Beispiel für die Berechnung der Molarität von Ionen in einer wässrigen Lösung

Das Auflösen von Elektrolyten in Wasser trennt sie in entgegengesetzt geladene Ionen, die es der resultierenden Lösung ermöglichen, Strom zu leiten. Einige Beispiele für übliche Elektrolyte sind unter anderem verschiedene Arten von Salzen wie Natriumchlorid und Kaliumnitrat, Säuren wie Schwefel- und Salpetersäure und einige Basen wie Natriumhydroxid.

In den folgenden Abschnitten wird detailliert anhand von Beispielen erläutert, wie die molare Konzentration von Ionen in Lösung für verschiedene Arten von Elektrolyten, einschließlich starker und schwacher Elektrolyte, berechnet wird.

Warum ist es wichtig, die molare Konzentration von Ionen in Lösung berechnen zu können?

Aus verschiedenen Gründen ist es erforderlich, bei der Herstellung einer Lösung die molare Konzentration dieser Ionen zu bestimmen oder zu berechnen. Einerseits erlaubt uns die Gesamtkonzentration der Ionen eine Vorstellung von ihrer Fähigkeit, Elektrizität zu leiten. Andererseits beeinflusst die Gesamtkonzentration an Ionen auch die Ionenstärke einer Lösung, die sich auf die chemischen Gleichgewichte verschiedener realer Systeme wie schwacher Säuren und schwacher Basen auswirkt.

Schließlich ist die Konzentration verschiedener Ionen im Bereich der Biologie und Biochemie sehr wichtig. Dies liegt daran, dass die Konzentrationen von Ionen wie Natrium und Kalium sowie von Chlorid und anderen Anionen wichtige Faktoren bei der Bestimmung des Membranpotentials, der Neigung eines Ions, spontan von einer Seite der Membran zur anderen zu passieren, und a Vielzahl anderer Transportphänomene, die für das reibungslose Funktionieren der Zelle von großer Bedeutung sind.

Berechnung der Ionenkonzentration in starken Elektrolytlösungen

Ein starker Elektrolyt ist eine ionische Substanz, die beim Auflösen in Wasser vollständig ionisiert wird. Dies bedeutet, dass die Dissoziationsreaktion irreversibel ist und alle Formeleinheiten der Verbindung getrennt werden, um die maximal mögliche Anzahl von Ionen in Lösung zu bringen.

Aus diesem Grund besteht bei starken Elektrolyten die Berechnung der Ionenkonzentration aus einer einfachen stöchiometrischen Berechnung, abhängig von der ausgeglichenen oder ausgeglichenen chemischen Reaktion. Nehmen Sie als Beispiel den folgenden Fall.

Beispiel für die Berechnung der Ionenkonzentration für einen starken Elektrolyten.

Stellungnahme:

Berechnen Sie die molare Konzentration von Phosphationen und die molare Konzentration von Kaliumionen in einer Lösung, die durch Auflösen von 10,00 g Kaliumphosphat in 500,0 ml Lösung hergestellt wird.

Lösung:

Diese Arten von Problemen können durch Befolgen einer Reihe von geordneten Schritten gelöst werden. Einige Schritte werden je nach den von der Erklärung bereitgestellten Daten unnötig sein, aber im Allgemeinen können Sie immer verwenden:

Schritt Nr. 1: Extrahieren Sie die Daten und Unbekannten, bestimmen Sie die relevanten Molekulargewichte und führen Sie die notwendigen Einheitentransformationen durch.

Dies ist fast immer der erste Schritt zur Lösung jeglicher Art von Problem. In diesem Fall gibt die Angabe an, dass die Lösung durch Auflösen von 10,00 g Kaliumphosphat (K ₃ PO ₄ ) hergestellt wird , was der Masse des gelösten Stoffs entspricht.

Da die Molarität der Ionen gefragt ist, benötigen wir irgendwann die Molmasse des Salzes, die ist:

Die Aussage gibt auch an, dass 500,00 ml Lösung vorbereitet werden, was dem Volumen der Lösung entspricht. Da sie nach Molarität fragen, muss dieses Volumen in Liter umgewandelt werden.

Schritt #2: Berechnen Sie die molare Konzentration des Elektrolyten. Diese wird oft auch als analytische Konzentration bezeichnet.

Im Allgemeinen ist es einfacher, die Konzentration von Ionen in einem Salz aus der molaren Konzentration des Salzes selbst zu berechnen. Wir tun dies unter Verwendung der Molaritätsformel und der oben angegebenen Daten.

Wobei sich C _K3PO4 auf die molare Konzentration des Salzes bezieht.

ANMERKUNG DES AUTORS: Im Allgemeinen ist es üblich, C zu verwenden, um jede analytische Konzentration in jeder Konzentrationseinheit darzustellen. Mit analytischer Konzentration meinen wir Konzentrationen, die aus den gemessenen Mengen an gelösten Stoffen, Lösungsmitteln und Lösungen berechnet werden. Dies soll sie von den Konzentrationen der verschiedenen Spezies nach einer chemischen Reaktion oder bei der Herstellung chemischer Gleichgewichte unterscheiden.

