PODSTAWY CHEMII
INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Wykład 2
Plan wykładu
Woda jako rozpuszczalnik
Zjawisko dysocjacji
Równowaga w roztworach elektrolitów i
co z tego wynika
2
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Roztwory (wodne)- przypomnienie
Roztwory są to mieszaniny jednorodne złożone z dwóch
lub więcej składników (różnych związków chemicznych)
Zwykle ten ze składników, którego jest więcej, bywa
nazywany rozpuszczalnikiem, a ten drugi substancją
rozpuszczoną
Zawartość substancji rozpuszczonej definiujemy jako
stężenie:
stężenie procentowe, masa (ilość gramów) substancji
rozpuszczonej zawarta w 100 g roztworu
stężenie molowe, liczba moli substancji zawarta
w 1 dm3 roztworu
ułamek molowy (wagowy)
Obowiązkowo obliczenia związane ze stężeniami
3
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Terminologia
Nienasycony: to taki roztwór, w którym w
danych warunkach ciśnienia i temperatury
można rozpuścić jeszcze pewną ilość substancji.
Nasycony: to taki, w którym w danej
temperaturze w danej ilości rozpuszczalnika nie
da się już rozpuścić więcej substancji
rozpuszczonej
Przesycony: roztwór o stężeniu większym od
stężenia roztworu nasyconego w danej
temperaturze. Roztwory przesycone są
przykładami substancji w stanie
termodynamicznym niestabilnym metatrwałym.
4
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Własności wody (1)
-2d
wzór sumaryczny H2O (Henry
Cavendish 1781)
O
strukturalny-cząsteczka wody jest
nie jest liniowa
H
H
wiązanie w grupach O-H jest
d
d
kowalencyjne
pary elektronów w każdym wiązaniu
O-H wody nie są równomiernie
rozłożone pomiędzy dwoma atomami
Wiązanie
elektrony w każdym wiązaniu O-H
kowalencyjne
są przesunięte w stronę atomu
tlenu i jego wolnych par
atom tlenu zyskuje nieduży
dodatkowy ładunek ujemny (-2d)
a atomy H dodatkowy ładunek
dodatni (+d)
5
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Własności wody (2)-Konsekwencje budowy dipolowej
Cząsteczki wody są polarne
Moment dipolowy wody = 1,85 D (1 D = 3,3310-30 Cm)
Stała dielektryczna wody = 80 (w 20 C)
Oddziaływanie elektrostatyczne cząsteczek wody
to wzajemne przyciąganie się lub odpychanie
cząsteczek o trwałym rozkładzie ładunku
elektrycznego np. 2 jonów lub jonu i trwałego dipola.
ż z innymi cząsteczkami wody-wiązanie wodorowe
ż z cząsteczkami polarnymi
ż z jonami
6
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Elektrolity i dysocjacja elektrolityczna
Elektrolity
związki, które w stanie stopionym lub
w roztworach wodnych przewodzą
prąd elektryczny (Arrhenius 1886)
nośnikami ładunku elektrycznego w
elektrolitach są jony, czyli atomy lub
grupy atomów posiadające wypadkowy
ładunek elektryczny
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
7
Elektrolity i dysocjacja elektrolityczna
Dysocjacja elektrolityczna
samorzutny rozpad cząsteczek elektrolitu na
jony pod wpływem rozpuszczalnika
rozpad na jony może być całkowity lub
częściowy (elektrolity mocne lub słabe)
wielkość rozpadu na jony określa stopień
dysocjacji ą:
n c
ą = =
co
no
gdzie:
ą - stopień dysocjacji (0 d"a d"1)
c stężenie molowe jonów powstałych w wyniku dysocjacji,
co - początkowe stężenie molowe elektrolitu
8
Inżynieria Biomedyczna, I rok
2011-10-24
Mechanizm dysocjacji elektrolitycznej
Ew=Eat+Ejon
Energia
wiązania
d
Składowa atomowa Eat:
występowanie molekularnego
orbitalu wiążącego
Składowa jonowa Ejon:
Ew
występowanie oddziaływania
elektrostatycznego
Eat
q1q2
1
Ejon
Ejon
4Ą o rd
er
Mechanizm dysocjacji elektrolitycznej
Ew=Eat+Ejon
w powietrzu e=1 w wodzie e=80
Ejon(e=1)>Ejon(e=80)
E w(e=1)>E jon(e=80)
er
Solwatacja-
orientacja cząsteczek rozpuszczalnika
12
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Jak związki jonowe rozpuszczają się w
wodzie?
