Przykład obliczania molarności jonów w roztworze wodnym

Rozpuszczenie elektrolitów w wodzie rozdziela je na jony o przeciwnych ładunkach, które umożliwiają otrzymanemu roztworowi przewodzenie prądu. Niektóre przykłady powszechnych elektrolitów to różne rodzaje soli, takie jak chlorek sodu i azotan potasu, kwasy, takie jak kwas siarkowy i azotowy, oraz niektóre zasady, takie jak między innymi wodorotlenek sodu.

W kolejnych podrozdziałach wyjaśniono szczegółowo, na przykładach, jak obliczyć stężenie molowe jonów w roztworze dla różnych rodzajów elektrolitów, w tym zarówno mocnych, jak i słabych.

Dlaczego ważna jest umiejętność obliczania stężenia molowego jonów w roztworze?

Z różnych powodów konieczne jest określenie lub obliczenie stężenia molowego tych jonów podczas przygotowywania roztworu. Z jednej strony całkowite stężenie jonów pozwala nam mieć pojęcie o ich zdolności do przewodzenia prądu. Z drugiej strony całkowite stężenie jonów wpływa również na siłę jonową roztworu, co wpływa na równowagę chemiczną różnych układów rzeczywistych, takich jak słabe kwasy i słabe zasady.

Wreszcie, stężenie różnych jonów jest bardzo ważne w dziedzinie biologii i biochemii. Dzieje się tak dlatego, że stężenia jonów, takich jak sód i potas, a także anionów chlorkowych i innych, są ważnymi czynnikami determinującymi potencjał błonowy, tendencję jonów do samorzutnego przechodzenia przez jedną stronę błony na drugą oraz mnogość innych zjawisk transportowych o ogromnym znaczeniu dla prawidłowego funkcjonowania komórki.

Obliczanie stężenia jonów w roztworach mocnych elektrolitów

Silny elektrolit to substancja jonowa, która po rozpuszczeniu w wodzie ulega całkowitej jonizacji. Oznacza to, że reakcja dysocjacji jest nieodwracalna, a wszystkie jednostki wzoru związku rozdzielają się, dając maksymalną możliwą liczbę jonów w roztworze.

Z tego powodu w przypadku silnych elektrolitów obliczenie stężenia jonów polega na prostym obliczeniu stechiometrycznym, w zależności od zrównoważonej lub zrównoważonej reakcji chemicznej. Jako przykład weźmy następujący przypadek.

Przykład obliczania stężenia jonów dla mocnego elektrolitu.

Oświadczenie:

Oblicz stężenie molowe jonów fosforanowych i stężenie molowe jonów potasu w roztworze przygotowanym przez rozpuszczenie 10,00 gramów fosforanu potasu w 500,0 ml roztworu.

Rozwiązanie:

Tego typu problemy można rozwiązać, wykonując serię uporządkowanych kroków. Niektóre kroki będą zbędne w zależności od danych podanych w oświadczeniu, ale generalnie zawsze można skorzystać z:

Krok 1: Wyodrębnij dane i niewiadome, określ odpowiednie masy cząsteczkowe i wykonaj niezbędne przekształcenia jednostek.

Jest to prawie zawsze pierwszy krok w rozwiązaniu każdego rodzaju problemu. W tym przypadku oświadczenie wskazuje, że roztwór przygotowuje się przez rozpuszczenie 10,00 g fosforanu potasu (K ₃ PO ₄ ) , co odpowiada masie substancji rozpuszczonej.

Ponieważ wymagana jest molowość jonów, w pewnym momencie będziemy potrzebować masy molowej soli, która wynosi:

Z oświadczenia wynika również, że zostanie przygotowane 500,00 ml roztworu, co odpowiada objętości roztworu. Ponieważ proszą o molarność, tę objętość należy przekształcić w litry.

Krok 2: Oblicz stężenie molowe elektrolitu. Jest to również często określane jako stężenie analityczne.

Ogólnie łatwiej jest obliczyć stężenie jonów w soli na podstawie stężenia molowego samej soli. Robimy to za pomocą wzoru na molowość i danych przedstawionych powyżej.

Gdzie C _K3PO4 odnosi się do stężenia molowego soli.

UWAGA AUTORA: Ogólnie rzecz biorąc, C jest zwyczajowo używane do reprezentowania dowolnego stężenia analitycznego w dowolnej jednostce stężenia. Przez stężenie analityczne rozumiemy stężenia obliczone na podstawie zmierzonych ilości substancji rozpuszczonych, rozpuszczalników i roztworów. Ma to na celu odróżnienie ich od stężeń różnych form po reakcji chemicznej lub podczas ustalania równowagi chemicznej.

Krok 3: Napisz zrównoważone równanie dysocjacji

W tym przypadku jest to silny elektrolit, więc reakcja jest nieodwracalna (równowaga nie jest ustalona):

Krok 4: Użyj zależności stechiometrycznych uzyskanych ze zbilansowanego równania, aby określić stężenie interesujących jonów.

