Διαγώνισμα Χημείας Γ΄ Λυκείου στην Επίδραση Κοινού Ιόντος

Οι ασκήσεις στο άρθρο αυτό προέρχονται από την ενότητα 2.1.4 του βιβλίου  «Γενική Χημεία Γ΄ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης» - Κ. Καλαματιανός.   Λεπτομερής παρουσίαση του βιβλίου, αποσπάσματά του και τρόποι αγοράς δίνονται στον ιστότοπο:

  https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks  

 Το βιβλίο διατίθετα στον παραπάνω ιστότοπο σε ειδική προνομιακή τιμή.

  

 Το βιβλίο διατίθεται στα παρακάτω βιβλιοπωλεία (μεταξύ άλλων):  Ιανός (Σταδίου 24, Αθήνα  –  Αριστοτέλους 7, Θεσ/νίκη), Κορφιάτης (Ιπποκράτους 6, Αθήνα) , Γρηγόρη (Σόλωνος 71, Αθήνα) Ελευθερουδάκης,  Πατάκης, Σαββάλας-Βιβλιορυθμός (Ζωοδ. Πηγής 18 & Σόλωνος, Αθήνα), "Βιβλιοεπιλογή" Γ.Χ.  Αναστασάκης (Σόλωνος 110, Αθήνα) , Βιβλιοχώρα (Χαριλάου Τρικούπη 49, Αθήνα), ΒΕΡΓΙΝΑ, ΨΑΡΑΣ (Θεσ/νίκη), ΠΑΙΔΕΙΑ (Κανάρη 11, Λάρισα).

Άσκηση – Παράδειγμα  #2-28  

Nα υπολογισθεί το pH σε διάλυμα που προκύπτει από την ανάμειξη 30 cm³ διαλύματος ΗCl 1M και 30 cm³ διαλύματος ΝΗ₃ 2Μ. Κατά την ανάμειξη δεν μεταβάλλεται ο συνολικός όγκος (δίνεται k_b ≈ 10^-5) 

  

  Λύση:

 Aρχικά δεν φαίνεται ότι πρόκειται για άσκηση ασθενούς βάσης και άλατός της με το οποίο έχει κοινό ιόν. Η αντίδραση όμως του ισχυρού οξέος ΗCl με την ασθενή βάση ΝΗ₃ δίνει το άλας ΝΗ₄Cl το οποίο ιοντίζεται πλήρως στο νερό σε ΝΗ₄⁺ και Cl^-. Εάν μετά την αντίδραση οξέος και βάσης υπάρχει στο διάλυμα και NH₃ που δεν έχει αντιδράσει τότε οι κύριες ουσίες στο διάλυμα θα είναι NH₃ και ΝΗ₄Cl. Στην περίπτωση αυτή έχουμε μία άσκηση ασθενούς βάσης και άλατός της με κοινό ιόν το ΝΗ₄⁺ και ακολουθούμε την Μεθοδολογία #5. Διαφορετικά μπορούμε να θεωρήσουμε ότι έχουμε μία άσκηση άλατος που προκύπτει από την αντίδραση ισχυρού οξέος και ασθενούς βάσης που υδρολύεται και ακολουθούμε την Μεθοδολογία #3 στην σελίδα 249 . Τα αρχικά όμως βήματα και στις δύο περιπτώσεις είναι ίδια.

