ثابت تعادل واکنشهای اسید-باز

باتوجه به طبقه بندی اسیدها و بازها به قوی و ضعیف در یک محلول، می توان واکنشهای اسید-باز در یک محلول را به چهار دسته زیر طبقه بندی نمود:

1- واکنش اسید قوی با باز قوی مثل واکنش محلول  با محلول

2- واکنش اسید ضعیف با باز قوی مثل واکنش محلول  با محلول

3- واکنش اسید قوی با باز ضعیف مثل واکنش محلول  با محلول

4- واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف مثل واکنش محلول  با محلول

در ادامه برای هر یک از این دسته ها با نحوه محاسبه ثابت تعادل واکنش و بحث های مربوطه آشنا می شویم.

در مورد دسته اول یا همان واکنش اسید قوی با باز قوی، گونه اسید قوی حلال () حاصل از تفکیک اسیدی کامل اسید قوی با گونه باز قوی حلال () حاصل از تفکیک بازی کامل باز قوی واکنش خواهد داد که واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر بصورت زیر خواهد بود:

که این واکنش عکس واکنش خودیونش حلال است و بنابراین برای ثابت تعادل آن () داریم:

در مورد حلال آب، واکنش اسید قوی با باز قوی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر و ثابت تعادل مربوطه بصورت زیر خواهد بود:

در مورد دسته دوم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز قوی، اسید ضعیف (مثلا ) با گونه باز قوی حلال () حاصل از تفکیک بازی کامل باز قوی واکنش خواهد داد که واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر بصورت زیر خواهد بود:

که این واکنش عکس واکنش تفکیک بازی باز مزدوج اسید ضعیف است و بنابراین برای ثابت تعادل آن () داریم:

در مورد حلال آب، واکنش اسید ضعیف با باز قوی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر و ثابت تعادل مربوطه بصورت زیر خواهد بود:

در مورد دسته سوم یا همان واکنش اسید قوی با باز ضعیف، گونه اسید قوی حلال () حاصل از تفکیک اسیدی کامل اسید قوی با باز ضعیف (مثلا ) واکنش خواهد داد که واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر بصورت زیر خواهد بود:

که این واکنش عکس واکنش تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف است و بنابراین برای ثابت تعادل آن () داریم:

در مورد حلال آب، واکنش اسید قوی با باز ضعیف بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر و ثابت تعادل مربوطه بصورت زیر خواهد بود که بعلت عدم ظاهر شدن ثابت اتوپروتولیز حلال یا گونه باز قوی حلال، ظاهر معادلات بجز اندیس ها با حالت کلی تفاوتی نخواهد داشت:

در مورد دسته چهارم یا همان واکنش اسید ضعیف (مثلا ) با باز ضعیف (مثلا )، واکنش مربوطه در حالت کلی بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر بصورت زیر خواهد بود:

که این واکنش از مجموع واکنش تفکیک اسیدی اسید ضعیف و عکس واکنش تفکیک اسیدی اسید مزدوج باز ضعیف بدست می آید و بنابراین برای ثابت تعادل آن () داریم:

با توجه به اینکه در واکنش یاد شده اسید ضعیف تفکیک اسیدی انجام می دهد و از بین می رود، در حالیکه اسید مزدوج باز ضعیف تشکیل می شود، ثابت تعادل واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف بصورت ثابت تفکیک اسیدی که از بین می رود بخش بر ثابت تفکیک اسیدی که تشکیل می شود، نیز می تواند درنظر گرفته شود.

در مورد حلال آب، واکنش اسید قوی با باز ضعیف بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر و ثابت تعادل مربوطه بصورت زیر خواهد بود که بعلت عدم ظاهر شدن ثابت اتوپروتولیز حلال یا گونه باز قوی حلال، ظاهر معادلات بجز اندیس ها با حالت کلی تفاوتی نخواهد داشت:

دقت داشته باشید که در اینجا درصورتیکه با اسیدها و بازهای چند پروتونی سروکار داشته باشیم، مجددا همان روابط بالا را خواهیم داشت، فقط بایستی  یا  مربوطه را بدرستی در نظر بگیریم. بعنوان مثال برای  که از اسید چهارپروتونی  مشتق شده، در نقش اسیدی  را در نظر می گیریم. در ضمن برای آمفوترها در مقابل مواد با فقط خصلت اسیدی، نقش بازی و در مقابل مواد با فقط خصلت بازی، نقش اسیدی در نظر می گیریم. در صورتیکه واکنش دو آمفوتر با هم را داشته باشیم، نقش اسید یا باز برای هر آمفوتر را به گونه ای انتخاب می کنیم که ثابت تعادل بزرگتری برای واکنش نتیجه شود (بطور کلی واکنشها با ثابت تعادل بزرگتر مهمترند).

