Materiały dydaktyczne na zajęcia wyrównawcze z chemii
dla studentów pierwszego roku kierunku zamawianego
Inżynieria Środowiska
w ramach projektu „Era inżyniera – pewna lokata na przyszłość”
Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak
Reakcje dysocjacji elektrolitycznej
Dysocjacja elektrolityczna (jonowa) – rozpad na jony dodatnie – kationy i jony ujemne – aniony, pod wpływem wody.
Elektrolity – substancje, które pod wpływem wody lub innego rozpuszczalnika polarnego ulegają dysocjacji, przewodzą prąd elektryczny w wodnych roztworach. Elektrolitami są związki o budowie jonowej lub wiązaniu kowalencyjnym spolaryzowanym.
Dysocjacja elektrolityczna kwasów - HmRm
Kwasy dysocjują na kationy wodorowe i aniony reszty kwasowej, wg schematu:
H2O
HmRm mH+ + Rm-
R – reszta kwasowa
m – wartościowość reszty kwasowej równa ilości atomów wodoru w cząsteczce kwasu Dysocjacja elektrolityczna zasad - Mn(OH)n
Zasady dysocjują na kationy metalu i aniony wodorotlenowe, wg schematu:
H2O
Mn(OH)n Mn+ + n (OH)-
M – symbol metalu
n – wartościowość metalu równa ilości grup hydroksylowych w cząsteczce Dysocjacja elektrolityczna soli - MmnRnm
Sole dysocjują na kationy metali i aniony reszty kwasowej zgodnie ze schematem:
H2O m n n mR
M m Mn+ + n Rm-
Przykładowe reakcje dysocjacji jonowej podano poniżej:
Mg(OH)2 Mg2+ + 2OH- H2SO3 2 H+ + SO32-
H2O H2O
Stała dysocjacji – stosunek iloczynu stężeń jonów podniesionych do odpowiednich potęg, do stężenia cząsteczek niezdysocjowanych. Stałą dysocjacji wyznacza się dla elektrolitów średniej mocy i słabych.
Stałą reakcji dysocjacji jonowej przedstawionej zgodnie z poniższym ogólnym zapisem:
AB
H2O
A+ + B-
można wyrazić jako
] [
] [ ] [
AB B Kd A
[A+], [B-] – stężenie jonów w stanie równowagi
[AB] – stężenie cząsteczek niezdysocjowanych w stanie równowagi
Stała dysocjacji jest miarą mocy kwasu i zasady; im większa jest wartość tej stałej tym bardziej elektrolit jest zdysocjowany. Stała dysocjacji, tak jak inne stałe równowagi, nie zależy od początkowego stężenia elektrolitu, a zależy od temperatury.
Stopień dysocjacji (α) - stosunek ilości moli jonów, które powstały w wyniku dysocjacji do całkowitej liczby moli cząsteczek wprowadzonych do roztworu. Wyrażamy jako:
stosunek liczby cząsteczek dysocjowanych (Nzdysocj.) do liczby cząsteczek wprowadzonych do roztworu (N0),
0 .
N Nzdysocj
(lub 100%
0 .
N Nzdysocj
)
stosunek liczby moli cząsteczek zdysocjowanych (nzdysocj.) do liczby moli cząsteczek wprowadzonych do roztworu (n0)
0 .
n nzdysocj
(lub 100%
0 .
n nzdysocj
)
stosunek stężenia cząsteczek zdysocjowanych (Czdysocj.) do stężenia cząsteczek wprowadzonych do roztworu (stężenie molowe roztworu) (C0)
0 .
C Czdysocj
(lub 100%
0 .
C Czdysocj
)
Stopień dysocjacji α przyjmuje wartości z przedziału 0,1 jeśli ma wartość niemianowaną lub zawiera się w granicach 0<α≤100 gdy jest podawany w procentach.
Ze względu na stopień dysocjacji elektrolity można podzielić na:
mocne, które w roztworach wodnych są silnie zdysocjowane i zawierają niewielką ilość cząsteczek niezdysocjowanych (α>30%), należą do nich:
- wszystkie sole rozpuszczalne w wodzie,
- wodorotlenki litowców i berylowców z wyjątkiem Be(OH)2 i Mg(OH)2, - niektóre kwasy np. H2SO4, HCl, HClO4, HNO3, HBr,
słabe, które w roztworach wodnych ulegają niewielkiej dysocjacji na jony (α<5%), należą do nich pozostałe wodorotlenki i większość kwasów. Słabe wielowodorotlenowe zasady i wieloprotonowe kwasy dysocjują stopniowo.
Zn(OH)2
H2O
ZnOH+ + OH- ZnOH+ H2O Zn2+ + OH-
H3PO4
H2O
H+ + H2PO4-
H2O
H2PO4- H+ + HPO42-
HPO42-
H2O
H+ + PO43-
Prawo rozcieńczeń Ostwalda:
Określa zależność pomiędzy stałą dysocjacji słabego elektrolitu Kd, stopniem dysocjacji α a stężeniem molowym elektrolitu.
1 C 2
Kd
C 2
Kd lub przekształcając:
C K
Stopień dysocjacji jest odwrotnie proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego ze stężenia elektrolitu.
Wyprowadzenie wzoru:
W roztworze słabego elektrolitu AB o stężeniu C0 = C oraz stopniu dysocjacji α:
[A+] = [B-] = Czdysocj.
0 .
C Czdysocj
więc: [A+] = [B-] = C0 ∙ α [AB] = C0 – Czdysocj. = C0 – C0 ∙ α
1 ) 1 (
2 0 0
2 2 0 0
0 0
0 C
C C C
C C Kd C
Uproszczony wzór prawa rozcieńczeń Ostwalda można zastosować gdy wartość (1-α) ≈ 1
dla: 400
Kd
C lub 5% ( 0,05) wtedy wzór przyjmuje postać: Kd C 2
Zadania:
1. Oblicz stopień dysocjacji elektrolitu, wiedząc, że w roztworze znajduje się 0,3 mola cząsteczek zdysocjowanych i 0,9 mola cząsteczek, które nie uległy dysocjacji jonowej.
2. Oblicz stężenie jonów wodorowych w 0,4 molowym roztworze kwasu fluorowodorowego, dla którego stała dysocjacji wynosi 6,3 ∙10-4.
3. Oblicz stałą dysocjacji kwasu jednoprotonowego, jeżeli w 1,5 molowym roztworze tego kwasu stopień dysocjacji wynosi 3%.
4. Oblicz stężenie roztworu kwasu metanowego (HCOOH), którego stopień dysocjacji wynosi 3% a stała dysocjacji tego kwasu Kd = 1,8 ∙ 10-4. Zapisz wyrażenie na stałą dysocjacji dla tego kwasu.
5. Oblicz stopień dysocjacji kwasu butanowego (masłowego) o wzorze CH3-CH2-CH2-COOH w roztworze o stężeniu 0,06 mol/dm3 i stałej dysocjacji równej Kd = 1,5 ∙ 10-5. Zapisz reakcję dysocjacji jonowej tego kwasu i wyrażenie na stałą dysocjacji.
6. Oblicz jaki jest stopień dysocjacji α elektrolitu, jeśli na 30 cząsteczek wprowadzonych do roztworu 6 cząsteczek tego elektrolitu uległo reakcji dysocjacji.
7. Oblicz stopień dysocjacji zasady M(OH)2 jeśli w jej wodnym roztworze znajduje się 0,03 mola jonów wodorotlenowych i 0,07 mola cząsteczek niezdysocjowanych.
8. Ułóż równania dysocjacji elektrolitycznej podanych substancji:
HBr, H2SO4, HNO3, H4P2O7, Ca(OH)2, Fe(OH)2, Al(OH)3, CaF2, Cr2(SO4)3, K3PO4, CaCl2, CH3COOH, (NH4)2SO3, Sn(OH)4, HCN
9. Uzupełnij równania dysocjacji stopniowej:
... H+ + HS- HS- ... + S2- a)
b) H4P2O7 ... + H3P2O7-
H3P2O7- H+ + ...
... H+ + ...
... ... + P2O74- c) ... Cr(OH)2+ + OH-
... CrOH2+ + OH- CrOH2+ ... + OH-