Reakcje zachodzące na skutek rozpuszczania:
solwatacja (której szczególnym przypadkiem
jest hydratacja) - polega na otaczaniu przez
cząsteczki rozpuszczalnika, cząsteczek związku
rozpuszczanego.
Dysocjacja elektrolityczna - polega na
samorzutnym rozpadzie związków chemicznych
na jony.
tworzenie i zrywanie układu wiązań wodorowych
13
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Warunki zachodzenia dysocjacji
Rozpuszczalnik musi mieć odpowiednio dużą
wartość względnej przenikalności dielektrycznej
(warunek konieczny ale niewystarczający !!!)
Rozpuszczona substancja musi posiadać w swoich
cząsteczkach wiązanie jonowe lub atomowe
spolaryzowane
Rozpad cząsteczek na jony przy spełnieniu
powyższych warunków zachodzi w wyniku zderzeń
termicznych, efektów orientacji dipoli
rozpuszczalnika wokół dysocjujących cząsteczek,
a także na skutek złożonych oddziaływań między
cząsteczkami rozpuszczalnika i substancji
rozpuszczonej.
14
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
a związki niejonowe?
Etanol C2H5OH
polarna grupa OH może tworzyć połączenie
(wiązanie wodorowe) z cząsteczkami wody
15
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Roztwory elektrolitów
Wiązanie w Moc elektrolitu
cząsteczce przed
elektrolity mocne elektrolity słabe
rozpuszczeniem
a1 a<<1
jonowe NaCl, KNO3 -
kowalencyjne- HCl, HNO3 NH3(aq), CH3COOH
spolaryzowane
17
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Dysocjacja zasad, kwasów i soli
Równania dysocjacji muszą spełniać ogólne warunki dla
równań reakcji
Dysocjacja kwasów - kationy wodorowe i aniony reszty
kwasowej:
H2O
H2O
HCl H+ + Cl-
CH3COOH H+ + CH3COO-
H2O
-
HNO3 H+ + NO3
Dysocjacja wielostopniowa
H2O
-
H2CO3 H+ + HCO3
H2O
- 2-
HCO3 H+ + CO3
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
19
Dysocjacja zasad
Dysocjacja zasad - kationy metalu i aniony grup
wodorotlenowych
Me(OH)n = Men+ + nOH-
NaOH Na+ + OH-
+
NH3 + H2O NH4 + OH-
+
Al(OH)3 Al(OH)2 + OH-
+
Al(OH)2 Al(OH)2+ + OH-
Al(OH)2+ Al3+ + OH-
Efektem dysocjacji kwasów jest pojawienie się kationów
wodorowych, skutkiem dysocjacji zasad - pojawienie się
w roztworze anionów wodorotlenowych
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
20
Dysocjacja soli
Większość soli należy do elektrolitów
mocnych
Sole rozpadają się na kation(y) metalu i
anion(y) reszty kwasowej:
NaCl Na+ + Cl-
PbI2 Pb2+ + 2I-
2-
BaSO3 Ba2+ + SO3
2-
Fe2(SO4)3 2Fe3+ + 3SO4
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
21
Stała dysocjacji
KD stała równowagi reakcji dysocjacji
elektrolitu słabego
Dla wielostopniowej reakcji dysocjacji każdy
etap charakteryzuje stała równowagi
H2O
-
[H+ ][HCO3 ]
-
H2CO3 H+ + HCO3 K1 =
[H2CO3]
H2O
-
[H+ ][[CO3 ]
- 2-
HCO3 H+ + CO3 K2 =
-
[HCO3]
H2O
-
H2SO4 H+ + HSO4
!!
H2O
-
[H+ ][[SO4 ]
- 2-
!!
