Βαθμός ιοντισμού και συγκέντρωση

1Δημοσιεύτηκε από το χρήστη Δημητρης Παπαγεωργιου στις 21 Ιούλιος 2013 στις 23:01 στην ομάδα Χημεία Γ΄Λυκείου

Οπως γνωριζουμε ο βαθμος ιοντισμου ενός ασθενους ηλεκτρολύτη εξαρτάται από την

αρχική συγκέντρωση και μάλιστα (συμφωνα με τον νόμο του Ostwald) η υψηλη συγκεντρωση οδηγεί σε μικρό βαθμο ιοντισμού.

Το ερωτημα μου ειναι αν μπορουμε να εξηγησουμε θεωρητικα αυτο το φαινόμενο.

(οχι με τον νομο του Ostwald).

πχ σε ενα διαλυμα ΝΗ3 1Μ για ποιο λόγο περιορίζεται ο ιοντισμός;

Τι ειναι αυτό που “εμποδιζει” την μεταφορά του πρωτονίου και την δημιουργία των ιόντων σε ένα πυκνό διάλυμα;

(Visited 561 times, 1 visits today)
Subscribe
Ειδοποίηση για
1 Σχόλιο
Inline Feedbacks
Όλα τα σχόλια
admin
4 έτη πριν

Δημήτρη (επέτρεψέ μου τον ενικό) μια γρήγορη εξήγηση που μπορώ να δώσω είναι η εξής:

Ο βαθμός ιοντισμού δίνεται από τη σχέση α=nιοντ/nαρχ. Με την αραίωση τα nαρχ παραμένουν σταθερά. Όμως η θέση της ισορροπίας του ιοντισμού μετατοπίζεται προς τα δεξιά (αυτό μπορεί να δειχθεί εύκολα από την έκφραση της Ka αν βάλουμε μέσα τον όγκο V). Επομένως τα nιοντ αυξάνονται, άρα αυξάνεται ο βαθμός ιοντισμού. Αντιμετώπισα το θέμα ως αραίωση αλλά θεωρώ ότι είναι η ίδια λογική…

Θοδωρη το ερωτημα μου παραμένει, γιατι με την αραιωση τα η ιοντ αυξάνονται?

Γιατι η μεταφορά του πρωτονίου είναι πιο “εύκολη ” στο αραιωμένο διάλυμα?

Επηρεάζει την ευκολία ιοντισμού ο μεγαλύτερος όγκος του διαλύματος? Είναι, ας πουμε, “χωροταξικο” το θέμα?

Η ερμηνεία που προσπάθησα να δώσω πηγάζει νομίζω από τη θερμοδυναμική, αφού βασίζεται στη σταθερά ισοροπίας Κα. Μάλλον όμως δε σε καλύπτει. Μία άλλη, πάλι φυσικοχημική, εξήγηση θα μπορούσε να δοθεί ίσως με βάση τη θεωρία των διιονικών έλξεων των Debye-Huckel. Χωρίς να έχω εντρυφήσει στη συγκεκριμένη θεωρία, νομίζω ότι μία βασική της θεώρηση είναι ότι: Επειδή όσο πιο πυκνό είναι ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα τόσο μεγαλύτερη η συγκέντρωση των ιόντων σε αυτό, θεωρείται ότι κάποια από αυτά τα ιόντα που βρίσκονται σε μεγάλη συγκέντρωση επανενώνονται προς σχηματισμό αδιάστατων μορίων του ηλεκτρολύτη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο βαθμός ιοντισμού του ηλεκτρολύτη να είναι μικρότερος του αναμενόμενου και μάλλον παραπέμπει σε αυτό που ανέφερες παραπάνω, ότι ίσως το θέμα είναι και “χωροταξικό”. Βέβαια, από ότι θυμάμαι, η θεωρία ερμηνεύει καλά την περίπτωση των αρκετά πυκνών διαλυμάτων και νομίζω των ισχυρών ηλεκτρολυτών… Επίσης πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις ενεργότητες των ουσιών. Συγγνώμη για τα πολλά “νομίζω”, αλλά δεν είμαι απόλυτα σίγουρος…

Κι εγω απο την μεριά μου μπορώ να πω οτι δεν γνωριζω (ή δεν θυμαμαι?) κατι απο την θεωρα “δι-ιονικων έλξεων”. Πάντως η προσέγγιση μέσω αυτης της θεωρίας ίσως να δείνει κάποια “λυση”.

