Пример за изчисляване на моларността на йони във воден разтвор

Разтварянето на електролитите във вода ги разделя на противоположно заредени йони, което позволява на получения разтвор да провежда електричество. Някои примери за обикновени електролити са различни видове соли, като натриев хлорид и калиев нитрат, киселини като сярна и азотна киселина и някои основи като натриев хидроксид, между другото.

В следващите раздели е обяснено подробно чрез примери как да се изчисли моларната концентрация на йони в разтвор за различни видове електролити, включително силни и слаби електролити.

Защо е важно да можем да изчислим моларната концентрация на йони в разтвора?

Поради различни причини е необходимо да се определи или изчисли моларната концентрация на тези йони, когато се приготвя разтвор. От една страна, общата концентрация на йони ни позволява да имаме представа за способността им да провеждат електричество. От друга страна, общата концентрация на йони също влияе върху йонната сила на разтвора, което влияе върху химическите равновесия на различни реални системи като слаби киселини и слаби основи.

И накрая, концентрацията на различни йони е много важна в областта на биологията и биохимията. Това е така, защото концентрациите на йони като натрий и калий, както и хлорид и други аниони, са важни фактори при определяне на мембранния потенциал, тенденцията йонът да преминава спонтанно през едната страна на мембраната към другата и множество други транспортни явления от голямо значение за правилното функциониране на клетката.

Изчисляване на концентрацията на йони в силни електролитни разтвори

Силният електролит е йонно вещество, което, когато се разтвори във вода, става напълно йонизирано. Това означава, че реакцията на дисоциация е необратима и всички формулни единици на съединението се разделят, за да доведат до максималния възможен брой йони в разтвора.

Поради тази причина в случаите на силни електролити изчисляването на концентрацията на йони се състои от просто стехиометрично изчисление, в зависимост от балансираната или балансирана химическа реакция. Вземете следния случай като пример.

Пример за изчисляване на концентрацията на йони за силен електролит.

Изявление:

Изчислете моларната концентрация на фосфатни йони и моларната концентрация на калиеви йони в разтвор, приготвен чрез разтваряне на 10,00 грама калиев фосфат в 500,0 ml разтвор.

Решение:

Този тип проблеми могат да бъдат решени чрез следване на поредица от подредени стъпки. Някои стъпки ще бъдат ненужни в зависимост от данните, предоставени от извлечението, но най-общо казано, винаги можете да използвате:

Стъпка #1: Извлечете данните и неизвестните, определете съответните молекулни тегла и извършете необходимите трансформации на единици.

Това почти винаги е първата стъпка в разрешаването на всякакъв вид проблем. В този случай твърдението показва, че разтворът се приготвя чрез разтваряне на 10,00 g калиев фосфат (K ₃ PO ₄ ) , което съответства на масата на разтвореното вещество.

Тъй като се изисква моларността на йоните, в даден момент ще ни трябва моларната маса на солта, която е:

Изявлението също така показва, че ще бъдат приготвени 500,00 mL разтвор, което съответства на обема на разтвора. Тъй като изискват моларност, този обем трябва да се трансформира в литри.

Стъпка #2: Изчислете моларната концентрация на електролита. Това също често се нарича аналитична концентрация.

Като цяло е по-лесно да се изчисли концентрацията на йони в сол от моларната концентрация на самата сол. Ние правим това, като използваме формулата за моларност и данните, представени по-горе.

Където C _K3PO4 се отнася до моларната концентрация на солта.

БЕЛЕЖКА НА АВТОРА: Като цяло е обичайно да се използва C за представяне на всяка аналитична концентрация във всяка единица за концентрация. Под аналитична концентрация имаме предвид концентрации, изчислени от измерените количества разтворени вещества, разтворители и разтвори. Това е, за да се разграничат от концентрациите на различните видове след химическа реакция или при установяване на химични равновесия.

Стъпка #3: Напишете уравнението на балансираната дисоциация

В този случай това е силен електролит, така че реакцията е необратима (не се установява равновесие):

Стъпка #4: Използвайте стехиометричните зависимости, получени от балансираното уравнение, за да определите концентрацията на интересуващите ни йони.