HSO4 H+ + SO4 K2 =
-
[HCO4 ]
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
22
Prawo rozcieńczeń Ostwalda
AB A+ + B-
c
cr(AB) cr(A) cr(B)
ą =
c0
c0 - c0ą c0ą c0ą
c0ą c0ą
cr(A) cr(B)
KD =
KD =
c0 - c0ą
cr(AB)
ą << 1
c0ą2
KD =
KD = c0ą2
1 - ą
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
23
Od czego zależy stopień dysocjacji?
a
Od stężenia
1
c
a
Od temperatury
1
T
Od rodzaju rozpuszczalnika: Jeżeli ta sama substancja
rozpuszcza się w różnych rozpuszczalnikach, to jej stopień
dysocjacji (przy tym samym stężeniu i w tej samej temperaturze)
jest tym większy im większa jest przenikalność dielektryczna
rozpuszczalnika
24
2011-10-24
Inżynieria Biomedyczna, I rok
Autodysocjacja wody
& to samorzutna dysocjacja elektrolityczna cząsteczek
H2O zachodząca w wodzie ciekłej. Autodysocjacja jest
możliwa gdyż cząsteczki wody mają budowę polarną.
H2O H+ + OH-
następuje przeniesienie protonu z jednej
cząsteczki wody do drugiej
2H2O H3O+ + OH-
jon
hydroksylowy
jon hydroniowy
Jony H+ nie istnieją samodzielnie w roztworze,
gdyż pojedynczy proton wytwarza bardzo silne pole
elektryczne i jest zawsze otoczony przez dipole
wody
Autodysocjacja wody (cd)
Stała dysocjacji wody KD:
[H3O+] [OH-]
KD =
[H2O]2
55.6 moldm-3
KD [H2O]2 = [H3O+] [OH-] = const = KW
Kw - iloczyn jonowy wody
KW=10-14 w temperaturze 25 oC
Reakcja dysocjacji wody jest reakcją endotermiczną :
T KW
wykładnik jonów wodorowych (Sorensen, 1909)
pOH = -log[OH- ]
pH = -log[H+ ]
Wykładnik jonów wodorowych pH
W każdym roztworze wodnym zawsze ustala się stan
równowagi wynikający z autodysocjacji wody
w temperaturze 25 oC
pH+pOH=14
[H+ ] [OH- ] = 10-14
W czasie dysocjacji kwasów pojawiają się jony
wodorowe (hydroniowe), a w czasie dysocjacji zasad
jony wodorotlenowe.
Jony te powodują przesunięcie stanu równowagi
reakcji dysocjacji w kierunku zgodnym z regułą
przekory.
Odczyn roztworów-skala pH
10-13 10-10 10-8 10-5 10-2
[H+]
Skala
pH
Odczyn zasadowy obojętny kwaśny
10-1 10-4 10-6 10-9 10-12
[OH-]
Wzrost [H+]
Wzrost [OH-]
Teoria elektrolitów mocnych: wprowadzenie
Struktura kationu w
roztworze wodnym
Atmosfera jonowa
32
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Roztwór rozcieńczony
Roztwór stężony
Pary
jonowe
33
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
Teoria elektrolitów mocnych
Mocne elektrolity są całkowicie zdysocjowane
niezależnie od stężenia roztworu
Obserwowane odstępstwo od obrazu pełnej
dysocjacji (np. zmniejszenie przewodnictwa) ze
wzrostem stężenia spowodowane jest
oddziaływaniem pomiędzy różnoimiennymi ładunkami
jonów oraz zjawiskiem hydratacji jonów
W stężonych roztworach mocnych elektrolitów
tworzą się tzw. pary i triplety jonowe
co powoduje że liczba swobodnych jonów w
roztworze ulega dodatkowemu zmniejszeniu
Aktywność i współczynnik aktywności
Aktywność jonu a - kinetyczne zachowanie jonu w
roztworze o rzeczywistym stężeniu molowym c
odpowiada kinetycznemu zachowaniu jonów w
hipotetycznym roztworze o stężeniu a
a= f c
f - współczynnik aktywności
Miarą oddziaływań wszystkich obecnych w roztworze
jonów jest siła jonowa I (zależność empiryczna)
Aadunek jonu
n
2
I = 0.5
cz
i i
i=1
Stężenie
molowe jonu
Aktywność i współczynnik aktywności (cd)
Prawo graniczne Debye-Hckla (dla Id" 0.1)
Dla I Ł 0.1
- 0.509zi2 I
logfi =
1 + aB I
Dane tablicowe,
charakterystyczne dla
Dla I Ł 0.01
danego jonu
logfi = -0.509zi2 I
Dla I>0.1 skomplikowane obliczenia: nie
będziemy się tym zajmować
Co wiemy o współczynniku aktywności f ?