Θα απλοποιήσω λίγο τη σκέψη του Θοδωρή.

Η ιοντική ισορροπία είναι μια δυναμική ισορροπία: μόρια αντιδρούν συνεχώς με το νερό και δίνουν εφυδατωμένα ιόντα και τα εφυδατωμένα ιόντα επανενώνονται για να δώσουν πάλι τα μόρια. Στο αραιωμένο διάλυμα τα μόρια εξακολουθούν –όπως και στο πιο πυκνό- να αντιδρούν με τα μόρια του νερού που είναι πολύ περισσότερα, αλλά τα σχηματιζόμενα ιόντα είναι πιο δύσκολο να βρεθούν αφού είναι πλέον λιγότερα, ώστε να επανενωθούν κι έτσι παραμένουν ιόντα σε μεγαλύτερο ποσοστό. Δηλ. στο αραιωμένο διάλυμα τα μόρια που υπάρχουν για να ιοντιστούν είναι μεν λιγότερα αλλά τα ιόντα που μπορούν να επανενωθούν είναι ακόμη λιγότερα. Έτσι το κλάσμα ιόντα/μόρια μεγαλώνει.

Καλημέρα παιδιά.Νομίζω ότι Qc της Β Λυκείου ίσως θα μπορούσε να μας δώσει μία καλύτερη απάντηση.

Π.χ   ΗΑ + Η2Ο  <—> Α-  +  Η3Ο+

nHA/V    55,55M      nA-/V  nH3O+/V

Για οποιαδήποτε στιγμή ισορροπίας η Κc της παραπάνω αντίδρασης θα έχει τιμή που θα βρίσκεται από τη σχέση   Kc=nA-.nH3O+/55,55.nHA.V   H αύξηση τώρα του όγκου καταστρέφει την ισορροπία και η Qc για εκείνη τη στιγμή είναι μικρότερη της Κc.Ετσι  για να επανέλθει σε  ισορροπία  η αντίδραση θα μετατοπισθεί προς τα δεξιά με αποτέλεσμα την αύξηση του βαθμού ιοντισμού.

Καλημέρα συνάδελφοι

Συμφωνώντας με τη Βιβή, να διατυπώσω κάποιες σκέψεις.

Λέγοντας ότι έχουμε ένα διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη, τι έχουμε στην πραγματικότητα; Ένα διάλυμα, όπου υπάρχουν αδιάστατα μόρια του ηλεκτρολύτη, ας πούμε του οξέος ΗΑ, τα οποία περιβάλλονται από (πολύ περισσότερα) μόρια νερού.

Μεταξύ των μορίων του ΗΑ και των μορίων του νερού αναπτύσσονται δυνάμεις, με αποτέλεσμα ένα πολύ μικρό ποσοστό των μορίων να ιοντίζεται και έτσι να δημιουργούνται ενυδατωμένα ιόντα Η3Ο[Η2Ο]ν+ και Α[Η2Ο]μ, τα οποία κινούνται στο διάλυμα.

Αν δυο τέτοια ιόντα «συναντηθούν» τότε μπορεί να επασυνδεθούν σχηματίζοντας μόρια ΗΑ.

Αλλά ας εκφραστώ με αριθμητικό παράδειγμα. Σε 1L νερού προσθέτουμε 10 μόρια του ΗΑ. Τι λέτε υπάρχει πιθανότητα να έχουμε τέτοια «επανασύνδεση» μορίων; Πρακτικά όχι, οπότε όλο το οξύ θα υποστεί ιοντισμό (και ας είναι ασθενές).

Αν προσθέσουμε 10.000 μόρια οξέος;

Τώρα βέβαια θα αρχίσει ο ιοντισμός, θα παράγονται ιόντα, αλλά η πιθανότητα να συναντηθούν δυο ιόντα και να συμβεί επανασύνδεση είναι αυξημένη. Έτσι τελικά θα αποκατασταθεί μια ισορροπία με ένα ποσοστό, ας πούμε 90% των μορίων να έχει ιοντισθεί (α=0,9).

