm. ekkora a dizociáció-fok 0,100 mol/dm koncentrációjú oldatáan? (,5 %) 1. A háztartáan haznált zalmiákzez (ρ 0,970 g/cm ) 6,80 tömeg% NH -at tartalmaz. Hány cm -t kell felhígítani ízzel, hogy 65 cm térfogatú oldatot kapjunk, amelynek ph-ja 11,55? ( 1, mol/dm ) (114 cm ) 14. A nátrium-enzoátot (C 6 H 5 COONa) élelmizer tartóítóként (E1) haználják. ilyen ph-jú lez a ize oldata, ha 0,50 g-ot oldunk 100,0 cm -re? ( 6, mol/dm ) (7,71) 15. A kálium-zorát (C 5 H 7 COO) az éleztıgomák zaporodáát gátló élelmizeradalék (E0), amelyet ajtokan, orokan, lekárokan haználnak. ilyen mg/dm koncentrációjú oldatáan lez a kémhatáa ph 7,65? ( 1, mol/dm ) (40,8 mg/dm ) 16. A ér ph-jának ( 7,40) é az óceáníz ph-jának ( 8,10) állandó értéken tartáát egyaránt a zéna (CO )-ikaronát-puffer iztoítja. Számítuk ki, milyen [CO /[HCO arány zükége az állandó értékhez a) a ér é ) az óceán felzíne eetéen? ( 4, 10-7 mol/dm ) (9, ; 1, ; a éren a ó k. 10-zere, az óceánan k. 5-zörö felelegen) 17. 0,00 cm 0,100 mol/dm koncentrációjú ecetahoz 0,00 cm 0,0500 mol/dm NaOH-ot adtunk. Határozzuk meg az így keletkezı pufferodat ph-ját! ( 1, mol/dm ) (4,76) 8