Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

2ο κεφάλαιο • Χημείας Θετικής Κατεύθυνσης • Γ΄ Λυκείου • ρυθμιστικά διαλύματα • άσκηση στα ρυθμιστικά διαλύματα • δείκτες • Ογκομέτρηση • άσκηση ογκομέτρησης Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ρυθμιστικά διαλύματα Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ρυθμιστικά διαλύματα • Ρυθμιστικά λέγονται τα διαλύματα που περιέχουν το συζυγές ζεύγος ασθενούς οξέος – ασθενούς βάσης (ΗΑ, Α−). • Τα ρυθμιστικά διαλύματα περιέχουν: • ένα ασθενές οξύ και άλας του με κοινό ιόν • μία ασθενή βάση και άλας της με κοινό ιόν • Τα ρυθμιστικά διαλύματα διατηρούν το pH τους σταθερό, σε μια μικρή περιοχή, ακόμη κι αν τους προσθέσουμε μικρή αλλά υπολογίσιμη ποσότητα ισχυρού οξέος ή ισχυρής βάσης. • Μεταξύ δύο ρυθμιστικών διαλυμάτων, εκείνο που έχει μεγαλύτερες συγκεντρώσεις έχει καλύτερη ρυθμιστική ικανότητα. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ρυθμιστικά διαλύματα • Τα ρυθμιστικά διαλύματα σχηματίζονται με τους εξής τρόπους: • με απευθείας ανάμειξη των συστατικών τους, π.χ. με ανάμειξη • διαλύματος CH3COOH με διάλυμα CH3COONα. • με ανάμειξη περίσσειας ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση • π.χ. με ανάμειξη περίσσειας CH3COOH με ΝaOH γίνεται η αντίδραση • CH3COOH + NαOH → CH3COONα + H2O • και το τελικό διάλυμα περιέχει την περίσσεια του CH3COOH και τη • συζυγή του βάση CH3COO−. • με ανάμειξη περίσσειας ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ • π.χ. με ανάμειξη περίσσειας ΝΗ3 με HCl γίνεται η αντίδραση • ΝH3 + HCl → NH4Cl • και το τελικό διάλυμα περιέχει την περίσσεια της NH3 και τo συζυγές • της οξύ ΝH4+. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ερμηνεία της δράσης των ρ.δ. • Προσθέτουμε μικρή ποσότητα ισχυρούοξέος σε ρυθμιστικό διάλυμα του συζυγούς ζεύγους ΗΑ, Α−όπου επικρατεί η ισορροπία: • HΑ(aq) + Η2Ο(ℓ) ⇌ A−(aq) + Η3Ο+(aq) • Τα ιόντα οξωνίου, που σχηματίζονται από τον ιοντισμό του ισχυρού οξέος, αντιδρούν πλήρως με την ασθενή βάση Α− σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: • Η3Ο+(αq) + A−(aq) → ΗΑ(aq) + Η2Ο(l) • Δημιουργείται νέο ρυθμιστικό διάλυμα στο οποίο είναι αυξημένη η συγκέντρωση του οξέος ΗΑ και μειωμένη η συγκέντρωση της βάσης Α- • Προσθέτουμε μικρή ποσότητα ισχυρής βάσης σε ρυθμιστικό διάλυμα του συζυγούς ζεύγους ΗΑ, Α−όπου επικρατεί η ισορροπία: • HΑ(aq) + Η2Ο(ℓ) ⇌ A−(aq) + Η3Ο+(aq) • Τα ιόντα υδροξειδίου, που σχηματίζονται από τον ιοντισμό του ισχυρού οξέος, αντιδρούν πλήρως με το ασθενές οξύ ΗΑ σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: • ΗΑ(αq) + ΟΗ−(aq) → Α-(aq) + Η2Ο(l) • Δημιουργείται νέο ρυθμιστικό διάλυμα στο οποίο είναι μειωμένη η συγκέντρωση του οξέος ΗΑ και αυξημένη η συγκέντρωση της βάσης Α- Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Υπολογισμός του pH ρυθμιστικού διαλύματος • To pH των