Κεφάλαιο 5.2 – Ιοντισμός οξέων – βάσεων (σελ. 183-189) – Απαντήσεις – Λύσεις

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 7 (σελ. 184)

Πώς ορίζονται το pH και το pOH;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμών Sörensen.

Απάντηση: pH = -log[H₃O⁺] (αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της αριθμητικής τιμής της συγκέντρωσης H₃O⁺). Αντίστοιχα pOH = -log[OH⁻].

Άσκηση 8 (σελ. 184)

Ποια σχέση ισχύει μεταξύ pH και pOH στους 25 °C: i. σε ουδέτερα διαλύματα, ii. σε όξινα διαλύματα, iii. σε βασικά διαλύματα;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Στους 25 °C ισχύει πάντα pH+pOH=14.

Απάντηση: Σε όλες τις περιπτώσεις ισχύει pH+pOH=14 (25 °C). i. Σε ουδέτερα διαλύματα: pH=pOH=7. ii. Σε όξινα διαλύματα: pH<7<pOH. iii. Σε βασικά διαλύματα: pH>7>pOH.

Άσκηση 9 (σελ. 184)

Πώς ορίζεται η σταθερά ιοντισμού ασθενούς οξέος HA σε υδατικό διάλυμα και από τι εξαρτάται;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ka από την ισορροπία ιοντισμού· εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία.

Απάντηση: Για την ισορροπία HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻, η σταθερά ιοντισμού ορίζεται Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] (η [H₂O] παραλείπεται ως σταθερή). Σε αραιά υδατικά διαλύματα η Ka εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία (αυξάνεται με αυτήν, αφού ο ιοντισμός είναι ενδόθερμος) και αποτελεί μέτρο της ισχύος του οξέος.

Άσκηση 10 (σελ. 184)

Πώς ορίζεται η σταθερά ιοντισμού ασθενούς βάσης B σε υδατικό διάλυμα και από τι εξαρτάται;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Kb από την ισορροπία ιοντισμού· εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία.

Απάντηση: Για την ισορροπία B + H₂O ⇌ HB⁺ + OH⁻, η σταθερά ιοντισμού ορίζεται Kb = [HB⁺][OH⁻]/[B]. Εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία (αυξάνεται με αυτήν) και είναι μέτρο της ισχύος της βάσης.

Άσκηση 11 (σελ. 184)

Ποιος είναι ο νόμος αραίωσης του Ostwald;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Συσχέτιση α, Ka/Kb και συγκέντρωσης.

Απάντηση: Ο νόμος αραίωσης του Ostwald συσχετίζει τον βαθμό ιοντισμού α, τη σταθερά ιοντισμού και τη συγκέντρωση c ενός ασθενούς μονοβασικού οξέος ή μονόξινης βάσης: Ka (ή Kb) = α²c/(1-α). Συνέπειά του: σε σταθερή θερμοκρασία, όσο αραιώνουμε ένα διάλυμα ασθενούς ηλεκτρολύτη, τόσο αυξάνεται ο βαθμός ιοντισμού α.

Άσκηση 12 (σελ. 184)

Ποια σχέση συνδέει την Ka ασθενούς οξέος HA με την Kb της συζυγούς βάσης (A⁻);

Λύση:

1. Ka_HA = [H3O+][A-]/[HA], Kb_A- = [HA][OH-]/[A-]; πολλαπλασιάζοντας: Ka·Kb = [H3O+][OH-] = Kw

Απάντηση: Ka(HA) · Kb(A⁻) = Kw. Η σχέση προκύπτει πολλαπλασιάζοντας κατά μέλη τις εκφράσεις Ka(HA)=[H₃O⁺][A⁻]/[HA] και Kb(A⁻)=[HA][OH⁻]/[A⁻], οπότε το [HA] και το [A⁻] απλοποιούνται και μένει [H₃O⁺][OH⁻]=Kw.

Άσκηση 48 (σελ. 189)

Να χαρακτηρίσετε με ένα Σ όσες από τις ακόλουθες προτάσεις είναι σωστές και με ένα Λ όσες είναι λανθασμένες. α. Αν ένα ασθενές οξύ HA σε διάλυμα 10⁻² M έχει βαθμό ιοντισμού α₁=10⁻² και άλλο ασθενές οξύ HB σε διάλυμα 1 M έχει βαθμό ιοντισμού α₂=5·10⁻³, τότε το οξύ HA είναι ισχυρότερο από το HB γιατί α₁>α₂. β. Αν η Ka ασθενούς οξέος HA είναι μεγαλύτερη από την K'a ασθενούς οξέος HB σε θ=25 °C, τότε το οξύ HA είναι ισχυρότερο από το HB. γ. Κατά την αραίωση υδατικού διαλύματος ισχυρού οξέος, π.χ. HCl 1 M (α=1), ο βαθμός ιοντισμού του οξέος μεταβάλλεται. δ. Κατά την αραίωση υδατικού διαλύματος ασθενούς οξέος, π.χ. HF 1 M, ο βαθμός ιοντισμού του οξέος αυξάνεται.