BHMA	ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ	ΣΗΜΕΙΩΣΗ
I	ΔΕΔΟΜΕΝΑ VHCl = 30 cm3 VNH3 = 30 cm3 [ΗCl] = 1M  [ΝΗ3 ] = 2Μ kb = kΝΗ3 ≈ 10-5 ΖΗΤΟΥΜΕΝΑ   pH = ;	Γράφουμε τα δεδομένα και τα ζητούμενα της άσκησης.
II	α) Οι σχέσεις που συνδέουν τα δεδομένα με τα ζητούμενα είναι:  pOH = -log[OH-]   (1)  και  pH + pOH = 14     (2) O όγκος του διαλύματος VΔ μετά την ανάμειξη είναι: VΔ = VHCl  + VNH3 = 30 cm3 + 30 cm3 = 60 cm3    (3)  Τα mol του HCl και της NH3 στο διάλυμα των 60 cm3 που προκύπτει από την ανάμειξή  τους υπολογίζονται ως εξής:  Υπολογίζουμε τα mol του «καθαρού» ΗCl στα 30 cm3 διαλύματος ΗCl 1M είναι: Στα 1000 cm3 διαλύματος ΗCl υπάρχει 1 mol «καθαρού» ΗCl  “                30  cm3 διαλύματος ΗCl υπάρχει  α = ; mol «καθαρού» ΗCl  α = 3 . 10-2 mol «καθαρού» ΗCl Eπομένως: Τα mol του HCl nHCl  στο διάλυμα των 60 cm3  = 3 . 10-2 mol    (4) Τα mol της NH3  nNH3 στο διάλυμα των 60 cm3  = 6 . 10-2 mol    (5) Η αντίδραση του HCl με την NH3 δίνεται από:                            ΗCl  +  NH3    →       NH4+  +   Cl-   (6)              -0,03 mol   -0,03 mol         0,03 mol  0,03 mol Από την παραπάνω αντίδραση φαίνεται ότι παράγονται 0,03 mol NH4Cl το οποίο ιοντίζεται πλήρως σε NH4+ και Cl-. Aπό τις (4), (5) και (6) προκύπτει ότι η NH3 βρίσκεται σε περίσσεια καθώς 3 . 10-2 mol HCl αντιδρούν πλήρως με 3 . 10-2 mol NH3. Τα mol της NH3 σε περίσσεια, δηλαδή τα mol της NH3 που δεν αντιδρούν είναι: nNH3 στο διάλυμα των 60 cm3  σε περίσσεια = 6 . 10-2 mol - 3 . 10-2 mol = 3 . 10-2 mol NH3 H συγκέντρωση της NH3 στο διάλυμα των 60 cm3  είναι:    Στα 60 cm3 διαλύματος υπάρχουν 0,03 mol NH3   “   1000 cm3 διαλύματος υπάρχουν   z = ; mol NH3 z = [NH3] = 0,5 M  (7) Όμοια από την (6) προκύπτει ότι η:  [NH4Cl] = 0,5 M στο διάλυμα των 60 cm3   (8) Επομένως το πρόβλημα ανάγεται στην περίπτωση διαλύματος που περιέχει  ασθενή βάση (την NH3) με συγκέντρωση [NH3] = 0,5 M και το άλας της [NH4Cl] = 0,5 M  με το οποίο έχει κοινό ιόν το NH4+ (θυμηθείτε ότι η NH3 αντιδρά με το νερό και δίνει επίσης NH4+). Επομένως ακολουθούμε την Μεθοδολογία #5. β) Oι κύριες ουσίες επομένως στο διάλυμα είναι: NH3 (ασθενής βάση) και το  NH4Cl το οποίο ιοντίζεται πλήρως στο νερό και δίνει NH4+ (συμπεριφέρεται σαν οξύ στην αντίδρασή του με το νερό) και Cl- (δεν αντιδρά με το νερό). γ) Η αντίδραση ιοντισμού του άλατος NH4Cl  δίνεται από:                    NH4Cl           →            NH4+  +     Cl-     (9)                     -0,5 mol/ℓ                 +0,5 mol/ℓ    +0,5 mol/ℓ Η αντίδραση ιοντισμού της NH3 στο νερό δίνεται από: NH3   +   H2O    →    NH4+   +  ΟΗ-  (10) H (10) είναι η σημαντικότερη αντίδραση ισορροπίας η οποία καθορίζει το pH του διαλύματος στην άσκηση (kb = kΝΗ3 ≈ 10-5). Υπάρχει και η ισορροπία αυτοϊοντισμού του νερού η οποία γίνεται ταυτόχρονα αλλά η σταθερά ισορροπίας kw = 10-14 υποδηλώνει ότι το νερό είναι πολύ ασθενέστερη βάση από την NH3 και επομένως η αντίδραση αυτή δεν καθορίζει το pH στην συγκεκριμένη άσκηση. δ) Έστω χ mol/ℓ από την NH3 ιοντίζονται. Ο πίνακας με τις αρχικές και τελικές συγκεντρώσεις των ουσιών στην ισορροπία είναι:                                    NH3   +  H2O         →       NH4+   +    ΟΗ-   (10) Αρχικά 0,5 Μ 0,5 Μ       0 Μεταβολή -x M +x Μ           +x M Τελικά(στην xημική ισορροπία) (0,5–x) M (0,5+x) M x M ε) Για την σταθερά ιοντισμού της NH3 ισχύει: kb = kΝΗ3 = [NH4+] . [ΟΗ-] / [NH3] = 10-5        (11)
III	Aπό την σχέση (11) και τις συγκεντρώσεις στην χημική ισορροπία από τον πίνακα: kb = kΝΗ3 = [NH4+] . [ΟΗ-] / [NH3] =10-5   και  kb = kΝΗ3 = (0,5+x) . x / (0,5–x) =10-5    και kb = kΝΗ3 = 0,5 . x / 0,5 = 10-5  και  x = [ΟΗ-] = 10-5 M  (12)  Σημείωση: Το 0,5+x ≈ 0,5  και το 0,5-x ≈ 0,5  αφού kb/c = 10-5 /5 .10-1 < 10-2 Eπομένως από την (1) και την (12) έχουμε:  pOH = -log[OH-] = -log(10-5) = 5    (13)

IV	Eπομένως  απο την (2) και την (13) έχουμε:  pH = 14 – pOH = 14 – 5 = 9

Όμοιες ασκήσεις: 190, 191 

---