Ιοντισμός οξέος

Με μια ματιά

Ξεχωρίζεις τον ιοντισμό ενός μοριακού οξέος από τη διάσταση ενός ιοντικού ηλεκτρολύτη: το οξύ αντιδρά με το νερό και σχηματίζει ιόντα. Για ασθενές μονοπρωτικό οξύ $\chem{HA}$ χρησιμοποιείς ισορροπία με προϊόντα $\ion{H_3O^+}$ και $\ion{A^-}$ και, σε σταθερή θερμοκρασία, γράφεις $\ka=\frac{\conc{\ion{H_3O^+}}\conc{\ion{A^-}}}{\conc{\chem{HA}}}$ με συγκεντρώσεις ισορροπίας. Ορίζεις τον βαθμό ιοντισμού ως το πηλίκο της ποσότητας που ιοντίζεται προς την αρχική ποσότητα και ελέγχεις ότι βρίσκεται από 0 έως 1. Χρησιμοποιείς τη $\ka$ για να συγκρίνεις την ισχύ οξέων της ίδιας οικογένειας και του ίδιου μοντέλου.

2Κεντρική ιδέα

Ξεχωρίζεις τον ιοντισμό ενός μοριακού οξέος από τη διάσταση ενός ιοντικού ηλεκτρολύτη. Κατά τον ιοντισμό, το οξύ αντιδρά με το νερό και σχηματίζει ιόντα.

Για ένα ασθενές μονοπρωτικό οξύ γράφεις:

Χρησιμοποιείς βέλος ισορροπίας, επειδή το ασθενές οξύ δεν ιοντίζεται πλήρως. Αντίθετα, θεωρείς ένα ισχυρό οξύ πρακτικά πλήρως ιοντισμένο στο νερό.

Ορίζεις τον βαθμό ιοντισμού ως το πηλίκο της ποσότητας που ιοντίζεται προς την αρχική ποσότητα του ηλεκτρολύτη. Ελέγχεις ότι η τιμή του βρίσκεται στο διάστημα:

Σε σταθερή θερμοκρασία εκφράζεις τη σταθερά ιοντισμού οξέος με τις συγκεντρώσεις ισορροπίας:

3Μεταφορά πρωτονίου και ισορροπία

Αναγνωρίζεις το οξύ κατά Brønsted και Lowry ως δότη πρωτονίου. Στην αντίδραση του ασθενούς οξέος με το νερό, το $\chem{HA}$ δίνει ένα πρωτόνιο και το $\chem{H_2O}$ το δέχεται.

Παρακολουθείς τα σωματίδια και στις δύο κατευθύνσεις:

Στη μία κατεύθυνση σχηματίζεις ιόν οξωνίου και $\ion{A^-}$. Στην αντίστροφη κατεύθυνση, το $\ion{A^-}$ δέχεται πρωτόνιο από το ιόν οξωνίου. Έτσι αναγνωρίζεις τα $\chem{HA}/\ion{A^-}$ ως συζυγές ζεύγος οξέος και βάσης, επειδή διαφέρουν κατά ένα πρωτόνιο.

Σε μία σταθερή θερμοκρασία χρησιμοποιείς την $\ka$ ως σταθερά της ισορροπίας. Όταν συγκρίνεις οξέα της ίδιας οικογένειας και του ίδιου μοντέλου, αποδίδεις μεγαλύτερη ισχύ στο οξύ με τη μεγαλύτερη $\ka$.

4Αναγνώριση των σωματιδίων

Εξετάζεις τον ιοντισμό ενός ασθενούς μονοπρωτικού οξέος στο νερό.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Γράφεις την αντίδραση με βέλος ισορροπίας, επειδή το οξύ είναι ασθενές:

   $$\chem{HA}\state{aq}+\chem{H_2O}\state{l}\eqrxn\ion{H_3O^+}\state{aq}+\ion{A^-}\state{aq}$$
2. Δείξε το βήμα 2

   Αναγνωρίζεις το $\chem{HA}$ ως δότη πρωτονίου και το $\chem{H_2O}$ ως δέκτη πρωτονίου.

3. Δείξε το βήμα 3

   Αναγνωρίζεις τα $\chem{HA}$ και $\ion{A^-}$ ως συζυγές ζεύγος οξέος και βάσης, επειδή διαφέρουν κατά ένα πρωτόνιο.

4. Δείξε το βήμα 4

   Ελέγχεις ότι διατηρείς κάθε στοιχείο και το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο στην αντίδραση.

5Υπολογισμός συγκέντρωσης και βαθμού ιοντισμού

Σε σταθερή θερμοκρασία έχεις υδατικό διάλυμα ασθενούς μονοπρωτικού οξέος με:

Θεωρείς αμελητέο τον ιοντισμό του νερού και ζητάς τη συγκέντρωση του ιόντος οξωνίου και τον βαθμό ιοντισμού.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Γράφεις την ισορροπία, για να συνδέσεις τις μεταβολές των συγκεντρώσεων:

   $$\chem{HA}\state{aq}+\chem{H_2O}\state{l}\eqrxn\ion{H_3O^+}\state{aq}+\ion{A^-}\state{aq}$$
2. Δείξε το βήμα 2

   Θέτεις $x$ τη συγκέντρωση του οξέος που ιοντίζεται και καταγράφεις αρχικές συγκεντρώσεις $c,0,0$, μεταβολές $-x,+x,+x$ και συγκεντρώσεις ισορροπίας $c-x,x,x$.

3. Δείξε το βήμα 3

   Ελέγχεις πρώτα το κριτήριο της προσέγγισης:

   $$\frac{\ka}{c}=\frac{2.0\cdot10^{-5}}{0.20}=1.0\cdot10^{-4}\leq0.01$$
4. Δείξε το βήμα 4

   Εφαρμόζεις την προσέγγιση $c-x\approx c$ και λύνεις τη σχέση της σταθεράς:

   $$\ka=\frac{x^2}{c-x}\approx\frac{x^2}{c}$$

   $$x=\sqrt{\ka c}=\sqrt{(2.0\cdot10^{-5})(0.20)}=2.0\cdot10^{-3}\,\unit{mol\,L^{-1}}$$
5. Δείξε το βήμα 5

   Δίνεις τη συγκέντρωση του ιόντος οξωνίου από τη στοιχειομετρία της ισορροπίας:

   $$\conc{\ion{H_3O^+}}=x=2.0\cdot10^{-3}\,\unit{mol\,L^{-1}}$$
6. Δείξε το βήμα 6

   Υπολογίζεις τον βαθμό ιοντισμού και ελέγχεις την προσέγγιση:

   $$\alpha=\frac{x}{c}=\frac{2.0\cdot10^{-3}}{0.20}=0.010\leq0.1$$

6Συνηθισμένα λάθη

• Μην γράφεις μονόδρομο βέλος για ένα ασθενές οξύ, επειδή σχηματίζει ισορροπία ιοντισμού.
• Μην αντικαθιστάς τη συγκέντρωση ισορροπίας του οξέος με την αρχική συγκέντρωση πριν ελέγξεις την προσέγγιση.
• Μην χαρακτηρίζεις ένα οξύ ισχυρό επειδή το διάλυμά του έχει μεγάλη συγκέντρωση.
• Μην μεταβάλλεις την $\ka$ όταν αλλάζει μόνο η αρχική συγκέντρωση και η θερμοκρασία παραμένει σταθερή.
• Μην δέχεσαι βαθμό ιοντισμού έξω από το διάστημα από $0$ έως $1$.