در اینجا خوب است بدین نکته هم توجه داشته باشیم که اسید ضعیف یا باز ضعیف ممکن است از تفکیک یونی نمک ها حاصل شوند. بعنوان مثال باز ضعیف استات () ممکن است از تفکیک یونی نمکی مثل سدیم استات () حاصل شود. بطور کلی نمک ها حاصل واکنش اسیدها و بازها هستند و از واکنش بین اسید و بازی که حداقل یکی از آنها قوی است، نمکی نتیجه می شود که الکترولیت قوی خواهد بود و تفکیک یونی کامل خواهد داشت. بعنوان مثال نمک های سدیم و پتاسیم الکترولیت قوی با تفکیک یونی کامل در نظر گرفته می شوند. تفکیک یونی کامل نمک ها بایستی قبل از واکنشهای اسید-باز لحاظ شود.

مثال: در هر مورد، واکنش اسید-باز ممکن بین مواد ذکر شده را بدون در نظر گرفتن یونهای ناظر نوشته و ثابت تعادل مربوطه را بدست آورید.

الف)

ب)

ج)

د)

ه)

و)

ز)

ح)

ط)

ی)

اطلاعات:

حل:

الف)

ب)

ج)

د)

ه)

و)  آمفوتر است (هم می تواند نقش اسیدی و می تواند نقش بازی داشته باشد) ، اما در برابر باز قوی تنها می تواند نقش اسیدی داشته باشد که  مربوطه  اسید دوپروتونی  است، پس داریم:

ز)  آمفوتر است (هم می تواند نقش اسیدی و می تواند نقش بازی داشته باشد) ، اما در برابر اسید قوی  تنها می تواند نقش بازی داشته باشد که  اسید مزدوج مربوطه،  اسید سه پروتونی  است، پس داریم:

خوب است بدین نکته هم توجه داشته باشیم که در اینجا اگر  واکنشگر اضافی باشد، می تواند با  تولید شده وارد واکنش شود.

ح)  آمفوتر است (هم می تواند نقش اسیدی و می تواند نقش بازی داشته باشد)، اما در برابر باز ضعیف  تنها می تواند نقش بازی داشته باشد که  مربوطه،  اسید سه پروتونی  است، پس داریم:

 ط) واکنش بصورت زیر خواهد بود که به دسته واکنش اسید ضعیف با باز ضعیف تعلق دارد و در آن اسیدی که از بین می رود،  است که  مربوطه،  اسید سه پروتونی  است و اسیدی که تولید می شود،  است که  مربوطه،  اسید سه پروتونی  است:   

ی) دو واکنش زیر را می توان در نظر گرفت که اولی بعلت ثابت تعادل بزرگتر مهمتر است:

