Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
X. RÓWNOWAGI W ROZTWORACH WODNYCH
ELEKTROLITÓW. KWASY, ZASADY i SOLE.
1. Elektrolity
Elektrolitem nazywamy substancję, która
rozpuszczajÄ…c siÄ™ w wodzie lub innym rozpuszczalniku
polarnym ulega dysocjacji elektrolitycznej czyli
rozpadowi na jony, tj. kationy i aniony.
Roztwory wodne elektrolitów (chlorek sodu, kwas solny,
wodorotlenek sodu) - przewodzÄ… prÄ…d elektryczny
Roztwory wodne nieelektrolitów (cukier, alkohol
etylowy) - nie przewodzÄ… prÄ…du elektrycznego
Dysocjację elektrolityczną charakteryzuje ilościowo
stopień dysocjacji, ą
Ä…:
Ä…
Ä…
liczba czastek zdysocjowa nych
Ä… =
Ä…
Ä…
Ä…
liczba czastek przed dysocjacjÄ…
O d" Ä… d" d" Ä… d" 100%
d" Ä… d" 1 O d" Ä… d"
d" Ä… d" d" Ä… d"
d" Ä… d" d" Ä… d"
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Je\
eli w roztworze wodnym stÄ™\
enie elektrolitu
c H"
H" 0,1 M:
H"
H"
mocne Ä…
Ä… = 1
Ä…
Ä…
Elektrolity
słabe ą
Ä… << 1
Ä…
Ä…
Mocnymi elektrolitami sÄ…:
- sole (np. CaCl2, KNO3, Na2SO4)
- niektóre kwasy (np. HCl, HNO3, H2SO4, HClO4)
- niektóre wodorotlenki (np. NaOH, KOH, Ca(OH)2)
Związki chemiczne, które są mocnymi kwasami lub
wodorotlenkami, posiadajÄ… wiÄ…zania chemiczne
pomiędzy wodorem lub grupą wodorotlenową a resztą
czÄ…steczki o przewa\
ajÄ…cym jonowym charakterze.
W przypadku soli wiązania pomiędzy kationem
i anionem sÄ… w przewa\
ającej części w 100% jonowe.
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
2. Woda jako rozpuszczalnik
Woda jest przykładem rozpuszczalnika polarnego.
Budowa czÄ…steczki H2O:
O
101 pm
ż
ż
ż
105 ż
105
105
105
163 pm
H H
Sposoby przedstawiania czÄ…steczki H2O:
H H
O
+
+
CzÄ…steczka wody ma charakter dipola elektrycznego!
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Proces rozpuszczania w wodzie substancji o budowie jonowej
na przykładzie chlorku sodu (NaCl):
Cl-
Na+
Cl-
Cl-
Na+
Na+
Cl- Na+ Cl-
Na+
czÄ…steczka wody
Ka\
dy jon uwolniony z sieci krystalicznej otaczany
jest przez kilka czÄ…steczek wody  zjawisko to nosi
nazwÄ™ hydratacji.
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Silna hydratacja dla jonów o du\
ej wartości potencjału
jonowego, tj. Zi / ri,
(Zi  ładunek jonu, ri  promień jonu)
np. Cr3+
[Cr(H2O)6]3+


