14.4 Vatnsrof salta

Sölt með súrum jónum

Sölt eru jónísk efnasambönd sem samanstanda af katjónum og anjónum, og getur hvor þeirra um sig tekið þátt í sýru- eða basajónunarhvarfi með vatni. Vatnslausnir salta geta því verið súrar, basiskar eða hlutlausar, allt eftir hlutfallslegum sýru-basa styrk jónanna sem mynda saltið. Til dæmis, þegar ammóníumklóríð er leyst upp í vatni, sundrast það eins og jafnan sýnir:

{NH}_{4} Cl (s) ⇌ {NH}_{4}^{+} (a q) + {Cl}^{-} (a q)

Ammóníumjónin er samoka sýra basans ammóníaks, NH₃; sýrujónunarhvarf hennar (eða sýruvatnsrof) er táknað með:

{NH}_{4}^{+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {NH}_{3} (a q) K_{a} = K_{w} / K_{b}

Þar sem ammóníak er veikur basi er K_b mælanlegur og K_a > 0 (ammóníumjón er veik sýra).

Klóríðjónin er samoka basi saltsýru, og því er basajónunarhvarf hennar (eða basavatnsrof) táknað með:

{Cl}^{-} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ HCl (a q) + {OH}^{-} (a q) K_{b} = K_{w} / K_{a}

Þar sem HCl er sterk sýra er K_a ómælanlega stór og K_b ≈ 0 (klóríðjónir gangast ekki undir markvert vatnsrof).

Þegar ammóníumklóríð er leyst upp í vatni myndast því lausn af veikum sýrukatjónum ( ${{{\text{NH}}}_{4}^{+}}$ ) og óvirkum anjónum (Cl⁻), sem leiðir til súrrar lausnar.

Dæmi 14.15

Útreikningur á pH súrrar saltlausnar

Anilín er amín sem er notað til að framleiða litarefni. Það er einangrað sem anilínklóríð, ${[{\text{C}}_{6}{\text{H}}_{5}{{\text{NH}}}_{3}]\text{Cl},}$ , salt sem er búið til með efnahvarfi veika basans anilíns og saltsýru. Hvert er pH 0,233 M lausnar af anilínklóríði?

C_{6} H_{5} {NH}_{3}^{+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + C_{6} H_{5} {NH}_{2} (a q)

Lausn

K_a fyrir anilínjónina er leitt af K_b fyrir samoka basa hennar, anilín (sjá viðauka I):

K_{a} = \frac{K_{w}}{K_{b}} = \frac{1,0 \times 10^{−14}}{4,3 \times 10^{−10}} = 2,3 \times 10^{−5}

Með því að nota uppgefnar upplýsingar er IBE-tafla (upphafs-, breytingar-, jafnvægis-) fyrir þetta kerfi útbúin:

Með því að setja þessa jafnvægisstyrki inn í K_a jöfnuna fæst:

\begin{array}{l} K_{a} = [C_{6} H_{5} {NH}_{2}] [H_{3} O^{+}] / [C_{6} H_{5} {NH}_{3}^{+}] \\ 2,3 \times 10^{− 5} = (x) (x) / 0,233 - x) \end{array}

Ef gert er ráð fyrir að x << 0,233 er jafnan einfölduð og leyst fyrir x:

\begin{array}{l} 2,3 \times 10^{− 5} = x^{2} / 0,233 \\ x = 0,0023 M \end{array}

IBE-taflan skilgreinir x sem mólstyrk hýdróníumjónarinnar og því er pH reiknað sem:

pH = - log [H_{3} O^{+}] = − log (0,0023) = 2,64

Prófaðu þekkingu þína

Hver er styrkur hýdróníumjóna í 0,100-M lausn af ammóníumnítrati, NH₄NO₃, salti sem samanstendur af jónunum ${{{\text{NH}}}_{4}^{\text{+}}}$ og ${{{\text{NO}}}_{3}^{\text{−}}.}$ ? Hvor er sterkari sýran, ${{\text{C}}_{6}{\text{H}}_{5}{{\text{NH}}}_{3}^{\text{+}}}$ eða ${{{\text{NH}}}_{4}^{\text{+}}?}$ ?