Po zapisaniu równania wszystko, czego potrzeba, to użyć stechiometrii do określenia stężeń jonów. Możemy wykonać obliczenia stechiometryczne bezpośrednio, używając stężenia molowego zamiast moli, ponieważ wszystkie obliczenia, które przeprowadzamy, odnoszą się do pojedynczego roztworu, w którym objętość się nie zmienia, więc stężenie jest wprost proporcjonalne do liczby moli każdego gatunku.

Oznacza to, że stężenia dwóch jonów są określone przez:

Obliczanie stężenia jonów w roztworach słabych elektrolitów

W przypadku słabych elektrolitów zasadnicza różnica polega na tym, że reakcja dysocjacji jest odwracalna i tylko niewielka część cząsteczek substancji rozpuszczonej dysocjuje, tworząc wolne jony. Z tego powodu, aby obliczyć stężenie jonów w tych przypadkach, należy rozwiązać równowagę chemiczną.

Przykład obliczenia stężenia jonów dla słabego elektrolitu.

Oświadczenie:

Oblicz stężenie molowe jonów octanowych i jonów hydroniowych w roztworze przygotowanym przez rozpuszczenie 10,00 g kwasu octowego w 500,0 ml roztworu, wiedząc, że kwas ma stałą kwasowości 1,75 .10 ^-5 .

Rozwiązanie:

Ponieważ ten przypadek dotyczy roztworu kwasu octowego, który jest słabym elektrolitem, musimy przystąpić do rozwiązania równowagi jonowej, która jest ustalana przez rozpuszczenie tej substancji rozpuszczonej w wodzie. Pierwsze kroki są takie same jak powyżej, ale od kroku 4 procedura się zmienia. Oto jak:

Krok 1: Wyodrębnij dane i niewiadome, określ odpowiednie masy cząsteczkowe i wykonaj niezbędne przekształcenia jednostek.

Masa substancji rozpuszczonej wynosi ponownie 10,00 g, a objętość roztworu również wynosi 500,0 ml, co odpowiada 0,5000 l, jak widzieliśmy wcześniej. Masa cząsteczkowa kwasu octowego (CH3COOH ₎ wynosi 60,052 g/mol.

Krok 2: Oblicz stężenie molowe elektrolitu.

Korzystając z danych przedstawionych powyżej, początkowe lub analityczne stężenie molowe kwasu octowego wynosi:

Krok 3: Napisz zrównoważone równanie dysocjacji

W przeciwieństwie do poprzedniego przypadku, ponieważ jest to słaby elektrolit, reakcja jest odwracalna, więc ustala się równowaga:

Krok #4: Rozwiąż równowagę chemiczną, aby określić stężenia wszystkich gatunków.

Ta część procesu jest zupełnie inna niż poprzednie, ponieważ końcowych stężeń jonów nie można określić stechiometrycznie bezpośrednio ze początkowego stężenia kwasu, ponieważ te stężenia muszą również spełniać warunek równowagi określony przez prawo działania mas .

W tym konkretnym przypadku warunek równowagi jest określony przez wyrażenie stałej równowagi:

Poniższa tabela ICE odnosi początkowe stężenia do końcowych. W tym przypadku, ponieważ nie wiemy z góry, ile kwasu faktycznie dysocjuje, to zmiana jego stężenia musi być wyrażona jako niewiadoma (X). Następnie na podstawie stechiometrii ustalono, że X musi również powstać z jonów octanowych i protonów:

Aby znaleźć niewiadomą X, wystarczy skorzystać z równania stałej kwasowości:

Równanie to można zapisać jako:

które jest równaniem drugiego stopnia, którego rozwiązaniem po podstawieniu wartości stałej kwasowości jest:

Jak widać z tabeli ICE, stężenie obu jonów jest w tym przypadku równe X, więc możemy napisać

Stężenie obu jonów wynosi 2,41,10 ^-3 molowe.

Bibliografia

Bolívar, G. (2020, 9 lipca). Słabe elektrolity: pojęcie, charakterystyka, przykłady. Odzyskane z https://www.lifeder.com/electrolitos-debiles/

Brązowy, T. (2021). Chemia: The Central Science (wyd. 11). Londyn, Anglia: Pearson Education.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS i Herranz, ZR (2020). Chemia (wyd. 10). Nowy Jork, NY: MCGRAW-HILL.

Garcia, J. (2002). Stężenia w roztworach klinicznych: teoria i interkonwersje. Wielebny Costaric. nauka. med. , 23 , 81–88. Pobrane z https://www.scielo.sa.cr/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0253-29482002000100008

Sarica, S. (nd). Stężenie jonów z przykładami. Pobrane z https://www.chemistrytutorials.org/ct/es/44-Concentraci%C3%B3n_de_iones_con_ejemplos