Και αν προσθέσουμε 1023 μόρια οξέος;

Με την ίδια συλλογιστική βλέπουμε ότι αυξάνεται κατακόρυφα η πιθανότητα επανασύνδεσης των ιόντων, οπότε μετά την αποκατάσταση ισορροπίας θα βρούμε ότι μόνο το 10% των μορίων έχει ιοντισθεί (α=0,1).

Θα συμφωνησω κι εγω με τα προηγουμενα. Στα πολυ αραια διαλυματα δεν ευνοειται η “επανασυνδεση”.

Βαζω κι ενα παραδειγμα. Το  CH3COOH εχει Ka=10^-6.

Εστω Δ1 με c1=10^-6 M. τοτε ο νομος του Ostwald (προφανως χωρις προσεγγισεις) θα δώσει α=0,62

Εστω Δ2 με c2=10^-8 M. τοτε ο νομος του Ostwald θα δώσει α=0,99

Τελικά η ερμηνεια πρεπει να βασιστει στο να κοιταμε την ισορροπια:

ΗΑ + Η2Ο <-> Α- (Η2Ο) + Η3Ο+ (Η2Ο)

προς την αριστερη κατευθυνση. Στο αραιο διαλυμα δεν “δυσκολευεται” το ΗΑ να φτιαξει ιόντα αλλά δυσκολευονται τα ιοντα να “επανασυνδεθουν”.

 

Θεωρητική απόδειξη:

Όταν αυξάνεται η συγκέντρωση της αμμωνίας, τότε στιγμιαία αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης προς τα δεξιά (που είναι ανάλογη της πρώτης δύναμης της συγκέντρωσης της αμμωνίας). Άρα το μέχρι τότε χημικά ισορροπούν σύστημα θα μετατοπίσει τη θέση της χημικής ισορροπίας προς τα δεξιά, ώστε να ελαττωθεί η προς τα δεξιά ταχύτητα και παράλληλα να αυξηθεί η προς τα αριστερά ταχύτητα (που είναι ανάλογη της πρώτης δύναμης της συγκέντρωσης του κάθε ιόντος, άρα ανάλογη του γινομένου των συγκεντρώσεων των ιόντων αμμωνίου και υδροξειδίου), με αποτέλεσμα να έρθουν και πάλι σε ισότητα οι δύο ταχύτητες και να επανέλθει η χημική ισορροπία (σε νέα θέση βέβαια). Άρα θα παραχθούν περισσότερα ιόντα αμμωνίου και υδροξειδίων.  Όμως ο βαθμός ιοντισμού της αμμωνίας ελαττώνεται, διότι αν αυξηθεί λ φορές η συγκέντρωση της αμμωνίας, δε θα αυξηθούν λ φορές η συγκέντρωση του  κάθε ιόντος της διότι, όπως αν θεωρηθεί ότι η συγκέντρωση της αμμωνίας παραμένει πρακτικά σταθερή (λόγω του αμελητέου, κατά κανόνα, βαθμού ιοντισμού της), θα αυξηθεί το πολύ (ρίζα λ) φορές η συγκέντρωση του κάθε ιόντας, ώστε η ταχύτητες στη νέα χημική ισορροπία να γίνουν ίσες. Συνεπώς ο βαθμός ιοντισμού ελαττώνεται και μάλιστα το πολύ (ρίζα λ) φορές. Για παράδειγμα με συγκέντρωση 0,1 Μ έχουμε περίπου 1% βαθμό ιοντισμού ενώ με 0,4 Μ έχουμε βαθμό ιοντισμού 0,5%, ενώ η συγκέντρωση των ιόντων από 10^-3, γίνονται 2*10^-3.

Σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις, όπου έχουμε για παράδειγμα βαθμό ιοντισμού 80%, με τετραπλάσια συγκέντρωση δε έχουμε βαθμό ιοντισμού 40%, αλλά 70% περίπου.

Σημείωση: το τελευταίο είναι ποσοτικό, απλώς ήθελα να δικαιολογήσω τη λέξη ¨πολύ¨ στο βαθμό ιοντισμού.