Sölt með basiskum jónum

Sem annað dæmi skulum við skoða upplausn natríumasetats í vatni:

{NaCH}_{3} {CO}_{2} (s) ⇋ {Na}^{+} (a q) + {CH}_{3} {CO}_{2}^{-} (a q)

Natríumjónin gengst ekki undir markverða sýru- eða basajónun og hefur engin áhrif á pH lausnarinnar. Þetta kann að virðast augljóst af formúlu jónarinnar, sem sýnir engin vetnis- eða súrefnisatóm, en sumar uppleystar málmjónir virka sem veikar sýrur, eins og fjallað er um síðar í þessum kafla.

Asetatjónin, ${\text{CH}}_{3} {\text{CO}}_{2} ^{-}\text{,}$ , er samoka basi ediksýru, CH₃CO₂H, og því er basajónunarhvarf hennar (eða basavatnsrof) táknað með:

{CH}_{3} {CO}_{2}^{-} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {CH}_{3} {CO}_{2} H (a q) + OH - (a q) K_{b} = K_{w} / K_{a}

Þar sem ediksýra er veik sýra er K_a hennar mælanlegur og K_b > 0 (asetatjón er veikur basi).

Þegar natríumasetat er leyst upp í vatni myndast lausn af óvirkum katjónum (Na⁺) og veikum basaanjónum ${{{\text{(CH}}}_{3} {{\text{CO}}}_{2} ^{-} ),}$ , sem leiðir til basiskrar lausnar.

Dæmi 14.16

Jafnvægi í lausn salts af veikri sýru og sterkum basa

Ákvarðaðu styrk ediksýru í lausn með ${[{{\text{CH}}}_{3}{{\text{CO}}}_{2}^{\text{−}}]=0,050\, M}$ og [OH⁻] = 2,5 $\times$ 10⁻⁶ M við jafnvægi. Efnahvarfið er:

{CH}_{3} {CO}_{2}^{−} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {CH}_{3} {CO}_{2} H (a q) + {OH}^{−} (a q)

Lausn

Uppgefnir jafnvægisstyrkir og gildi fyrir jafnvægisfastann gera okkur kleift að reikna út óþekkta jafnvægisstyrkinn. Ferlið sem um ræðir er basajónun asetatjónarinnar, þar sem

K_{b} (for {CH}_{3} {CO}_{2}^{−}) = \frac{K_{w}}{K_{a} (for {CH}_{3} {CO}_{2} H)} = \frac{1,0 \times 10^{−14}}{1,8 \times 10^{−5}} = 5,6 \times 10^{−10}

Með því að setja tiltæk gildi inn í jöfnuna fyrir K_b fæst

K_{b} = \frac{[{CH}_{3} {CO}_{2} H] [{OH}^{−}]}{[{CH}_{3} {CO}_{2}^{−}]} = 5,6 \times 10^{−10}

= \frac{[{CH}_{3} {CO}_{2} H] (2,5 \times 10^{−6})}{(0,050)} = 5,6 \times 10^{−10}

Með því að leysa ofangreinda jöfnu fyrir mólstyrk ediksýru fæst [CH₃CO₂H] = 1,1 $\times$ 10⁻⁵ M.

Skoðaðu þekkingu þína

Hvert er pH 0,083-M lausnar af NaCN?

Sölt með súrum og basískum jónum

Sum sölt eru samsett úr bæði súrum og basískum jónum og því fer pH lausna þeirra eftir hlutfallslegum styrk þessara tveggja efna. Sömuleiðis innihalda sum sölt eina jón sem er amfiprótísk og því mun hlutfallslegur styrkur sýru- og basa-eiginleika þessarar jónar ákvarða áhrif hennar á pH lausnarinnar. Fyrir báðar tegundir salta gerir samanburður á K_a og K_b gildum kleift að spá fyrir um sýru-basa stöðu lausnarinnar, eins og sýnt er í eftirfarandi dæmi.

Dæmi 14.17

Ákvörðun á súru eða basísku eðli salta

Ákvarðaðu hvort vatnslausnir eftirfarandi salta séu súrar, basískar eða hlutlausar:

(a) KBr

(b) NaHCO₃

(d) NH₄F

Lausn

Skoðaðu hverja jón fyrir sig með tilliti til áhrifa hennar á pH lausnarinnar, eins og sýnt er hér:

(a) K⁺ katjónin er óvirk og hefur ekki áhrif á pH. Brómíðjónin er samoka basi sterkrar sýru og hefur því hverfandi basastyrk (engin markverð basajónun). Lausnin er hlutlaus.