Λύση:

1. α: Υπολογίζουμε τις Ka: Ka(HA)=α₁²c₁=(10⁻²)²·10⁻²=10⁻⁶. Ka(HB)=α₂²c₂=(5·10⁻³)²·1=2,5·10⁻⁵. Αφού Ka(HB)>Ka(HA), το HB είναι στην πραγματικότητα ισχυρότερο, παρότι έχει μικρότερο α (επειδή μετρήθηκε σε πολύ μεγαλύτερη συγκέντρωση). Η σύγκριση μέσω α μόνο, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι διαφορετικές συγκεντρώσεις, είναι λανθασμένη. Λάθος.
2. β: Η Ka είναι το ορθό, συγκέντρωση-ανεξάρτητο μέτρο ισχύος σε δεδομένη θερμοκρασία. Σωστό.
3. γ: Το ισχυρό οξύ έχει ήδη πλήρη ιοντισμό (α=1) σε κάθε αραίωση — παραμένει α=1, δεν μεταβάλλεται. Λάθος.
4. δ: Σύμφωνα με τον νόμο του Ostwald, η αραίωση ασθενούς ηλεκτρολύτη αυξάνει το α. Σωστό.

Απάντηση: α. Λ, β. Σ, γ. Λ, δ. Σ

Πρόσεξε: Το α είναι το κλασικό «τρικ»: ο βαθμός ιοντισμού ΔΕΝ είναι απόλυτο μέτρο ισχύος, αφού εξαρτάται και από τη συγκέντρωση (νόμος Ostwald) — μόνο η Ka επιτρέπει ασφαλή σύγκριση ισχύος σε ίδια θερμοκρασία.

Άσκηση 50 (σελ. 189)

Δύο υδατικά διαλύματα μονόξινων βάσεων B και Γ έχουν την ίδια συγκέντρωση. α. Αν το διάλυμα της Β έχει μικρότερο pH από το διάλυμα της Γ, ποια από τις δύο βάσεις είναι ισχυρότερη; β. Αν έχουμε ίσους όγκους από τα διαλύματα των βάσεων, ποιο διάλυμα βάσης χρειάζεται περισσότερο οξύ για να εξουδετερωθεί;

Λύση:

1. α: Το διάλυμα με το μεγαλύτερο pH (δηλαδή το Γ, αφού Β<Γ) έχει μεγαλύτερη [OH⁻], άρα μεγαλύτερο βαθμό ιοντισμού σε ίδια συγκέντρωση — η Γ είναι η ισχυρότερη βάση.
2. β: Για πλήρη εξουδετέρωση μονόξινης βάσης με οξύ, χρειάζονται τόσα mol οξέος όσα mol βάσης υπήρχαν αρχικά (στοιχειομετρία 1:1), ανεξάρτητα από το αν η βάση ιοντίζεται πλήρως ή μερικώς. Αφού οι όγκοι και οι συγκεντρώσεις (άρα και τα αρχικά mol) είναι ίδια, χρειάζεται η ίδια ποσότητα οξέος και για τις δύο.

Απάντηση: α. Η Γ είναι ισχυρότερη βάση. β. Χρειάζεται η ίδια ποσότητα οξέος και για τα δύο διαλύματα.

Πρόσεξε: Μην συγχέετε την ΙΣΧΥ μιας βάσης (καθορίζει το pH σε δεδομένη συγκέντρωση) με τη ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΗ ποσότητα οξέος που απαιτείται για πλήρη εξουδετέρωση (καθορίζεται μόνο από τα αρχικά mol, ανεξαρτήτως ισχύος).

Άσκηση 51 (σελ. 190)

Ο βαθμός ιοντισμού οξέος HA είναι ίσος με 2%, ενώ ο βαθμός ιοντισμού οξέος HB είναι ίσος με 4%. Ποιο από τα δύο οξέα είναι ισχυρότερο, το HA ή το HB;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Χωρίς να δίνονται οι συγκεντρώσεις των δύο διαλυμάτων, δεν μπορούμε να συγκρίνουμε την ισχύ μέσω του α.

Απάντηση: Δεν μπορούμε να απαντήσουμε με βεβαιότητα, γιατί δεν δίνονται οι συγκεντρώσεις των δύο διαλυμάτων. Σύμφωνα με τον νόμο του Ostwald (α=√(Ka/c)), ο βαθμός ιοντισμού εξαρτάται και από τη συγκέντρωση — ένα ασθενέστερο οξύ σε πολύ πιο αραιό διάλυμα μπορεί να εμφανίζει μεγαλύτερο α από ένα ισχυρότερο οξύ σε πυκνότερο διάλυμα. Χρειάζεται σύγκριση των Ka (ή ίδια συγκέντρωση) για ασφαλές συμπέρασμα.

Πρόσεξε: Η εκφώνηση δεν δίνει καμία συγκέντρωση σκόπιμα — πρόκειται για δοκιμή κατανόησης ότι το α ΔΕΝ είναι απόλυτο μέτρο ισχύος (ίδιο «τρικ» με την άσκηση 48).

Άσκηση 52 (σελ. 190)

Σε υδατικό διάλυμα CH₃COOH 0,1 M ο βαθμός ιοντισμού του οξικού οξέος είναι 1%. Η συγκέντρωση [H₃O⁺] σε υδατικό διάλυμα HCOOH 1 M είναι 10⁻² M. Ποιο από τα δύο οξέα είναι πιο ισχυρό αν οι μετρήσεις έγιναν στην ίδια θερμοκρασία;

Λύση:

1. CH₃COOH: α=0,01, c=0,1 M ⟹ Ka=α²c=(0,01)²·0,1=10⁻⁵.
2. HCOOH: [H₃O⁺]=10⁻² M, c=1 M ⟹ α=[H₃O⁺]/c=10⁻²/1=10⁻² ⟹ Ka=α²c=(10⁻²)²·1=10⁻⁴.
3. Αφού Ka(HCOOH)=10⁻⁴ > Ka(CH₃COOH)=10⁻⁵, το HCOOH είναι το ισχυρότερο οξύ.

Απάντηση: Το HCOOH είναι πιο ισχυρό (Ka=10⁻⁴ έναντι Ka=10⁻⁵ του CH₃COOH).