 

Μαθηματική απόδειξη:

Λύνοντας το νόμο της αραίωσης έχουμε: α^2/(1-α) = (σταθερά/συγκέντρωση)1/2, παρατηρούμε ότι με αύξηση της συγκέντρωσης πρέπει ο αριθμητής του πρώτου μέλους της ισότητας να ελαττωθεί και ο παρονομαστής να αυξηθεί ώστε να προκύψει μικρότερο κλάσμα. Και τα δύο συνηγορούν στην ελάττωση του α.

Συνημμένα:

Βέβαια η καλύτερη θεωρητική απόδειξη έχει δοθεί ήδη από τη Βιβή και το Δηήτρη σε μεγάλο ποσοστό με την επανασύνδεση των ιόντων. Απλά: όσο περισσότερα μόρια αμμωνίας προστίθενται στο νερό, τόσο μεν περισσότερα ιόντα δημιουργούνται αλλά αυξάνεται γεωμετρικά (όχι εκθετικά) η πιθανότητα επανασύνδεσης των ιόντων (που βέβαια δεν είναι γυμνά αλλά έχουν γύρω τους ένα ¨χαρέμι¨από μόρια νερού), οπότε αναλογικά θα υπάρχουν λιγότερα ιοντισμένα μόρια αμμωνίας.

Το γεωμετρικά εξηγείται ως εξής: με ένα μόριο αμμωνίας έχουμε μία πιθανότητα επανασύνδεσης, ενώ με δύο μόρια αμμωνίας έχουμε τέσσερις πιθανότητες επανασύνδεσης και δεν έχει ληφθεί υπόψη ότι έχουμε και μεγαλύτερη πιθανότητα σύγκρουσης των ¨χαρεμιών¨ τους!

Ακόμη μια ενδιαφερουσα προσεγγιση, από τον Γιώργο, αυτη την φορά με Χ.Ι.

Θα επανελθω όμως στο ζητημα της “επανασυνδεσης“.

Τα εφυδατωμένα ιόντα πως μπορουν να επανασυνδεθουν? Τα μορια Η2Ο που τα περιβαλλουν (ως “χαρεμι!”) δεν τα προστατευουν? Δεν περιοριζουν στο ελαχιστο την ελξη των ετερωνυμων ιόντων?

Μήπως οι ελκτικες δυναμεις Η2Ο (διπολο) με τα ιοντα (πχ ΝΗ4+ και ΟΗ-) ειναι πολύ ασθενεις? Μήπως η ‘εικόνα’ με το ιον περικυκλωμενο με μορια Η2Ο δεν συμβαινει στην πραγματικότητα ακριβώς ετσι, σαν ασπίδα?

(Χμ.. πολλα ερωτηματα εβαλα μαζί..)

 

Προφανώς όσα περισσότερα μόρια αμμωνίας διαλύονται, τόσο θα δυσχεραίνεται και η αποστολή των μορίων του νερού να τα διαλύσουν. Βέβαια το σημαντικό δεν είναι αυτό. Απλώς όσα περισσότερα ιόντα υπάρχουν διαλυμένα στο διάλυμα (αφού διαλύονται περισσότερα μόρια αμμωνίας, τότε παράγονται και περισσότερα ιόντα, δηλαδή η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά, άσχετα με το ότι ο βαθμός ιοντισμού ελαττώνεται), τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να “συν-ευρεθούν” (μη με παρεξηγείτε για τη λέξη, αλλά κάπως έτσι γίνεται). Όταν είναι λίγα τα ιόντα (επειδή είναι λίγα τα μόρια της αμμωνίας) η πιθανότητα “συνεύρεσης” είναι μικρότερη.

Οι έλξεις μεταξύ του δίπολου μορίου του νερού και των ιόντων έχει την ίδια τιμή και στις δύο περιπτώσεις. Απλώς αλλάζει η πιθανότητα σύγκρουσης.

Δεν μπορώ να σκεφτώ κάτι άλλο. Θα δω και το τι ακριβώς λέει η θεωρία, μήπως και προσθέσω κάτι (ή και αναιρέσω τα όσα ήδη έχω γράψει!)