Θέρμανση δ/τος ΝΗ3 και μεταβολή του pH

Η συγκεκριμένη ανάλυση αφορά ΑΠΟΚΛΕΙΣΤΙΚΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ και σε ΚΑΜΙΑ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ μαθητές.

Μελέτη της μεταβολής της τιμής του pH κατά τη θέρμανση υδατικού δ/τος ΝΗ₃.

• Σε κάθε περίπτωση θα θεωρήσουμε ότι η συγκέντρωση της ΝΗ₃ στο υδατικό δ/μα παραμένει σταθερή δηλαδή ότι η αμμωνία και το νερό δεν εξατμίζονται.

Σε υδατικό δ/μα ΝΗ₃ έχουν αποκατασταθεί οι ισορροπίες :

Μερικός ιοντισμός ΝΗ₃ :

ΝΗ₃ (aq) + H₂O (l) ⇄ NH₄⁺ (aq) + ΟΗ^– (aq) … με ΔΗ > 0

H₂O (l) + H₂O (l) ⇄ H₃O⁺ (aq) + OH^– (aq) … με ΔΗ’ > 0

• Μια γρήγορη ματιά …

Η θέρμανση του υδατικού δ/τος μετατοπίζει και τις δύο ισορροπίες προς την κατεύθυνση της ενδόθερμης αντίδρασης ( προς δεξιά ) με αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας mol τόσο των ΟΗ^– όσο και των Η₃Ο⁺ άρα τη μείωση των τιμών pH και pOH.

• Όμως …

Στην ιοντική ισορροπία του αυτοϊοντισμού του νερού έχουμε τελικά δύο ( 2 ) αντικρουόμενες διαταραχές.

1. την αύξηση της θερμοκρασίας ( που την μετατοπίζει προς τα δεξιά ) και
2. την αύξηση της ποσότητας ΟΗ^– ( που προκαλείται από την μετατόπιση της ισορροπίας του μερικού ιοντισμού της ΝΗ₃ προς τα δεξιά λόγω της αύξηση της θερμοκρασίας ) που θα προκαλέσει τη μετατόπιση της της ισορροπίας του αυτοϊοντισμού του νερού προς τα αριστερά !!!

• Μια «γρήγορη» σκέψη …

Qc … αλλά αυτό είναι ένα «εργαλείο» … εμείς θέλουμε κάτι «πιο χημικό» !!!

• Ας ξεκινήσουμε όμως από λίγο πιο πίσω …

1. Οι σταθερές Κ των ισορροπιών ( χημικών και ιοντικών ) είναι οι δείκτες της έκτασης των φαινομένων προς την κατεύθυνση του σχηματισμού των νέων ουσιών ( προϊόντα ). Η «μεγάλη» τιμή Κ φανερώνει ισορροπία όπου έχει σχηματιστεί μεγάλη ποσότητα προϊόντων.

2. Οι ιοντισμοί σε υδατικά δ/τα είναι ενδόθερμες διαδικασίες μιας που το σπάσιμο του δεσμού Η – Ο στο μόριο του νερού ( για την απομάκρυνση του Η⁺ / πρωτόνιο / ορισμός Bronsted – Lowry ) είναι μια πολύ δύσκολη διαδικασία ή καλύτερα μια πολύ πιο δύσκολη διαδικασία από τον σχηματισμό των νέων δεσμών κατά την παραγωγή των προϊόντων.

3. Το νερό «δυσκολεύεται» πάρα πάρα πολύ για να το κάνει αυτό μόνο του ( ΔΗ = 56 kJ/mol ) και η ισορροπία του είναι πάρα πολύ έντονα μετατοπισμένη προς τα αριστερά , κάτι που αποτυπώνεται στην πολύ μικρή τιμή Kw. Εάν όμως μέσα στο νερό υπάρξει μία βάση ( που έχει την ικανότητα / ιδιότητα να προσλαμβάνει πρωτόνιο / Η⁺ ) αυτή η «δουλειά» γίνεται πιο εύκολα οπότε ( συνολικά ) απαιτείται μικρότερο ποσό ενέργειας για να γίνει ( ΔΗ’ = 45 kJ/mol ).

• Θερμοκρασία και τιμή σταθερών ιοντισμού …

Η τιμή ( και η μεταβολή ) της τιμής της σταθεράς ιοντισμού εξαρτάται από την τιμή της ενθαλπίας ιοντισμού. Αυτό αποτυπώνεται στην εξίσωση Van’t Hoff :

• Η μελέτη της παραπάνω εξίσωσης δείχνει και κάτι άλλο !!!

Όσο πιο μεγάλη είναι η τιμή ΔΗ ιοντισμού ( άρα πιο ασθενής ιοντισμός / μικρότερη Κ ) τόσο μεγαλύτερη είναι η ( εκθετική ) αύξηση της σταθεράς K για συγκεκριμένη Δθ.

Έτσι :

• Τι σημαίνει αυτό για τους «αντικρουόμενους παράγοντες» που είπαμε παραπάνω …

Η αύξηση της ποσότητας των Η₃Ο⁺ ( που προήλθαν από τον αυτοϊοντισμό του νερού … που ενισχύθηκε κατά 447 % ) είναι μεγαλύτερη από την αύξηση των ΟΗ^– που προήλθαν από τον ιοντισμό της ΝΗ₃ ( … που ενισχύθηκε κατά 6,78 % ).

Έτσι η τιμή του pH του δ/τος μειώθηκε.

• … και η τιμή του pOH ;

Και οι δύο ισορροπίες μετατοπίζονται προς τα δεξιά οπότε η ποσότητα των ΟΗ^– αυξάνεται ( υπό σταθερό όγκο δ/τος ) οπότε τιμή του pOH θα μειωθεί και αυτή ( βρε δες που πέσαμε μέσα στη «γρήγορη ματιά» μας !!! )

• … ποια μεταβολή είναι μεγαλύτερη ;

Η απάντηση είναι πάλι στις Κ.

«Υπεύθυνη» για την μεταβολή του pH είναι η ισορροπία του αυτοϊοντισμού του νερού με την μικρή τιμή της K ( Kw ) που μεταβάλλεται περισσότερο ( λόγω μεγάλης – όπως είπαμε – τιμής ΔΗ ).

«Υπεύθυνη» για την μεταβολή του pΟH είναι η ισορροπία του ιοντισμού αμμωνίας με την μεγάλη ( μεγαλύτερη ) τιμή της K ( Kb ) που μεταβάλλεται λιγότερο ( λόγω μικρής/μικρότερης τιμής ΔΗ ).

Άρα Δ (pH) >> Δ (pOH)

• … το δ/μα θα είναι βασικό ;

Προφανώς !!! Αφού [ΟΗ^– ] > [Η₃Ο⁺]

• … το δ/μα θα είναι περισσότερο βασικό ;

Χμμ … όχι !!!

Η διαταραχή ( θέρμανση ) ευνόησε τελικά τον σχετικό σχηματισμό των Η₃Ο⁺ σε σύγκριση με τον ανάλογο σχηματισμό των ΟΗ^–.

Η αναλογία [ΟΗ^–] / [Η₃Ο⁺] μειώθηκε κατά περίπου 5 φορές !!!

Το δ/μα παραμένει βασικό αλλά λιγότερο βασικό από ότι ήταν αρχικά. Μετά από όλα «αυτά» ήταν τελικά αναμενόμενο.

Άιντε και το χρόνου …

Αντώνης Μπαλτζόπουλος

Αθεράπευτα χημικός