1
ELEKTROCHEMIA
I.
Iloczyn jonowy wody. Wykładnik wodorowy pH.
1. Obliczyć wykładnik wodorowy pH:
a) 0,050 M roztworu HCl,
b) 0,050 M roztworu KOH.
2. Obliczyć pH 0,002 M roztworu HNO3, przyjmując jego dysocjajcję za całkowitą.
2. Stężenie jonów wodorowych w roztworze równe jest 0,004 mol/dm3. Określić pH
roztworu.
3. Obliczyć stężenie jonów hydroniowych w roztworze, którego pH = 3,50.
4. Obliczyć stężenie jonów hydroniowych w roztworze, którego pH = 4,60.
5. Jakie jest stężenie jonów wodorotlenowych w roztworze, którego pH wynosi 10,8.
6. Obliczyć wykładnik pH dla 0,1 M roztworu kwasu octowego w temp 25°C, w której stała dysocjacji tego kwasu wynosi 1,8×10−5 mol/dm3.
7. Wykładnik wodorowy roztworu kwasu octowego zawierającego 0,02 mola CH3COOH w 1 dm3 wynosi 3,22. Obliczyć stopień dysocjacji kwasu octowego w tym roztworze.
8. Obliczyć pH 0,01 M roztworu kwasu octowego, którego stopień dysocjacji w tym roztworze wynosi 0,042.
9. Obliczyć pH roztworu, zawierającego w 1 dm3 0,1 g NaOH, przyjmując dysocjację ługu za całkowitą.
10. Jakie jest pH roztworu, który zawiera w 1 dm3 0,0051 g jonów OH−.
11. Obliczyć stężenia jonów hydroniowych i wodorotlenowych w roztworze, którego pH = 6,2.
12. Obliczyć stężenie jonów H+ i pH dla 0,5 M roztworu HCl, zdysocjowanego w 85%.
13. Ile jonów hydroniowych zawiera 1 cm3 roztworu, którego pH = 13.
14. Ile razy należy zmniejszyć lub zwiększyć stężenie jonów hydroniowych w roztworze, aby jego pH zwiększyło się o jedność?
15. Woda destylowana, kontaktująca się z powietrzem, zawiera w 1 dm3 1,35×10−5
mola CO2. Obliczyć pH wody, uwzględniając tylko pierwszy stopień dysocjacji kwasu węglowego, którego stała dysocjacji wynosi 3×10−7.
2
ELEKTROCHEMIA
W czystej wodzie, pozbawionej kwasów i zasad woda ulega dysocjacji w bardzo małym stopniu:
H2O + H2O ⇔ H3O + OH−
3
Pomiędzy wodą niezdysocjowaną, jonami wodorotlenowymi i wodorowymi ustala się równowaga, którą można opisać stałą równowagi ( wynikają cą z prawa działania mas) K’w = [c(OH−) ⋅ c(H3O+)]/[c(H2O) ⋅ c(H2O)]
Stężenia jonów OH− i H3O+ są tak małe w porównaniu ze stężeniem niezdysocjowanej wody, że nawet wielokrotne ich zwiększenie lub zmniejszenie praktycznie nie zmienia stężenia niezdysocjowanej wody. W związku z tym wartość c(H2O) można przyjąć za stałą i (pomnożyć przez nią ( iloczyn) obydwie strony równania) zapisać:
Kw = K’wc2(H2O) = c(OH−) ⋅ c(H3O+)
Kw = c(OH−) ⋅ c(H3O+)
Jest to iloczyn jonowy wody, przy czym stałość Kw jest tym ściślej zachowana, im roztwory są bardziej rozcieńczone.
W miarę wzrostu temperatury zwiększa się wartość iloczynu jonowego wody, przy czym w temp 25°C:
Kw = 1,0 ⋅ 10−14 (mol/dm3)2
Ponieważ w czystej wodzie stężenie obu rodzajów jonów jest jednakowe: c(H3O+) = c(OH−), a więc
c(H
−
×
3O+) =
K =
14
,
1 0 10
(mol/dm3)2 = 1,0×10−7 mol/dm3 oraz
w
c(OH−) = 1,0×10−7 mol/dm3
Dlatego znając stężenie jednego z jonów wody, łatwo jest obliczyć stężenie drugiego jonu:
10 1
− 4
10 1
− 4
c(H3O+) =
c(OH−) =
c(
−
OH )
c(
+
H O )
3
Natomiast w roztworach wodnych stężenie jonów H3O+ i OH− może być różne, ale iloczyn jonowy pozostaje stały w niezmienionej temperaturze. Jeżeli wzrośnie stężenie jonów H3O+ wskutek dodania kwasu, to odpowiednio zmaleje stężenie jonów OH−. I na odwrót nadmiar OH− spowoduje odpowiednie zmalenie stężenia jonów H3O+.
Stężenie jonów wodorowych przy przejściu od roztworów silnie kwaśnych do silnie zasadowych zmienia się o kilka lub kilkanaście rzędów. Np. roztwór HCl o stężeniu 0,1 mol/dm3 zawiera jony H3O+ w stężeniu 0,1 mol/dm3 a roztwór NaOH o stężeniu 0,1 mol/dm3 – w stężeniu 0,000000000001 mol/dm3. W związku z tym zamiast
4
stężenia jonów wodorowych podaje się logarytm odwrotności tego stężenia. Wartość taką oznacza się pH i jest to wykładnik wodorowy
1
pH = log
= −logc(H3O+), czyli c(H3O) = 10−pH
c(
+
H O )
3
Wykładnik wodorotlenowy pOH
1
pOH = log
= −logc(H3O+), czyli c(H3O) = 10−pH
c(
+
H O )
3
Definicja ścisła pH i pOH opiera się na aktywnościach jonów H3O+ i OH−. Jednak, podobnie, jak iloczyn jonowy wody, tak i wykładniki wodorowy i wodorotlenowy wyraża się za pomocą stężeń.
Dla czystej wody w temp. 25°C
pH = −lg(1,0×10−7) = 7
pOH = −lg(1,0×10−7) = 7
W temperaturze tej dla wszystkich roztworów wodnych słuszna jest zależność pH + pOH = 14,0