(b) Na⁺ katjónin er óvirk og hefur ekki áhrif á pH lausnarinnar; á meðan ${{{\text{HCO}}}_{3}^{\text{−}}}$ anjónin er amfiprótísk. K_a fyrir ${{{\text{HCO}}}_{3}^{\text{−}}}$ er 4,7 $\times$ 10⁻¹¹, og K_b hennar er ${\frac{{1,0\, \times \, {{10}}^{{−14}}}}{{4,3\, \times \, {{10}}^{{−7}}}}\, =\, 2,3\, \times \, {{10}}^{{−8}}.}$

Þar sem K_b >> K_a, er lausnin basísk.

(c) Na⁺ katjónin er óvirk og hefur ekki áhrif á pH lausnarinnar, á meðan ${{{\text{HPO}}}_{4}^{\text{2−}}}$ anjónin er amfiprótísk. K_a fyrir ${{{\text{HPO}}}_{4}^{\text{2−}}}$ er 4,2 $\times$ 10⁻¹³,

og K_b hennar er ${\frac{{1,0\, \times \, {{10}}^{{−14}}}}{{6,2\, \times \, {{10}}^{{−8}}}}\, =\, 1,6\, \times \, {{10}}^{{−7}}.}$ Þar sem K_b >> K_a, er lausnin basísk.

(d) ${{{\text{NH}}}_{4}^{\text{+}}}$ jónin er súr (sjá umræðu hér að ofan) og F⁻ jónin er basísk (samoka basi veiku sýrunnar HF). Með því að bera saman jónunarfastana tvo: K_a fyrir ${{{\text{NH}}}_{4}^{\text{+}}}$ er 5,6 $\times$ 10⁻¹⁰ og K_b fyrir F⁻ er 1,6 $\times$ 10⁻¹¹, þannig að lausnin er súr, þar sem K_a > K_b.

Skoðaðu þekkingu þína

Ákvarðaðu hvort vatnslausnir eftirfarandi salta séu súrar, basískar eða hlutlausar:

(a) K₂CO₃

(b) CaCl₂

(d) (NH₄)₂CO₃

Jónun vökvaðra málmjóna

Ólíkt málmjónum úr hópum 1 og 2 í fyrri dæmum (Na⁺, Ca²⁺, o.s.frv.), virka sumar málmjónir sem sýrur í vatnslausnum. Þessar jónir eru ekki aðeins lauslega leystar af vatnssameindum þegar þær leysast upp, heldur eru þær samgilt tengdar föstum fjölda vatnssameinda til að mynda flókajón (sjá kafla um hnitunarefnafræði). Sem dæmi er upplausn álnítrats í vatni venjulega táknuð sem

Al ({NO}_{3})_{3} (s) ⇌ {Al}^{3 +} (a q) + 3 {NO}_{3}^{-} (a q)

Ál(III)jónin hvarfast þó í raun við sex vatnssameindir til að mynda stöðuga flókajón og því er nákvæmari framsetning á upplausnarferlinu

Al {({NO}_{3})}_{3} (s) + 6 H_{2} O (l) ⇌ Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + 3 {NO}_{3}^{−} (a q)

Eins og sýnt er í Mynd 14.13, fela ${\text{Al} {( \text{H} \text{2} \text{O})} 6 ^{{3+}}}$ jónirnar í sér efnatengi milli miðlægrar Al-frumeindar og O-frumeinda sex vatnssameindanna. Afleiðingin er sú að O–H efnatengi tengdu vatnssameindanna eru skautaðri en í ótengdum vatnssameindum, sem gerir það að verkum að tengdu sameindirnar eru líklegri til að gefa frá sér vetnisjón:

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{5} (O {H)}^{2+} (a q) K_{a} = 1,4 \times 10^{−5}

Samoka basinn sem myndast við þetta ferli inniheldur fimm aðrar tengdar vatnssameindir sem geta virkað sem sýrur og því er raðbundinn eða skrefbundinn flutningur róteinda mögulegur eins og sýnt er í fáeinum jöfnum hér að neðan:

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{5} ({O H)}^{2+} (a q)

Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{4} ({OH)}_{2}^{+} (a q)

Al {(H_{2} O)}_{4} ({OH)}_{2}^{+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{3} ({OH)}_{3} (a q)

Þetta er dæmi um fjölróteindasýru, sem er umræðuefni í síðari hluta þessa kafla.