*****

از بحث تعادل شیمیائی می دانیم که مقدار پیشرفت یک واکنش تحت تاثیر بزرگی مقدار ثابت تعادل واکنش قرار دارد و با افزایش مقدار ثابت تعادل، واکنش به مقدار بیشتری به سمت محصولات پیشرفت میکند. در این راستا واکنشها را می توان به سه دسته واکنشها با ثابت تعادل خیلی بزرگ یا واکنشهای کمی یا تقریبا کامل، واکنشها با ثابت تعادل خیلی کوچک یا واکنشهای غیرکمی یا تقریبا انجام ناپذیر و واکنشها با ثابت تعادل نه خیلی بزرگ و نه خیلی کوچک یا واکنشهای مابین کمی و غیر کمی طبقه بندی نمود. یک معیار برای این طبقه بندی عدد  (یا معیار تقریبی تر عدد ) است که در آن، واکنشها با ثابت تعادل بزرگتر از  کمی، واکنشها با ثابت تعادل کوچکتر از  غیرکمی و واکنشها با ثابت تعادل مابین  و  مابین محسوب می شوند. آگاهی از کمی یا غیرکمی بودن واکنشها می تواند در محاسبه غلظت ها مفید واقع شود. علاوه براین بطورکلی در محاسبه غلظت های تعادلی بهتر است در ابتدا تمامی واکنشهای کمی (تقریبا کامل) موجود بین گونه های حاضر در محلول در نظر گرفته شوند و محاسبات استوکیومتری مربوطه انجام شوند و سپس برای محلول فاقد واکنش کمی بعنوان محلول نهایی روابط لازم برای محاسبه غلظت های تعادلی نوشته و حل شوند. با توجه به اهمیت تعیین کمی یا غیرکمی بودن واکنشها در ادامه بررسی می کنیم که هر دسته از واکنشهای اسید-باز تحت چه شرایطی کمی هستند.

برای واکنشهای دسته اول یا همان واکنش اسید قوی با باز قوی، برای کمی بودن باید داشته باشیم:

از آنجائیکه برای حلالهایی که ما با آنها سروکار داریم، ثابت اتوپروتولیز حلال () یک عدد خیلی کوچک و کمتر از  است، می توان نتیجه گرفت که واکنش اسید قوی با باز قوی همواره یک واکنش کمی است.

برای واکنشهای دسته دوم یا همان واکنش اسید ضعیف با باز قوی، برای کمی بودن باید داشته باشیم:

در مورد حلال آب خواهیم داشت:

بعنوان مثال انتظار می رود واکنش اسید ضعیفی مثل  () با سود کمی باشد، در حالیکه برای واکنش اسید ضعیفی مثل  () با سود اینگونه نباشد.

برای واکنشهای دسته سوم یا همان واکنش اسید قوی با باز ضعیف، برای کمی بودن باید داشته باشیم:

بعنوان مثال انتظار می رود واکنش باز ضعیفی مثل  () با  کمی باشد، در حالیکه برای واکنش باز ضعیفی مثل  () با  اینگونه نباشد.

برای واکنشهای دسته چهارم یا همان واکنش اسید ضعیف (مثلا ) با باز ضعیف (مثلا )، برای کمی بودن باید داشته باشیم:

بعبارت دیگر برای کمی بودن بایستی ثابت تفکیک اسیدی که از بین می رود، از هزار برابر ثابت تفکیک اسیدی که تشکیل می شود، بیشتر باشد. بعنوان مثال انتظار می رود واکنش اسید ضعیف  () با باز ضعیفی مثل  () کمی باشد، در حالیکه برای واکنش آن با باز ضعیفی مثل  () اینگونه نباشد.

تمرین: بازها با  در چه محدوده ای در یک واکنش اسید-باز تقریبا کامل (کمی) با یون آنیلینیوم  () شرکت خواهند کرد؟

حل:

باید  یون آنیلینیوم از هزار برابر  اسید مزدوج باز بیشتر باشد، پس داریم:

*****

از روی روابط ثابت تعادل برای واکنشهای اسید-باز می توان دید که در هر حلال، کمی ترین واکنش اسید-باز ممکن واکنش بین اسید قوی با باز قوی یا همان واکنش گونه اسید قوی حلال با گونه باز قوی حلال است. در ضمن برای یک اسید ضعیف مشخص، واکنش با باز قوی و برای برای یک باز ضعیف مشخص، واکنش با اسید قوی کمی ترین واکنش اسید-باز ممکن خواهد بود. همچنین واکنش بین اسید قویتر و باز قویتر از واکش بین اسید ضعیفتر و باز ضعیفتر کمی خواهد بود.

تمرین: حلال آمونیاک () را در نظر بگیرید:

الف) کمی ترین واکنش اسید-باز ممکن را نوشته و ثابت تعادل آن را مشخص کنید.

ب) آب بعنوان حل شونده در حلال آمونیاک یک اسید ضعیف با  درنظر گرفته می شود. کمی ترین واکنش اسید-باز ممکن برای آب در حلال آمونیاک را نوشته و ثابت تعادل آن را مشخص کنید.

