9. AUTODYSOCJACJA WODY, pH ROZTWORÓW. DYSOCJACJA KWASÓW I ZASAD.

• Autodysocjacja wody. Równania autodysocjacji z udziałem jonu H⁺ i H₃O⁺.

• Stała autodysocjacji wody. Iloczyn jonowy wody.

• Pojęcie pH i pOH. Wzory.

• Obliczanie pH dla roztworów kwasów i zasad (mocnych i słabych).

• Dysocjacja kwasów wieloprotonowych i zasad wielowodorotlenowych.

Wg Arrheniusa woda ulega autodysocjacji: H₂O H⁺ + OH^- H⁺ kation wodorowy

Wg Broensteda woda (amfolit) ulega autoprotolizie: H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH^-

H₃O⁺ kation hydroniowy

K = [H₃O⁺] ^. [OH^-] / [H₂O]²

K_w = K ^. [H₂O]² = [H₃O⁺] ^. [OH^-] = 10^-14 (mol/dm³)²

[H₃O⁺] = [OH^-] = 1,00 ^. 10^-7 mol/dm³

K = [H⁺] ^. [OH^-] / [H₂O]

K_w = K ^. [H₂O] = [H⁺] * [OH^-] = 10^-14 (mol/dm³)²

[H⁺] = [OH^-] = 1,00 * 10^-7 mol/dm³

czysta woda i roztwory obojętne: [H⁺] = 10^-7 mol/dm³, (odczyn obojętny, neutralny)

roztwory kwaśne: [H⁺] > 10^-7 mol/dm³, (odczyn kwaśny, kwasowy)

roztwory zasadowe: [H⁺] < 10^-7 mol/dm³. (odczyn zasadowy, alkaliczny)

pH = - lg[H⁺], pH = - lg[H₃O⁺], pH_a = -lg (a_H3O+),

pOH = - lg[OH^-],

pH + pOH = 14

dla kwasów słabych: [H⁺] = αc_kw pH = - lg(αc_kw)

dla kwasów silnych (c_kw > 4.5 ^. 10^-7mol/dm³): [H⁺] ≈ [H⁺]_{z kw.} ≈ c_kw pH = - lgc_kw

(c_kw ≤ 4.5 ^. 10^-7mol/dm³): [H⁺] = [H⁺]_{z kw.} + [H⁺]_{z wody},

pH = - lg[H⁺] gdzie[H⁺] obl. z równania:

[H⁺]² - c_kw[H⁺] -K_w = 0

(c_kw ≤ 2.2 ^. 10^-8mol/dm³): [H⁺] ≈ [H⁺]_{z wody} pH = -0.5 lgK_w = 7

dla zasad słabych: [OH^-] = αc_zas pH = 14 + lg(αc_zas)

dla zasad silnych (c_zas > 4.5 ^. 10^-7mol/dm³): [OH^-] ≈ [OH^-]_{z zas.} ≈ c_zas pH = 14 + lgc_zas

(c_zas ≤ 4.5 ^. 10^-7mol/dm³): [H⁺] = [H⁺]_{z zas.} + [H⁺]_{z wody},

pH =14 - pOH gdzie[OH^-] obl. z równania:

[OH^-]² - c_zas[OH^-] - K_w = 0

(c_zas ≤ 2.2 ^. 10^-8mol/dm³): [OH^-] ≈ [OH^-]_{z wody}

pH = 14 - pOH = -0.5 lgK_w = 7

H₂A ⇔ H⁺ + HA^- K₁ B(OH)₂ ⇔ B(OH)⁺ + OH^- K₁

HA^- ⇔ H⁺ + A^2- K₂ B)OH)⁺ ⇔ B²⁺ + OH^- K₂

H₂A ⇔ 2H⁺ + A^2- K = K₁K₂ B(OH)₂ ⇔ B²⁺ + 2OH^- K = K₁K₂

Zad.1.

Oblicz pH:

- kwasu solnego o stężeniu 0.1 mol/dm³

- kwasu ortofosforowego o stężeniu 0.1 mol/dm³ zakładając jego 100% dysocjację,

- kwasu octowego o stężeniu 0.1 mol/dm³ zakładając, że stopień dysocjacji α = 0.001.

Zad.2.

Oblicz pH:

- roztworu HCl o stężeniu 4.0x10^-6 mol/dm³ pH = - lgc_kw

- roztworu HCl o stężeniu 4.0x10^-7 mol/dm³ pH = - lg[H⁺], [H⁺]² - c_kw[H⁺] -K_w = 0

- roztworu HCl o stężeniu 4.0x10^-9 mol/dm³ pH = - 0.5 lgK_w = 7

Zad.3.

Oblicz pH:

- roztworu NaOH o stężeniu 0.0001 mol/cm³ pH =14 - pOH

- roztworu NaOH o stężeniu 2.0x10^-8 mol/dm³, pH =14 - pOH, [OH^-]²- c_zas[OH^-] -K_w = 0

Zad.4.

Oblicz pH roztworu kwasu azotawego, jeśli jego stężenie wynosi 0.015 mola/dm³, a stała dysocjacji K_A = 4.0x10^-4.

- obliczamy stopień dysocjacji: α = [- K_A + (K_A² + 4c_AK_A)^0.5] / 2c_A lub α = (K_A/c_A)^0.5

(prawo rozcieńczeń Ostwalda) α = 0.15

- obliczamy stężenie jonów wodorowych i pH:

[H⁺] = αc_A, pH = - lg(αc_A) = - lg(0.15x0.015) = - lg(2.25x10^-3) = 3 -lg(2.25)

Zad.5.

Stopień dysocjacji wodnego roztworu kwasu mrówkowego wynosi 0.04, a pH = 2.5. Oblicz stężenie molowe tego kwasu.

pH = - lg[H⁺] = - lg(αc_A), (αc_A) = 10^{- pH}, c_A = 10^{- pH}/α c_A = 10^{- 2.5}/0.04

Zad.6.

Oblicz pH roztworu otrzymanego przez zmieszanie 250 ml 0.04 molowego roztworu HCl i 150 ml 0.04 molowego roztworu KOH.

n_HCl = 0.04x0.25 mola = 0.01 mola

n_KOH = 0.04x0.15 mola = 0.006 mola

HCl + KOH = KCl + H₂O

nadmiar HCl: n = (0.01 - 0.006) mola = 0.004 mola,

V = 250 ml + 150 ml = 400 ml = 0.4 dm³

c_HCl = 0.004 mol/0.4 dm³ = 10^-2 mol/dm³ = [H⁺]

pH = - log[H⁺] = - log(10^-2) = 2

Zad.7.

Oblicz stałą dysocjacji kwasu ortofosforowego w roztworze wodnym, jeśli wartości stałych dysocjacji dla kolejnych stopni wynoszą: K₁ = 7.5x10^-3, K₂ = 6.2x10^-8, K₃ = 4.8x10^-13.

K = K₁K₂K₃

---