|
|
Poštovani, možete li mi molim Vas objasniti postupak ovog zadatka:
Izračunajte za koliko se promijeni pH vodene otopine cijanovodične kiseline množinske koncentracije, c(HCN) = 0,5 M, ako se u 0,2 L te otopine doda 0,5 L otopine kalijeva hidroksida množinske koncentracije, c(KOH) = 0,2 M. Napišite odgovarajuće jednadžbe kemijske i ravnotežne reakcije. Konstanta ionizacije cijanovodične kiseline je, K(HCN) = 7,8 ∙ 10-10 M.
Unaprijed hvala!
|
Ime i prezime:
Gordan Horvat
horvat.gogo@gmail.com
|
|
|
Zadatak se može riješiti na više različitih načina (one eksperimentalne za ovu ću priliku zanemariti, da ne bi ispalo da navodim mladež da se igra s cijanidima). Najjednostavniji pristup je onaj šablonski, a čini mi se da zadatak tamo i smjera. Naime, spomenute koncentracije puno su prevelike za klasične teorije koje se rade na nastavi, tako da je najisplativije pustiti mozak na pašu i okoristiti se poznatom formulom čiji je naziv dulji od nje same:
pH = pKa + log(c(sol)/c(kiselina))
Radna pretpostavka je, jasno, to da se koncentracije cijanidnih aniona i cijanovodične kiseline u otopini neće znatno razlikovati od onih koje proizlaze iz toga koliki je dio kiseline neutraliziran kalijevom lužinom.
Za slučaj da ti nije jasno kako uopće doći do tih koncentracija, u prvom se koraku radi o klasičnom razređivanju, tako da se držiš još jedne poznate formule (i toga da je konačni volumen jednak zbroju volumenâ tekućina koje se miješaju):
c1V1 = c2V2
Nakon što izračunaš koncentracije cijanovodične kiseline i kalijeve lužine u zajedničkoj otopini, preostaje ti još uzeti u obzir to da te dvije tvari reagiraju dajući kalijev cijanid, odnosno cijanidne ione:
HCN + KOH → KCN + H2O
Ako već prije nije bilo očito, sad bi trebalo biti, da će količina nastalog kalijevog cijanida biti jednaka početnoj količini kalijevog hidroksida, a količina preostale cijanovodične kiseline jednaka onomu što ostane kad od početne količine kiseline oduzmeš početnu količinu kalijevog hidroksida. Budući da se radi o istoj otopini, možeš jednostavno oduzimati koncentracije, iako te ništa ne priječi da izračunaš množine.
Naravno, umjesto da koristiš zadanu formulu, možeš se isto tako pozabaviti i logikom pozadi te jednadžbama koje proizlaze iz naravi sustava, a koje među ostalim mogu polučiti i onu šablonsku formulu. Temelj su, jasno, disocijacija cijanovodične kiseline:
HCN ⇌ H+ + CN‒
i pripadna konstanta ravnoteže:
Ka(HCN) = [H+][CN‒]/[HCN]
Sama po sebi, cijanovodična će kiselina u vodi djelomično disocirati. Kako nije baš nešto jaka, većina će je i dalje biti prisutna u molekulskom obliku, tj. nedisocirana. Ako toj otopini dodaš jake lužine, ono što se zbiva možeš podijeliti u dva (mislena) koraka. Prvi je obična neutralizacija kakvu sam gore napisao, a drugi djelomično protoniranje nastalih cijanidnih aniona, budući da su zbog slabosti cijanovodične kiseline oni prilično jaka baza. A kad već pričamo o bazi, red je i da se izrazi malo preurede, budući da je otopina dosta očito bazična:
CN‒ + H2O ⇌ HCN + OH‒
K = [HCN][OH‒]/[CN‒]
Ova konstanta može se povezati s konstantom kiselosti i konstantom autoionizacije vode:
Kw = [H+][OH‒]
K = [HCN][OH‒]/[CN‒]
= [OH‒]/([CN‒]/[HCN])
= (Kw/[H+])/(Ka(HCN)/[H+])
= Kw/Ka(HCN)
Uzme li se pak u obzir zakon o očuvanju mase, lako se zaključi da će, krene li se od otopine kiseline i soli, protoniranje cijanidnih aniona njihov broj umanjiti točno onoliko koliko će se broj (ili koncentracija) molekula cijanovodične kiseline povećati, a za isto će toliko porasti i koncentracija hidroksidnih aniona:
[CN‒] = c(KCN) ‒ x
[HCN] = c(HCN) + x
[OH‒] = x
(u zadnjem se izrazu zanemaruju hidroksidni ioni koji potječu od same vode, što s ovolikom koncentracijom cijanidâ i nije neki problem, ali daleko od toga da se baš uvijek oni mogu ignorirati)
Uvrste li se ta tri izraza u onaj za konstantu ravnoteže, dobije se ova jednadžba:
K = Kw/Ka(HCN) = (x(c(HCN) + x))/( c(KCN) ‒ x)
= ([OH‒](c(HCN) + [OH‒])/( c(KCN) ‒ [OH‒])
Nju se, s obzirom na to da je kvadratna, lako može riješiti, ali isto se tako može i pribjeći aproksimacijama. Zbog toga što je cijanovodična kiselina slaba, može se očekivati da je x zanemarivo malen u usporedbi s koncentracijama cijanovodične kiseline i ionâ joj, tako da se izraz može aproksimirati s:
K = [OH‒]c(HCN)/c(KCN)
Logaritmiraš li taj izraz, dobit ćeš:
log K = log ([OH‒]c(HCN)/c(KCN))
= log [OH‒] + log (c(HCN)/c(KCN))
U to možeš ubaciti i izraz za K:
log (Kw/Ka(HCN)) = log [OH‒] + log (c(HCN)/c(KCN))
nakon čega se sve skupa može malo urediti:
log Kw ‒ log Ka(HCN) = log [OH‒] + log (c(HCN)/c(KCN))
14 ‒ log Ka(HCN) = ‒pOH + log (c(HCN)/c(KCN))
14 ‒ log Ka(HCN) = pH ‒ 14 + log (c(HCN)/c(KCN))
pH = ‒ log Ka(HCN) ‒ log (c(HCN)/c(KCN))
pH = pKa(HCN) + log (c(KCN)/c(HCN))
I eto nas na početku one šablone.
Budući da sam već dosta toga napisao, osjetljivije detalje, poput činjenice da sve ovo funkcionira samo u razrjeđenim otopinama (0,2 M to nipošto nije), da ni onda ionska jakost nipošto nije zanemariva, da se u ove jednadžbe tu i tamo treba uključiti i autoionizacija vode, da s ovako gustim otopinama ne važi baš niti formula za preračunavanje koncentracije, ter možda još ponečega što bi mi daljnjim promišljanjem moglo pasti na pamet, ostavit ću za nedefiniranu budućnost, a tebi ostavljam izbor između šablone i igre. Jasno, ako te nešto od ovoga detaljnije zanima, a ti se opet javi. Doduše, nemoj zaboraviti da ljudi koji ti drže nastavu također sve to znaju, a i trebaju objasniti.
Pozdrav, |
|
Odgovorio:
Ivica Cvrtila
i.cvrtila@rug.nl
<-- Povratak
|
|
|
Postavite
pitanje iz bilo kojeg područja kemije i
e-škola će osigurati da dobijete odgovor od kompetentnog znanstvenika. |
|
|