*****

همانطور که قبلا هم گفتیم، برای هر محلول باید در ابتدا کلیه واکنشهای کمی (تقریبا کامل) موجود در نظر گرفته شوند و محاسبات استوکیومتری مربوطه انجام شوند تا زمانیکه بین گونه های حاضر در محلول واکنش کمی نداشته باشیم. بدین منظور واکنش اسید-باز بین قویترین اسید و قویترین باز حاضر در محلول را در نظر می گیریم. در صورتیکه کمی باشد، محاسبات استوکیومتری مربوط به واکنش کامل بین آنها را انجام می دهیم و غلظت های گونه ها در محلول را بر اساس آن از نو بدست می آوریم. سپس مجددا قویترین اسید و قویترین باز حاضر در محلول را شناسایی کرده و واکنش اسید-باز بین آنها را در نظر می گیریم و در صورت کمی بودن مجددا محاسبات استوکیومتری مربوط به واکنش کامل بین آنها را انجام می دهیم و غلظت ها را از نو بدست می آوریم. بدین روند تا زمانی ادامه می دهیم که واکنش اسید-باز بین قویترین اسید و قویترین باز حاضر در محلول دیگر کمی نباشد. اگر این واکنش کمی نباشد، مطمئنا دیگر واکنش های اسید-باز ممکن هم کمی نخواهند بود. برای این محلول که فاقد واکنش کمی است و می تواند بعنوان محلول نهایی در نظر گرفته شود، می توان به سراغ محاسبه غلظت های تعادلی رفت.

تمرین: در هر مورد محلول نهایی (فاقد واکنش کمی) را مشخص نمائید.

الف) محلول حاصل از اختلاط  محلول  با  محلول

ب) محلول

ج)

د)

اطلاعات:

حل:

الف) در اثر اختلاط (بدون در نظر گرفتن واکنش) غلظت  به  و غلظت  به  کاهش خواهد یافت. بین این دو واکنش کمی زیر را خواهیم داشت:

که با در نظر گرفتن یونهای ناظر بصورت زیر درخواهد آمد:

و بر اساس آن، محاسبات استوکیومتری نتیجه می دهد که محلول نهایی محتوی  و  خواهد بود.

ب) بین این دو واکنش کمی زیر را خواهیم داشت:

که با در نظر گرفتن یونهای ناظر بصورت زیر درخواهد آمد:

و بر اساس آن، محاسبات استوکیومتری نتیجه می دهد که محلول نهایی محتوی  و  خواهد بود.

ج) بین این دو واکنش کمی زیر را خواهیم داشت:

که با در نظر گرفتن یونهای ناظر بصورت زیر درخواهد آمد:

و بر اساس آن، محاسبات استوکیومتری نتیجه می دهد که محلول نهایی محتوی  و  خواهد بود.

د) در ابتدا قویترین اسید  و بین  و  قویترین باز  است (چرا؟) که بین آنها واکنش کمی زیر را داریم:

بعد از انجام آن غلظت گونه های دارای خصلت اسیدی و بازی یعنی  و  به ترتیب برابر  و  مولار خواهد بود که در آن قویترین اسید همچنان  و بین  و  قویترین باز  است (چرا؟) که بین آنها واکنش کمی زیر را داریم:

بعد از انجام آن غلظت گونه های دارای خصلت اسیدی و بازی یعنی  و  به ترتیب برابر  و  مولار خواهد بود که در آن قویترین اسید همچنان  و بین  و  قویترین باز  است (چرا؟) که بین آنها واکنش کمی زیر را داریم:

بعد از انجام آن غلظت گونه های دارای خصلت اسیدی و بازی یعنی  و  به ترتیب برابر  و  مولار خواهد بود که در آن قویترین اسید همچنان  و بین  و  قویترین باز  است (چرا؟) که بین آنها واکنش کمی زیر را داریم:

بعد از انجام آن غلظت گونه های دارای خصلت اسیدی و بازی یعنی  و  به ترتیب برابر  و  مولار خواهد بود که در آن دیگر واکنش کمی نداریم. پس در نهایت محلول بصورت  و  درخواهد آمد.

*****

تمرین: چند مول  به دو لیتر محلول  و  اضافه کنیم تا غلظت اسید استیک درآن به  برسد؟

*****

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||