ρυθμιστικών διαλυμάτων μπορεί να υπολογιστεί με δύο τρόπους. • Ο πρώτος είναι η επίδραση κοινού ιόντος • Ο δεύτερος με χρήση της εξίσωση των Henderson – Hasselbalch • Εξίσωση Henderson – Hasselbalch • Θεωρούμε ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει το συζυγές ζεύγος ΗΑ/Α-, • στο οποίο επικρατεί η ισορροπία: HΑ(aq) + Η2Ο(ℓ) ⇌ A−(aq) + Η3Ο+(aq) Το ΗΑ έχει συγκέντρωση Cοξ και το Α- έχει συγκέντρωση Cβασ. Ακολουθεί πίνακας μεταβολών των συγκεντρώσεων: Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Από τη σταθερά ιοντισμού του οξέος ΗΑ έχουμε: Όταν ισχύει: έχουμε Cβασ+x = Cβασ και Cοξ-x = Cοξ η τελευταία σχέση λέγεται εξίσωση των Henderson – Hasselbalch Επιστροφή στο μενού

Άσκηση Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Εύρεση pH ρυθμιστικού διαλύματος • Α. Να βρεθεί το pΗ ρυθμιστικού διαλύματος που περιέχει CH3COOH 0,1 Μ και • CH3COONα 0,1 Μ. Δίνεται Κα(CH3COOH) = 10−5, Kw = 10-14. Ιοντισμός CH3COOH: CH3COOH + H2O ⇋ CH3COO− + H3O+ Διάσταση CH3COOΝα: CH3COOΝα → CH3COO− + Να+ Το διάλυμα περιέχει το ασθενές οξύ CH3COOH με συγκέντρωση περίπου ίση με την αρχική 0,1 Μ και τη συζυγή του βάση CH3COO− με συγκέντρωση περίπου ίση 0,1 Μ που οφείλεται στη διάσταση του CH3COONα Έλεγχος προσεγγίσεων: Μπορεί να εφαρμοστεί η εξίσωση Henderson-Hasselbalch, οπότε έχουμε: Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Μεταβολή pH ρ.δ. με προσθήκη καθαράς ουσίας • Β. Πόσο μεταβάλλεται το pH του ρ.δ. όταν προσθέσουμε 0,01 mol ΗCℓ σε • 1 L του ρυθμιστικού δ/τος (χωρίς μεταβολή του όγκου); Σε 1 L του ρυθμιστικού διαλύματος περιέχονται 0,1 mol CH3COOH και 0,1 mol CH3COOΝα. Όταν προστεθούν 0,01 mol HCℓ γίνεται η αντίδραση: HCℓ + CH3COOΝα → ΝαCℓ + CH3COOH από 0,01 mol 0,01 mol σχημ. 0,01 mol 0,01 mol • Το τελικό διάλυμα περιέχει: • 0,1 + 0,01 = 0,11 mol ή 0,11/1 = 0,11 Μ CH3COOH • 0,1 – 0,01 = 0,09 mol ή 0,09/1 = 0,09 Μ CH3COOΝα Μπορεί να εφαρμοστεί η εξίσωση Henderson-Hasselbalch, οπότε έχουμε: Το pH μεταβάλλεται: 4,913-5 = -0,087 (σχεδόν καθόλου) Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Μεταβολή pH ρ.δ. με προσθήκη διαλύματος • Γ. Πόσο μεταβάλλεται το pH του ρ.δ. όταν προσθέσουμε 100 mL διαλύματος • ΝαΟΗ 0,02 Μ σε 100 mL του ρυθμιστικού δ/τος; Σε 0,1 L του ρυθμιστικού διαλύματος περιέχονται 0,01 mol CH3COOH και 0,01 mol CH3COOΝα. Σε 0,1 L δ/τος NαOH 0,02 M περιέχονται 0,002 mol ΝαΟΗ Γίνεται η αντίδραση: ΝαΟΗ + CH3COOΗ → Η2Ο + CH3COOΝα από 0,002 mol 0,002 mol σχημ. 0,002 mol • Το τελικό διάλυμα περιέχει: • 0,01 - 0,002 = 0,008 mol ή 0,008/0,2 = 0,04 Μ CH3COOH • 0,01 + 0,002 = 0,012 mol ή 0,012/0,2 = 0,06 Μ CH3COOΝα Μπορεί να εφαρμοστεί η εξίσωση Henderson-Hasselbalch, οπότε έχουμε: Το pH μεταβάλλεται: 4,913-5 = -0,087 (σχεδόν καθόλου) Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Μεταβολή του pH ρ.δ. με αραίωση • Δ. Πόσο μεταβάλλεται το pH του ρ.