A reaction is shown using ball and stick models. On the left, inside brackets with a superscript of 3 plus outside to the right is structure labeled “[ A l ( H subscript 2 O ) subscript 6 ] superscript 3 plus.” Inside the brackets is s central grey atom to which 6 red atoms are bonded in an arrangement that distributes them evenly about the central grey atom. Each red atom has two smaller white atoms attached in a forked or bent arrangement. Outside the brackets to the right is a space-filling model that includes a red central sphere with two smaller white spheres attached in a bent arrangement. Beneath this structure is the label “H subscript 2 O.” A double sided arrow follows. Another set of brackets follows to the right of the arrows which have a superscript of two plus outside to the right. The structure inside the brackets is similar to that on the left, except a white atom is removed from the structure. The label below is also changed to “[ A l ( H subscript 2 O ) subscript 5 O H ] superscript 2 plus.” To the right of this structure and outside the brackets is a space filling model with a central red sphere to which 3 smaller white spheres are attached. This structure is labeled “H subscript 3 O superscript plus.” — Mynd 14.13 Þegar áljón hvarfast við vatn verður vökvaða áljónin að veikri sýru.

Fyrir utan alkalímálma (hópur 1) og suma jarðalkalímálma (hópur 2) munu flestar aðrar málmjónir gangast undir sýrujónun að einhverju leyti þegar þær eru leystar upp í vatni. Sýrustyrkur þessara flókajóna eykst venjulega með aukinni hleðslu og minnkandi stærð málmjónanna. Fyrsta skrefs sýrujónunarjöfnur fyrir nokkrar aðrar súrar málmjónir eru sýndar hér að neðan:

Fe {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Fe {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+} (a q) {p K}_{a} = 2,74

Cu {(H_{2} O)}_{6}^{2+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Cu {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{+} (a q) {p K}_{a} = ~ 6,3

Zn {(H_{2} O)}_{4}^{2+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Zn {(H_{2} O)}_{3} ({OH)}^{+} (a q) {p K}_{a} = 9,6

Dæmi 14.18

Lausn

Vatnsrof [Al(H2O)6]3+Reiknaðu pH 0,10-M lausnar af álklóríði, sem leysist alveg upp og gefur vökvaða áljónina ${{{[\text{Al}{(\text{H}2\text{O})}6]}}^{{3+}}}$ í lausn.

Jafna efnahvarfsins og K_a eru:

ICE-tafla með uppgefnum upplýsingum er

Með því að setja segðirnar fyrir jafnvægisstyrkinn inn í jöfnuna fyrir jónunarfastann fæst:

Ef gert er ráð fyrir að x << 0,10 og einfaldaða jafnan er leyst fæst:

ICE-taflan skilgreindi x sem jafnt og styrk hýdróníumjónarinnar og því er pH reiknað sem

Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+} (a q) K_{a} = 1,4 \times 10^{−5}

K_{a} = \frac{[H_{3} O^{+}] [Al {(H_{2} O)}_{5} ({OH)}^{2+}]}{[Al {(H_{2} O)}_{6}^{3+}]}

= \frac{(x) (x)}{0,10 - x} = 1,4 \times 10^{−5}

x = 1,2 \times 10^{−3} M

[H_{3} O^{+}] = 0 + x = 1,2 \times 10^{−3} M

pH = −log [H_{3} O^{+}] = 2,92 (an acidic lausn)

Kannaðu þekkingu þína

Hvað er ${[\text{Al}{(\text{H}2\text{O})}5({{\text{OH})}}^{2+}]}$ í 0,15-M lausn af Al(NO₃)₃ sem inniheldur nægilega mikið af sterkri sýru HNO₃ til að koma [H₃O⁺] í 0,10 M?

Námsmarkmið