След като уравнението е написано, всичко, което се изисква, е да се използва стехиометрия за определяне на концентрациите на йоните. Можем да направим стехиометричните изчисления директно, като използваме моларната концентрация вместо моловете, тъй като всички изчисления, които извършваме, се отнасят до един разтвор, в който обемът не се променя, така че концентрацията е право пропорционална на моловете на всеки вид.

Това означава, че концентрациите на двата йона се определят от:

Изчисляване на концентрацията на йони в слаби електролитни разтвори

В случай на слаби електролити основната разлика е, че реакцията на дисоциация е обратима и само малка част от молекулите на разтвореното вещество се дисоциират, за да образуват свободни йони. Поради тази причина, за да се изчисли концентрацията на йони в тези случаи, трябва да се намери химическото равновесие.

Пример за изчисляване на концентрацията на йони за слаб електролит.

Изявление:

Изчислете моларната концентрация на ацетатни йони и хидрониеви йони в разтвор, приготвен чрез разтваряне на 10,00 грама оцетна киселина в 500,0 ml разтвор, като знаете, че киселината има киселинна константа 1,75 .10 ^-5 .

Решение:

Тъй като този случай се занимава с разтвор на оцетна киселина, която е слаб електролит, трябва да пристъпим към решаване на йонното равновесие, което се установява чрез разтваряне на това разтворено вещество във вода. Първите стъпки са същите като по-горе, но от стъпка 4 нататък процедурата се променя. Ето как:

Стъпка #1: Извлечете данните и неизвестните, определете съответните молекулни тегла и извършете необходимите трансформации на единици.

Масата на разтвореното вещество отново е 10,00 g и обемът на разтвора също е 500,0 mL, което е еквивалентно на 0,5000 L, както видяхме по-рано. Молекулното тегло на оцетната киселина (CH3COOH ₎ е 60,052 g/mol.

Стъпка #2: Изчислете моларната концентрация на електролита.

Използвайки представените по-горе данни, началната или аналитична моларна концентрация на оцетна киселина е:

Стъпка #3: Напишете уравнението на балансираната дисоциация

За разлика от предишния случай, тъй като това е слаб електролит, реакцията е обратима, така че се установява равновесие:

Стъпка #4: Разрешете химичното равновесие, за да определите концентрациите на всички видове.

Тази част от процеса е напълно различна от предишните, тъй като крайните концентрации на йоните не могат да бъдат определени директно от първоначалната концентрация на киселината чрез стехиометрия, тъй като тези концентрации трябва също така да отговарят на условието за равновесие, дадено от закона за действие на масата .

В този конкретен случай условието за равновесие се определя от израза на константата на равновесие:

Следващата ICE таблица свързва началните концентрации с крайните. В този случай, тъй като не знаем предварително колко киселина действително се дисоциира, тогава промяната в нейната концентрация трябва да се изрази като неизвестно (X). След това чрез стехиометрия се установява, че X също трябва да се образува от ацетатни йони и от протони:

За да намерите неизвестното, X, е достатъчно да използвате уравнението на константата на киселинността:

Това уравнение може да бъде пренаписано като:

което е уравнение от втора степен, чието решение, след заместване на стойността на киселинната константа, е:

Както можем да видим в таблицата на ICE, концентрацията на двата йона в този случай е равна на X, така че можем да запишем

Концентрацията на двата йона е равна на 2.41.10 ^-3 моларни.

Препратки

Боливар, Г. (2020 г., 9 юли). Слаби електролити: концепция, характеристики, примери. Възстановено от https://www.lifeder.com/electrolitos-debiles/

Браун, Т. (2021). Химия: Централната наука (11-то издание). Лондон, Англия: Pearson Education.

Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: MCGRAW-HILL.

Гарсия, Дж. (2002). Концентрации в клинични разтвори: теория и взаимопревръщания. Rev. costarric. наука. мед. , 23 , 81–88. Взето от https://www.scielo.sa.cr/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0253-29482002000100008

Sarica, S. (nd). Концентрация на йони с примери. Извлечено от https://www.chemistrytutorials.org/ct/es/44-Concentraci%C3%B3n_de_iones_con_ejemplos