Ρυθμιστικό διάλυμα

Με μια ματιά

Χαρακτηρίζεις ένα διάλυμα ως ρυθμιστικό όταν, μετά από κάθε πλήρη αντίδραση, περιέχει ασθενές οξύ με τη συζυγή βάση του ή ασθενή βάση με το συζυγές οξύ της. Υπολογίζεις το pH ή το pOH από τον λόγο των συγκεντρώσεων των δύο μελών, όταν οι μεταβολές της ισορροπίας είναι μικρές σε σχέση με καθεμία από αυτές. Ελέγχεις ότι η προστιθέμενη ποσότητα ισχυρού οξέος ή βάσης δεν εξαντλεί το μέλος που αντιδρά. Ελέγχεις επιπλέον ότι η προσθήκη είναι αρκετά μικρή για να περιορίζεται η μεταβολή του pH.

2Κεντρική ιδέα

Χαρακτηρίζεις ένα διάλυμα ως ρυθμιστικό διάλυμα όταν περιέχει ένα ασθενές οξύ με τη συζυγή βάση του ή μία ασθενή βάση με το συζυγές οξύ της. Ελέγχεις ότι και τα δύο μέλη παραμένουν μετά από κάθε προηγούμενη πλήρη αντίδραση. Για ρυθμιστικό διάλυμα ασθενούς οξέος χρησιμοποιείς, όταν ισχύει η σχετική προσέγγιση, τη σχέση:

Για ρυθμιστικό διάλυμα ασθενούς βάσης χρησιμοποιείς, όταν ισχύει η σχετική προσέγγιση, τη σχέση:

Χρησιμοποιείς τις συγκεντρώσεις μετά την πλήρη αντίδραση μόνο όταν οι μεταβολές που προκαλεί η ισορροπία είναι μικρές σε σχέση με τις συγκεντρώσεις και των δύο μελών.

3Εξήγηση

Όταν προσθέτεις περιορισμένη ποσότητα ισχυρού οξέος, το βασικό μέλος του ρυθμιστικού διαλύματος την καταναλώνει. Όταν προσθέτεις περιορισμένη ποσότητα ισχυρής βάσης, το όξινο μέλος την καταναλώνει. Έτσι περιορίζεις τη μεταβολή του pH. Θεωρείς τη ρυθμιστική ικανότητα πεπερασμένη. Απαιτείς η προστιθέμενη ποσότητα να είναι μικρότερη από την ποσότητα του μέλους που αντιδρά, ώστε να μην το εξαντλείς. Για μικρή μεταβολή του pH απαιτείς επιπλέον η προστιθέμενη ποσότητα να είναι αρκετά μικρή σε σχέση με τα δύο συστατικά. Όταν αραιώνεις ιδανικά το διάλυμα, διατηρείς τον λόγο των συγκεντρώσεων και περίπου το pH μόνο όσο παραμένουν και τα δύο μέλη και ισχύει η προσέγγιση. Μειώνεις τη ρυθμιστική ικανότητα ανά μονάδα όγκου, αλλά δεν καταναλώνεις με την αραίωση τις συνολικές ποσότητες των δύο μελών.

4Αναγνώριση ρυθμιστικού διαλύματος

Θεωρείς δεδομένο ότι το ασθενές οξύ HA και η συζυγής βάση του A⁻ διαφέρουν κατά 1 πρωτόνιο. Μετά από προηγούμενη πλήρη αντίδραση έχεις 0,30 mol HA και 0,20 mol A⁻.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Αναγνωρίζεις το HA και το A⁻ ως συζυγές ζεύγος οξέος και βάσης, επειδή διαφέρουν κατά 1 πρωτόνιο.

2. Δείξε το βήμα 2

   Ελέγχεις τις ποσότητες μετά την πλήρη αντίδραση και βρίσκεις θετική ποσότητα και για τα 2 μέλη.

3. Δείξε το βήμα 3

   Χαρακτηρίζεις το διάλυμα ως ρυθμιστικό διάλυμα, εφόσον ισχύει και η προσέγγιση των μικρών μεταβολών ισορροπίας.

5Υπολογισμός pH όξινου ρυθμιστικού διαλύματος

Στους 25 °C εξετάζεις ρυθμιστικό διάλυμα που, μετά την πλήρη αντίδραση, περιέχει 0,20 mol HA και 0,10 mol A⁻ σε τελικό όγκο 1,00 L. Χρησιμοποιείς την τιμή:

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Διαιρείς τις ποσότητες με τον τελικό όγκο, ώστε να βρεις τις συγκεντρώσεις:

   $$\conc{\chem{HA}}=0.20\,\unit{mol\,L^{-1}},\qquad \conc{\ion{A^-}}=0.10\,\unit{mol\,L^{-1}}$$
2. Δείξε το βήμα 2

   Δοκιμάζεις τη σχέση του όξινου ρυθμιστικού διαλύματος, αφού διαπιστώσεις ότι παραμένουν και τα 2 μέλη, και ελέγχεις την προσέγγιση στο επόμενο βήμα:

   $$\conc{\ion{H_3O^+}}=1.0\cdot10^{-5}\frac{0.20}{0.10}=2.0\cdot10^{-5}\,\unit{mol\,L^{-1}}$$
3. Δείξε το βήμα 3

   Συγκρίνεις τη μεταβολή ισορροπίας με καθεμία από τις 2 συγκεντρώσεις και επιβεβαιώνεις ότι είναι πολύ μικρή:

   $$\frac{2.0\cdot10^{-5}}{0.20}=1.0\cdot10^{-4},\qquad \frac{2.0\cdot10^{-5}}{0.10}=2.0\cdot10^{-4}$$
4. Δείξε το βήμα 4

   Υπολογίζεις το pH από τη θετική συγκέντρωση του ιόντος οξωνίου:

   $$\ph=-\log(2.0\cdot10^{-5})=4.70$$

6Συχνά λάθη

• Δεν χαρακτηρίζεις κάθε μείγμα οξέος και βάσης ως ρυθμιστικό διάλυμα· ελέγχεις ότι μετά την πλήρη αντίδραση παραμένουν και τα 2 μέλη του συζυγούς ζεύγους.
• Δεν χρησιμοποιείς τη σχέση του ρυθμιστικού διαλύματος όταν εξαντλείται ένα από τα 2 μέλη.
• Δεν θεωρείς απεριόριστη τη ρυθμιστική ικανότητα· συγκρίνεις την προστιθέμενη ποσότητα με την ποσότητα του μέλους που αντιδρά.
• Δεν θεωρείς ότι η αραίωση καταναλώνει τις συνολικές ποσότητες των συστατικών· διακρίνεις αυτή την ποσότητα από τη ρυθμιστική ικανότητα ανά μονάδα όγκου.