Słaba hydratacja anionów, np. Cl-, NO3-,
Hydratacja jonu wodorowego (H+):
H+ + H2O = H3O+
H+ + 4H2O = [H9O4]+
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Hydratacja jonu wodorotlenowego (OH- ):
OH- + 3H2O = [H7O4]-
3. Równowagi w roztworach wodnych słabych
elektrolitów
KA Ô!
Ô! K+ + A-
Ô!
Ô!
cK + cA-
+ -
+ -
+ -
Å"
Å"
Å"
Å"
+ -
+ -
+ -
+ -
c0 c0 = [K ][A ]
K = =
= =
= =
=
c
cKA
[KA]
c0
gdzie : Kc - stÄ™\
eniowa stała równowagi (stała
dysocjacji), jest const. dla danej temperatury,
+ -
cK , cA , cKA - równowagowe stę\
enia molowe.
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
4. Dysocjacja słabych kwasów i zasad wg. teorii
Arrheniusa
SÅ‚aby kwas:
HA Ô! H+ + A-
Ô!
Ô!
Ô!
[H+][A-]
=
K
a
[HA]
a - kwas (acid)
Jeśli w roztworze nie ma innych elektrolitów poza HA:
+ -
+
+
+
[H ] = [A ] = cH +
=
=
=
+
+
+
[HA ] = cp - cH +
= -
= -
= -
+
+
+
HA
c2 +
+
+
+
H
K =
=
=
=
a
cp - cH +
-
-
-
+
+
+
HA
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
gdzie:
cp - stÄ™\
enie poczÄ…tkowe (analityczne) kwasu,
HA
cH+ - stÄ™\
enie jonów H+ w stanie równowagi.
Wprowadz
my stopień dysocjacji (ą
Ä…):
Ä…
Ä…
H+
Ä… = cp
Ä…
Ä…
Ä…
cHA
Ä… Å"
Ä… Å"
Ä… Å"
cH+ = Ä… Å" cp A
StÄ…d :
H
StÄ™\
enie poszczególnych form jonowych wynoszą:
HA H+ A-
cp
na poczÄ…tku 0 0
HA
- Ä…cp + Ä…cp + Ä…cp
- Ä… + Ä… + Ä…
- Ä… + Ä… + Ä…
- Ä… + Ä… + Ä…
przereagowało
HA HA HA
cp - Ä…cp Ä…cp Ä…cp
- Ä… Ä… Ä…
- Ä… Ä… Ä…
- Ä… Ä… Ä…
w stanie równowagi
HA HA HA HA
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Å"
Å"
Å"
Ä…
Ä…2 Å" cp
Ä…
Wi ęc : Ka = ą HA
1 - Ä…
Ä…
Ä…
Ä…
Je\
eli Ä… HA
Ä… << 1:
Ä… Å"
Ä… = Ä…2 Å" cp
Å"
Å"
Ä…
K Ä…
Ä…
a
1
Ä…
Ä…
Ä…
Ä…
0
1/c
Jest to prawo rozcieńczeń Ostwalda
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
W roztworach słabych elektrolitów wraz
z rozcieńczaniem roztworu wartość stopnia dysocjacji
zbli\
a się (asymptotycznie) do jedności.
SÅ‚aba zasada:
BOH Ô!
Ô! B+ + OH-
Ô!
Ô!
2
cOH-
Ä…
Ä…2 cp
Ä…
= = Ä… BOH
K
b
1 - Ä…
Ä…
Ä…
Ä…
cp - cOH-
BOH
b - zasada (base)
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
5. Dysocjacja wody
Woda ulega równie\
dysocjacji elektrolitycznej:
H2O Ô!
Ô! H+ + OH-
Ô!
Ô!
W zwykłych warunkach ciśnienia i temperatury stopień
dysocjacji wody jest bardzo niski.
Stała równowagi:
[H +][OH -]
K =
[H 2 O]
Ale [H2O] w wodzie jest stałe i w temperaturze 298 K
wynosi:
3
997 g/
dm
3
cH 2O =
= 55,4 mol/dm
18,01 g/mol
[H2O] = 55,4 M
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Wówczas:
+ -
+ -
+ -
Kw = K[H2O] = [H+ ][OH- ] = cH+ Å"cOH-
= = = Å"
= = = Å"
= = = Å"
+ -
+ -
+ -
Kw - iloczyn jonowy wody
Po zlogarytmowaniu:
log Kw = log[H+] + log[OH-]
- log Kw = - log[H+] - log[OH-]
Zdefiniujmy:
pH = - log[H+] pOH = -log[OH-]
pKw = - logKw
StÄ…d:
pH + pOH = pKw
pKw (Kw) zale\
y tylko od temperatury i siły jonowej
roztworu.
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Roztwory obojÄ™tne pH = pOH = ½pKw, [H+] = [OH-]
kwaÅ›ne pH < ½pKw czyli [H+] > [OH-]
zasadowe pH > ½pKw czyli [H+] < [OH-]
Iloczyn jonowy wody dla I = 0 w temp. 25 0C wynosi
1,00Å"
Å"10-14, czyli pKw = 14,00
Å"
Å"
W tych warunkach:
roztwory kwaśne pH < 7,0
roztwory zasadowe pH > 7,0
roztwory obojętne pH = 7,0
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Wartości pH wybranych roztworów wodnych:
14
pH
0
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
6. Wodorotlenki
Wodorotlenkami nazywa siÄ™ zwiÄ…zki nieorganiczne,
w których we wzorze wyró\
nia siÄ™ kation metalu lub
kation amonowy (NH4+) oraz grupÄ™ wodorotlenowÄ… (OH-).
Np: NaOH, Ca(OH)2, Al(OH)3, Fe(OH)3.
Wodorotlenki, których wodne roztwory mają odczyn
wyraz
nie zasadowy, nazywamy zasadami. SÄ… to
wodorotlenki mocne.
Np: NaOH, KOH, Ca(OH)2.
Ale zasadą jest równie\
wodny roztwór amoniaku
(NH3Å"H2O). Reakcje dysocjacji elektrolitycznej:
Å"
Å"
Å"
NaOH
Na+ + OH-