Schritt #3: Schreiben Sie die ausgeglichene Dissoziationsgleichung

In diesem Fall ist es ein starker Elektrolyt, daher ist die Reaktion irreversibel (es stellt sich kein Gleichgewicht ein):

Schritt Nr. 4: Verwenden Sie die stöchiometrischen Beziehungen, die aus der ausgeglichenen Gleichung erhalten wurden, um die Konzentration der interessierenden Ionen zu bestimmen.

Sobald die Gleichung geschrieben ist, ist alles, was benötigt wird, die Stöchiometrie zu verwenden, um die Konzentrationen der Ionen zu bestimmen. Wir können die stöchiometrischen Berechnungen direkt mit der molaren Konzentration anstelle der Mole durchführen, da sich alle von uns durchgeführten Berechnungen auf eine einzelne Lösung beziehen, in der sich das Volumen nicht ändert, sodass die Konzentration direkt proportional zu den Molen jeder Spezies ist.

Das bedeutet, dass die Konzentrationen der beiden Ionen bestimmt werden durch:

Berechnung der Ionenkonzentration in schwachen Elektrolytlösungen

Bei schwachen Elektrolyten besteht der grundlegende Unterschied darin, dass die Dissoziationsreaktion reversibel ist und nur ein kleiner Bruchteil der gelösten Moleküle dissoziiert, um freie Ionen zu bilden. Aus diesem Grund muss zur Berechnung der Ionenkonzentration in diesen Fällen das chemische Gleichgewicht gelöst werden.

Beispiel zur Berechnung der Ionenkonzentration für einen schwachen Elektrolyten.

Stellungnahme:

Berechnen Sie die molare Konzentration von Acetationen und Hydroniumionen in einer Lösung, die durch Auflösen von 10,00 g Essigsäure in 500,0 ml Lösung hergestellt wurde, wobei Sie wissen, dass die Säure eine Säurekonstante von 1,75 · 10 -5 ^hat .

Lösung:

Da es sich in diesem Fall um eine Lösung von Essigsäure handelt, die ein schwacher Elektrolyt ist, müssen wir fortfahren, das Ionengleichgewicht zu lösen, das durch Auflösen dieses gelösten Stoffes in Wasser hergestellt wird. Die ersten Schritte sind die gleichen wie oben, aber ab Schritt 4 ändert sich die Vorgehensweise. Hier ist wie:

Schritt Nr. 1: Extrahieren Sie die Daten und Unbekannten, bestimmen Sie die relevanten Molekulargewichte und führen Sie die notwendigen Einheitentransformationen durch.

Die Masse des gelösten Stoffes beträgt wieder 10,00 g und das Volumen der Lösung beträgt ebenfalls 500,0 ml, was 0,5000 l entspricht, wie wir zuvor gesehen haben. Das Molekulargewicht von Essigsäure (CH ₃ COOH) beträgt 60,052 g/mol.

Schritt #2: Berechnen Sie die molare Konzentration des Elektrolyten.

Unter Verwendung der oben angegebenen Daten beträgt die anfängliche oder analytische molare Konzentration von Essigsäure:

Schritt #3: Schreiben Sie die ausgeglichene Dissoziationsgleichung

Im Gegensatz zum vorherigen Fall ist die Reaktion reversibel, da es sich um einen schwachen Elektrolyten handelt, sodass sich ein Gleichgewicht einstellt:

Schritt Nr. 4: Lösen Sie das chemische Gleichgewicht, um die Konzentrationen aller Spezies zu bestimmen.

Dieser Teil des Prozesses unterscheidet sich grundlegend von den vorherigen, da die Endkonzentrationen der Ionen nicht direkt aus der Anfangskonzentration der Säure stöchiometrisch bestimmt werden können, da diese Konzentrationen auch die durch das Massenwirkungsgesetz gegebene Gleichgewichtsbedingung erfüllen müssen .

In diesem speziellen Fall wird die Gleichgewichtsbedingung durch den Ausdruck der Gleichgewichtskonstante bestimmt:

Die folgende ICE-Tabelle setzt die Anfangskonzentrationen mit den Endkonzentrationen in Beziehung. Da wir in diesem Fall nicht im Voraus wissen, wie viel Säure tatsächlich dissoziiert, muss die Änderung ihrer Konzentration als Unbekannte (X) ausgedrückt werden. Dann wird durch Stöchiometrie festgestellt, dass X auch aus Acetationen und aus Protonen gebildet werden muss:

Um die Unbekannte X zu finden, genügt es, die Gleichung der Säurekonstante zu verwenden:

Diese Gleichung kann umgeschrieben werden als:

Dies ist eine Gleichung zweiten Grades, deren Lösung nach Einsetzen des Wertes der Säurekonstante lautet:

Wie wir in der ICE-Tabelle sehen können, ist die Konzentration beider Ionen in diesem Fall gleich X, also können wir schreiben

Die Konzentration beider Ionen ist gleich 2.41.10 ^-3 molar.

Verweise

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