współczynnik aktywności f zależy:
od rodzaju jonów, ich ładunku i stężeń
nie jest wprost proporcjonalny do stężenia
współczynnik aktywności f przyjmuje wartości
f(0, 1> (zazwyczaj!!!)
substancja 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0
mol/dm3 mol/dm3 mol/dm3 mol/dm3 mol/dm3
HNO3 0.739 0.549 0.443 0.333 0.269
NaOH 0.766 0.690 0.678 0.708 0.784
MgCl2 0.531 0.514 0.616 1.43 2.1
2011-10-24 Inżynieria Biomedyczna, I rok
37
Dysocjacja elektrolitu mocnego
Dysocjacja mocnego kwasu w jego roztworach:
H2O
HCl + H2O H3O+ + Cl-
stężenie kwasu [H3O+]=[Cl-] pH
ą
0.1 (10-1) 1 0.1 (10-1) 1
0.01 (10-2) 1 0.01 (10-2) 2
0.001 (10-3) 1 0.001 (10-3)
3
10-4 1 10-4 4
Dysocjacja elektrolitu słabego (1)
Dysocjacja słabego kwasu o stężeniu cK:
-
HRS + H2O H3O+ + RS
ck - cką cką
cką
Ustala się równowaga dysocjacji, i można
zastosować prawo rozcieńczeń Ostwalda:
-
[H3O+] [RS] ą2 ck
KD = ;KD = ;[H3O+] = ą ck
[HRS] 1 - ą
Dysocjacja elektrolitu słabego (2)
Dysocjacja słabego kwasu w jego roztworach:
CH3COOH + H2O Ź H3O+ + CH3COO-
[H3O+] [CH3COO-] ą2 ck
K = = = 1,8 10-5
d
[CH3COOH] 1 - ą
[H3O+] = [CH3COO-] = ą ck
ą << 1,Kd ą2ck
ą2 ck + KD ą - KD = 0
KD KD
Kd
ą2 + ą - = 0
ą
ck ck
ck
Dysocjacja elektrolitu słabego (3)
pH roztworów kwasu octowego
[H+]=cą
stężenie
a pH
kwasu
[CH3COO-] =cą
1 0,0042 4,23 10-3 2,37
0,1 (10-1) 0,0133 1,33 10-3 2,87
0,01 (10-2) 0,0415 4,15 10-4 3,38
0,001 (10-3) 0,125 1,25 10-4
3,90
10-4 0,344 3,44 10-5 4,46
Równowaga dysocjacji
pH w funkcji stężenia
kwas octowy kwas solny
5
4
pH
3
2
1
0
0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1
C[M/dm-3]
Równowagi w roztworach elektrolitów (II)
Efekt wspólnego jonu
Jeżeli w roztworze znajdują się dwa
elektrolity o wspólnym jonie, to następuje
cofnięcie dysocjacji słabego elektrolitu:
-
HRm + H3O H3O+ + Rm
-
HRs + H3O H3O+ + Rs
Stężenie jonów H3O+ jest praktycznie równe
stężeniu mocnego elektrolitu, a ponieważ
występuje we wzorze na stałą równowagi
dysocjacji elektrolitu słabego, wpływa na jego
stopień dysocjacji.
Efekt wspólnego jonu (2)
Jeśli w roztworze znajduje się równocześnie mocny
kwas (HCl) o stężeniu cm=0,1 M oraz słaby kwas
(CH3COOH) o stężeniu cs=0,1 M, to:
HCl + H2O H3O+ + Cl-
CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-
cH O+ cCH COO-
cm cCH COO-
3 3
3
KCH COOH
3
cCH COOH
cCH COOH
3
3
UWAGA! W rzeczywistości stężenie jonów wodorowych
jest sumą cm i stężenia jonów octanowych
Efekt wspólnego jonu (3)
Stopień dysocjacji kwasu octowego w
roztworze z kwasem solnym i bez niego:
@ą, stopień
cm cs ą dla czystego
dysocjacji
0,1 0,1 0,00002 0,0133
0,01 0,1 0,00018 0,0133
0,0133
0,001 0,1 0,00156
0,0001 0,1 0,00376 0,0133
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
IB wyk1 11TWN? 11 WYK2 wyladowania w gazach11 (311)ZADANIE (11)Psychologia 27 11 2012359 11 (2)11PJU zagadnienia III WLS 10 11Wybrane przepisy IAAF 10 11więcej podobnych podstron