NH3 · H2O Ô!
Ô! NH4 + + OH-
Ô!
Ô!
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Wodorotlenki dzielimy na:
- wodorotlenki zasadowe - reagujÄ… tylko z kwasami;
np: NaOH, Ca(OH)2:
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O
- wodorotlenki amfoteryczne - reagujÄ… z kwasami
i zasadami;
np: Al(OH)3, Zn(OH)2.
Stechiometryczny zapis reakcji roztwarzania
wodorotlenku cynku w kwasach i zasadach:
Zn(OH)2 + 2HCl = ZnCl2 + 2H2O
Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4]
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
7. Sole
W wyniku reakcji kwasu z wodorotlenkiem
(tzw. reakcja zobojętnienia) powstają sole.
Przykłady:
HCl + NaOH = NaCl + H2O
chlorek sodu
2HNO3 + Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + H2O
azotan wapnia
H2SO4 + 2NH3H2O = (NH4)2SO4 + 2H2O
siarczan amonu
2H3PO4 + 3Mg(OH)2 = Mg3(PO4)2 + 6H2O
fosforan magnezu
Sole są związkami stałymi o budowie krystalicznej.
W węzłach ich sieci są kationy metali i aniony reszt
kwasowych.
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Sole mogÄ… te\
powstać w reakcjach:
- tlenek kwasowy + tlenek zasadowy
np: CO2 + CaO = CaCO3
- tlenek zasadowy + kwas
np: CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O
- tlenek kwasowy + zasada
np: SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O
Poznane tutaj sole są solami obojętnymi.
SÄ… te\
wodorosole i hydroksosole.
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Wodorosole (inaczej sole kwaśne) powstają przez
niecałkowite zobojętnienie kwasu wieloprotonowego
zasadą. Przykłady:
H2SO4 + NaOH = NaHSO4 + H2O
wodorosiaczan sodu
H3PO4 + Ca(OH)2 = CaHPO4 + 2H2O
wodorofosforan wapnia
2H3PO4 + Ca(OH)2 = Ca(H2PO4)2 + 2H2O
dwuwodorofosforan wapnia
Hydroksosole (inaczej sole zasadowe) powstajÄ…
przez niecałkowite zobojętnienie kwasem wodorotlenku
posiadającego więcej ni\
jedną grupę OH-. Przykłady:
Mg(OH)2 + HCl = Mg(OH)Cl + H2O
chlorek hydroksomagnezu
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Niektóre sole są bardzo trudno rozpuszczalne
w wodzie. Przykłady:
- większość siarczków np. CuS, HgS,
- większość fosforanów np. Ca3(PO4)2 ,
- niektóre chlorki np. AgCl,
- niektóre siarczany np. CaSO4.
8. Hydroliza soli
a) Odczyn roztworów wodnych
kwasów
kwaśny; pH < 7,0


zasad
zasadowy; pH > 7,0


Jaki jest odczyn roztworu wodnego soli - obojętny?
(1) NaCl
Na+ + Cl- pH = 7,0


(2) NH4Cl
NH4+ + Cl- pH < 7,0


(3) CH3COONa
CH3COO- + Na+ pH > 7,0


Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Dlaczego odczyn soli (2) i (3) nie jest obojętny?
PrzyczynÄ… jest zjawisko hydrolizy
Hydrolizą nazywamy proces rozkładu jakiejś substancji
(soli) następujący pod wpływem wody.
Ściślej: hydrolizie ulegają jony wywodzące
siÄ™ z danej soli.
I tak hydrolizie ulegajÄ… jony:
reakcja (2) NH4+
(3) CH3COO-
hydrolizie nie ulegajÄ… natomiast jony Na+ czy Cl-
1o NH4+ + H2O Ô!
Ô! NH3H2O + H+
Ô!
Ô!
odczyn słabo kwaśny
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
2o CH3COO- + H2O Ô!
Ô! CH3COOH + OH-
Ô!
Ô!
odczyn słabo zasadowy
3o NH4+ + CH3COO- + H2O Ô! Å"
Ô! NH3 Å" H2O + CH3COOH
Ô! Å"
Ô! Å"
Odczyn tego typu soli zale\
y od tego co jest
 mocniejsze , tj. kwas czy zasada:
W przypadku CH3COONH4: pKa = pKb, [H+] = [OH-] i dla
[H+] cH+ = Ka
=
[OH-]
cOH- K
b
dla pKw = 14,00 mamy: pH = 7,0
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.
 Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Inne jony ulegajÄ…ce hydrolizie:
Zn2+ + H2O = [ZnOH]+ + H+
Al3+ + H2O = [AlOH]2+ + H+
CO32- + H2O = HCO3- + OH-
Rozdział 10. Równowagi w roztworach wodnych elektrolitów. Kwasy. Zasady. Sole.