38. Równowagi jonowe w roztworach wodnych (dysocjacja, iloczyn jonowy wody, pH, indykatory pH, roztwory buforowe).

DYSOCJACJA ELEKTROLITYCZNA

Jest to rozpad substancji na jony pod wpływem rozpuszczalnika polarnego.

W wyniku procesu powstaje roztwór przewodzący prąd.

Substancje ulegające dysocjacji nazywamy elektrolitami.

Przewodnictwo elektrolitu jest przewodnictwem jonowym związanym z ruchem kationów i anionów w polu elektrycznym.

Zdolność substancji do dysocjacji zależy od jej polarności oraz polarności rozpuszczalnika. Im silniej spolaryzowana cząsteczka tym łatwiej ulega ona rozpadowi na jony w rozpuszczalniku polarnym.

Nie wszystkie substancje rozpadają się w jednakowym stopniu na jony. Niektóre cząsteczki o silnych, słabo spolaryzowanych wiązaniach atomowych w ogóle nie ulegają dysocjacji - nazywamy je nieelektrolitami.

RÓWNOWAGA DYSOCJACJI

W roztworach elektrolitów część cząsteczek rozpada się częściowo na jony i proces ten można opisać równowagą chemiczną:

AnBm nA^m+ + mB^n-

Dla takiej reakcji odwracalnej można zapisać wyrażenie na stałą równowagi,, która w tym przypadku nosi nazwę stałej dysocjacji

Ka = [A^m+]ⁿ * [B^n-]^m / [AnBm]

Im większa wartość Ka (stałej dysocjacji) tym bardziej substancja jest zdysocjowana w roztworze.

STOPIEŃ DYSOCJACJI

Jest to stosunek ilości cząsteczek substancji, które rozpadły się na jony do całkowitej (rozpuszczonej) ilości cząsteczek.

Stopień dysocjacji jest liczbą bezwymiarową mieszczącą się w przedziale <0,1>.

Elektrolity mocne - wartość α zbliżona do jedności.

Elektrolity słabe - ich α jest bardzo mały, na ogół mniejsze od 0,1.

PRAWO ROZCIEŃCZEŃ OSTWALDA

Jest to zależność pomiędzy stopniem dysocjacji a stałą dysocjacji.

Dla elektrolitów słabych, gdy a<<1 równanie to można przedstawić w formie uproszczonej:

lub
- równanie to podaje zależność stopnia dysocjacji słabego elektrolitu od stężenia.

DYSOCJACJA WIELOSTOPNIOWA

Dla cząsteczek o skomplikowanej budowie jonowej zbudowanych z jonów wielowartościowych AnBm, dysocjacja przebiega w wielu etapach i każdy etap można opisać odpowiednimi cząstkowymi reakcjami równowagi

Poszczególnym etapom można przypisać cząstkowe stałe równowagi K₁, K₂, K₃.....K_i. Stała równowagi całkowitej dysocjacji K jest iloczynem cząstkowych stałych równowagi K_i:

ILOCZYN JONOWY WODY

Jest to iloczyn stężenia jonów wodorowych i jonów hydroksylowych. W temperaturze

20^oC iloczyn ten wynosi

[H⁺] [OH^-] = 10^-14

( iloczyn jonowy - to iloczyn stężeń jonów, na które ulega dysocjacji dana substancja chemiczna; z uwzględnieniem współczynników chemicznych z równania dysocjacji.)

Auto-dysocjacja wody:

H₂0+H₂0 H₃0⁺ + OH^-

H₃0⁺ (jon hydroniowy)

OH^- (jon hydroksylowy)

Reakcję można uprościć odejmując jedną cząsteczkę H₂0

H₂0 H⁺ + OH^-

Stała równowagi

K = [H⁺] [OH^-] / [H₂0]

Ponieważ stężenie cząsteczek H₂0 jest praktycznie stałe, równanie można zapisać

K * H₂0 = [H⁺] [OH^-]

Iloczyn 2 wielkości stałych:

K = 1,8 * 10^-16 mol/dm³

[H₂0] = 1000g/18g = 55,5 mol/dm³

jest wielkością stałą i nosi nazwę iloczynu jonowego wody.

pH

Za miarę kwasowości przyjęto wartość pH - to jest ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia (lub dokładniej biorąc aktywności) jonów wodorowych.

pH = -log[H⁺]

Granice tego stężenia wyznaczone są wielkościami stałych dysocjacji odpowiednich równowag auto-dysocjacji poszczególnych rozpuszczalników.

Dla H₂0 stężenie jonów wodorowych może się zmienić w przedziale od 0 do 10^-14

Dla czystej wody stężenie jonów wodorowych jest równe stężeniu jonów hydroksylowych co wynika z reakcji dysocjacji H₂0

[H⁺] = [OH^-] = 10^-7 mol/dm³

Roztwór, w którym stężenie [H⁺] = [OH^-] nazywamy roztworem obojętnym.

W roztworach kwaśnych stężenie [H₃0⁺] > 10^-7 mol/dm³

W roztworach zasadowych stężenie [H₃0⁺] < 10^-7 mol/dm³

Dla roztworów rzeczywistych definicję pH należy wyrazić poprzez aktywność jonów wodorowych

a wobec tego

Skala kwasowości jest ściśle związana z wielkością stałej równowagi auto-dysocjacji danego rozpuszczalnika.

Nie ma uniwersalnej skali pH mającej zastosowanie we wszystkich rozpuszczalnikach.

Każdemu rozpuszczalnikowi można przypisać inną skalę pH co przedstawiono.

INDYKATORY pH

Wskaźniki (indykatory pH) - są to przeważnie słabe kwasy lub zasady organiczne, których cząsteczka w postaci niezdysocjowanej ma inne zabarwienie niż powstający w wyniku dysocjacji produkt.

stężenia jonów lub pH, pOH	odczyn kwaśny	odczyn obojętny	odczyn zasadowy
lakmus	odczyn kwaśny	odczyn obojętny	odczyn zasadowy
fenolo-ftaleina	odczyn kwaśny	odczyn obojętny	odczyn zasadowy
oranż metylowy	odczyn kwaśny	odczyn obojętny	odczyn zasadowy

ROZTWORY BUFOROWE

Roztworami buforowymi nazywamy roztwory zachowujące stałe pH i nieczułe na niewielkie dodatki kwasów i zasad. Są to przeważnie roztwory słabych kwasów i ich soli lub słabych zasad i ich soli.

Działanie roztworu buforowego sporządzonego w oparciu o słaby kwas HA i sprzężony z tym kwasem anion A^- (zasadę zgodnie z definicją Brönsteda) polega na wiązaniu nadmiaru jonów H⁺ i OH^- w wyniku reakcji:

pH takiego roztworu buforowego możemy ustalić dobierając odpowiednio stężenie słabego kwasu HA i sprzężonej z nim zasady A^- posługując się stałą równowagi dla reakcji dysocjacji kwasu:

z definicji

---