δ. όταν προσθέσουμε 100 mL νερό σε • 100 mL του ρυθμιστικού δ/τος διαλύματος Σε 0,1 L του ρυθμιστικού διαλύματος περιέχονται 0,01 mol CH3COOH και 0,01 mol CH3COOΝα. Προσθέτοντας 100 mL νερό ο όγκος διπλασιάζεται και οι συγκεντρώσεις γίνονται οι μισές. C(CH3COOH) = 0,05 M = C(CH3COONα) Μπορεί να εφαρμοστεί η εξίσωση Henderson-Hasselbalch, οπότε έχουμε: Το pH δε μεταβάλλεται. • Ε. Πόσο μεταβάλλεται το pH του ρ.δ. όταν προσθέσουμε άπειρη ποσότητα • νερού σε 1 L του ρυθμιστικού διαλύματος; Όταν αραιώσουμε το ρυθμιστικό διάλυμα με άπειρη ποσότητα νερού, μειώνονται πολύ οι συγκεντρώσεις των συστατικών του και δεν ισχύουν οι προσεγγίσεις. Ο ιοντισμός του νερού λαμβάνεται υπόψη και το pH τείνει προς το 7. Επιστροφή στο μενού

Δείκτες Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Πρωτολυτικοί δείκτες • Σε μερικά πολύ ασθενή οξέα, τα συμβολίζουμε ΗΔ, το μόριο ΗΔ έχει διαφορετικό χρώμα από το ιόν Δ–. Ο ιοντισμός τους εκφράζεται με την ισορροπία: ΗΔ(aq) + H2O(ℓ) ⇋ Δ−(aq) + Η3O+(aq) • Το χρώμα των μορίων ΗΔ επικρατεί όταν [ΗΔ] > 10[Δ-] πράγμα που ισχύει για: • Το χρώμα των ιόντων Δ- επικρατεί όταν [Δ-] > 10[ΗΔ] πράγμα που ισχύει γιά: • Σε πιο όξινο διάλυμα η ισορροπία μετατοπίζεται προς τ’ αριστερά προς όφελος του όξινου χρώματος, ενώ σε πιο βασικό διαλυμα προς τα δεξιά προς όφελος του βασικού χρώματος. • Ένα τέτοιο οξύ μπορεί να δείξει το pH του διαλύματος και λέγεται πρωτολυτικός δείκτης. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ογκομέτρηση εξουδετέρωσης Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ογκομέτρηση εξουδετέρωσης • Μια πειραματική διαδικασία με την οποία προσδιορίζουμε την άγνωστη συγκέντρωση διαλύματος (ογκομετρούμενο διάλυμα) ουσίας (Α). Χρησιμοποιούμε διάλυμα γνωστής συγκέντρωσης (πρότυπο διάλυμα) το οποίο περιέχει διαλυμένη ουσία (Β) που αντιδρά με την ουσία (Α). • Μετράμε πειραματικά τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που απαιτείται για να αντιδράσει πλήρως με την ουσία (Α). • Ορίζουμε ως ισοδύναμοσημείο της ογκομέτρησης, το σημείο που αντιδρά πλήρως η ουσία (Α) με την ουσία (Β). • Χρησιμοποιούμε κατάλληλο δείκτη που αλλάζει χρώμα σε pH γύρω από το ισοδύναμο σημείο. Όταν γίνει η αλλαγή του χρώματος διακόπτουμε την ογκομέτρηση. Το σημείο αυτό λέγεται τελικό σημείο. Προσπαθούμε το τελικό σημείο να ταυτίζεται με το ισοδύναμο σημείο. • Μετά υπολογίζουμε στοιχειομετρικά την άγνωστη συγκέντρωση. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ογκομέτρηση εξουδετέρωσης • Ο κλάδος της ογκομέτρησης που χρησιμοποιεί πρότυπο διάλυμα ενός οξέος λέγεται οξυμετρίακαι ο κλάδος που χρησιμοποιεί πρότυπο διάλυμα μιας βάσης λέγεται αλκαλιμετρία. • Κατά την διάρκεια της ογκομέτρησης μεταβάλλεται συνεχώς το pH του διαλύματος διότι πραγματοποιείται αντίδραση εξουδετέρωσης. • Η γραφική παράσταση του pH σε συνάρτηση με τον όγκο του προστιθέμενου πρότυπου διαλύματος λέγεται καμπύλη ογκομέτρησης, ακολουθεί ένα παράδειγμα οξυμετρίας. • Με τη βοήθεια της καμπύλης επιλέγουμε το δείκτη, ώστε να αλλάζει χρώμα στην περιοχή που η καμπύλη είναι κατακόρυφη. Τότε το ισοδύναμο σημείο προσεγγίζει το τελικό σημείο κι έχουμε μεγάλη ακρίβεια. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ογκομέτρηση εξουδετέρωσης • Ογκομέτρηση ισχυρής βάσης με πρότυπο διάλυμα ισχυρού οξέος. Στο ισοδύναμο σημείο υπάρχει άλας και το pH = 7. • Ογκομέτρηση ισχυρού οξέος με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης. Στο ισοδύναμο σημείο υπάρχει άλας και το pH = 7. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ογκομέτρηση εξουδετέρωσης • Ογκομέτρηση ασθενούς βάσης με πρότυπο διάλυμα ισχυρού οξέος. Στο ισοδύναμο σημείο υπάρχει άλας και το pH < 7. Στο σημείο Α υπάρχει μόνο η βάση (αρχικό διάλυμα), στο σημείο Β υπάρχει ρ.δ. της βάσης που έχει περισσέψει και του άλατος που σχηματίστηκε, το C είναι το Ι.Σ., και στο D υπάρχει το άλας και η περίσσεια του οξέος. • Ογκομέτρηση ασθενούς οξέος με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης. Στο ισοδύναμο σημείο υπάρχει άλας και το pH > 7. Στο διάγραμμα εμφανίζεται διαφορά μεταξύ ισοδύναμου και τελικού σημείου. Το pH στο Ι.Σ. είναι ίσο με την pKα του οξέος. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Άσκηση Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ογκομέτρηση • Α. Ογκομετρούμε 500 mL υδατικού διαλύματος Δ1 CH3COOH με πρότυπο • υδατικό διάλυμα Δ2 ΝαΟΗ 0,2 Μ παρουσία δείκτη ΗΔ. Όταν έχουμε • προσθέσει 500 mL από το πρότυπο διάλυμα ο δείκτης αλλάζει χρώμα. • Να υπολογίσετε τη συγκέντρωση του διαλύματος Δ1, και το pH στο Ι.Σ. • Δίνεται Κα(CH3COOH) = 10−5, Kw = 10-14. Σε 500 mL του πρότυπου δ/τος περιέχονται: n = C·V = 0,2·0,5 = 0,1 mol ΝαΟΗ Το άλας διίσταται: CH3COONα → CH3COO- + Nα+ 0,1 M 0,1 M 0,1 M Αντίδραση εξουδετέρωσης: ΝαΟΗ + CH3COOΗ → CH3COOΝα + Η2Ο Το ανιόν CH3COOH- είναι συζυγής βάση του ασθενούς οξέος CH3COOH με σταθερά ιοντισμού: Τα 0,1 mol NαΟΗ αντιδρούν με 0,1 mol CH3COOH (που περιέχονται στο ογκομετρούμενο διάλυμα) και παράγονται 0,1 mol CH3COOΝα Αντιδρά με το νερό σύμφωνα με την ισορροπία: Το ογκομετρούμενο διάλυμα έχει συγκέντρωση: Στο Ι.Σ. υπάρχει μόνο CH3COONα και το διάλυμα έχει όγκο V = 0,5 L + 0,5 L = 1 L και συγκέντρωση: Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Στο Ι.Σ. pΟH = , οπότε σε 25 °C το pH = 9

Ογκομέτρηση • Β. Ποιος από τους παρακάτω δείκτες μπορεί να είναι ο δείκτης ΗΔ; • Βρωμοκρεζόλη (περιοχή αλλαγής χρώματος pH: (4-6) • Φαινολοφθαλεΐνη (περιοχή αλλαγής χρώματος pH: (8,3-10,1); • Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Θα επιλέξουμε την βρωμοκρεζόλη διότι αλλάζει χρώμα στην περιοχή pH: 4 έως 6 που περιλαμβάνει το ισοδύναμο σημείο. Επιστροφή στο μενού

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr