Děje v roztocích RNDr. Marta Najbertová

Označení vzdělávacího materiálu Vzdělávací oblast Vzdělávací obor Název školy Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Adresa školy Sokolovská 1638 IČO 620 330 26 Operační program Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Registrační číslo CZ.1.07/1.1.28/01.0050 Označení vzdělávacího materiálu K_INOVACE_1.CH.10 Vzdělávací oblast Člověk a příroda Vzdělávací obor Chemie Tematický okruh Děje v roztocích Zhotoveno Ročník Vyšší stupeň osmiletého gymnázia a čtyřleté gymnázium (RVP – G) Anotace Materiál je určen jako studijní materiál v předmětu chemie. Je zaměřen na obecnou charakteristiku dějů v roztocích a jejich popis pomocí rovnováhy. Primárně je koncipován pro seminář chemie, lze jej využít i v hodinách chemie.

Roztoky Roztoky jsou analytické disperzní soustavy, obsahují alespoň dva druhy hmoty (dvě fáze nebo dvě složky), z nichž jeden druh (dispergovaný podíl = rozpuštěná látka) je rozptýlen ve druhém (disperzním prostředí = rozpouštědlo) ve formě více nebo méně jemných částic. Roztoky neelektrolytů – roztoky rozpuštěných látek s nepolární nebo slabě polární kovalentní vazbou – molekuly rozpouštědla a rozpuštěné látky poutány pouze van der Walsovými silami. Roztoky elektrolytů – rozpouštědlo a rozpuštěná látka ve formě iontů. Potenciální elektrolyty – látky s polární kovalentní vazbou. Molekuly se působením polárního rozpouštědla rozpadnou na ionty. Pravé elektrolyty – látky s iontovou vazbou. Ionty jsou již přítomny v molekule látky před rozpuštěním.

Ionizace a disociace - - - - - - - + + + + + + + Rozpad původní struktury pravých a potenciálních elektrolytů za vzniku volně rozptýlených iontů se obvykle označuje společným označením elektrolytické disociace. Ve skutečnosti ale oba děje probíhají odlišně. Potencionální elektrolyty – silovým působením polárních molekul rozpouštědla se původní polárně kovalentní vazba rozpouštěné látky bez náboje přemění na ionty – ionizace. Následně dojde k disociaci. - + Pravé elektrolyty – ionty jsou již přítomny v krystalové struktuře iontové sloučeniny, dojde pouze k jejich rozptýlení mezi molekuly rozpouštědla – disociace. - + - - + - - - + + + +

Disociační rovnovážná konstanta Procesy elektrolytické disociace v kapalných roztocích mají rovnovážný charakter. Obecně probíhá disociace podle rovnice B – elektropozitivní část molekuly A – elektronegativní část molekuly β, α – stechiometrické koeficienty β-, α+ – náboje Rovnováhu můžeme kvantitativně vyjádřit disociační rovnovážnou konstantou Kd, která má tvar obecné rovnovážné konstanty: Kd proto, abychom vyjádřili elektrolytickou disociaci

Disociační rovnovážná konstanta Je důležité zdůraznit, že uvedené vztahy platí v určitém rozsahu koncentrací, při kterých nedochází k vzájemnému elektrostatickému ovlivňování vzniklých iontů mezi sebou a nedochází k interakcím s molekulami rozpouštědla. Při vyšších koncentracích bychom měli koncentrace nahradit aktivitami iontů.

Disociační rovnovážná konstanta Protože má disociační rovnovážná konstanta charakter obecné rovnovážné konstanty, může nabývat teoreticky jakoukoliv hodnotu. Z hlediska popisu soustavy a pochopení dějů v ní probíhající jsou důležité 3 hodnoty: Koncentrace produktů je výrazně menší než výchozích látek, disociací vzniklo málo iontů, roztok je slabý elektrolyt. Koncentrace iontů a nedisociovaných molekul přibližně stejná. Koncentrace produktů je výrazně větší než výchozích látek, disociací vzniklo hodně iontů, roztok je silný elektrolyt.

Iontový produkt V případě látek nerozpustných nebo omezeně rozpustných, jejichž Kd je výrazně menší než 1 (řádově 10-4 až 10-49), se k popisu dějů v elektrolytu používá veličina iontový produkt, vztah pro jeho výpočet se nazývá součin rozpustnosti. Protože je koncentrace nedisociované látky téměř konstantní, lze ji zahrnout do původní Kd. Tento vztah bude důležitý pro definici stupnice pH. Obvykle se slučuje pojem iontový produkt a iontový součin. Iontový produkt je veličina, jeho hodnota je označována jako iontový součin. Zatím neuvádím jednotku iontového součinu. Nalezení reakcí, jejichž produkty mají nízkou hodnotu iontového produktu, je důležité pro kvalitativní a kvantitativní analýzu. Protože součin konstant na levé straně je konstantní, můžeme zavést novou konstantu iontový produkt látka BβAα.

Iontový produkt Iontový produkt – součin koncentrací iontů, vznikajících elektrolytickou disociací, umocněný na jejich stechiometrické koeficienty, je v nasyceném roztoku elektrolytu při neměnných podmínkách (teplota, tlak) konstantní. Př.: V tabulkách je uvedena hodnota iontového produktu síranu barnatého při 25◦C a tlaku 101325 Pa 1,5 ∙ 10-9. Určete koncentrace iontů v roztoku. Protože oba ionty vznikají disociací v poměru 1:1, , je výpočet snadný

Praktická aplikace – srážecí reakce Iontový produkt AgCl má hodnotu KAgCl = 1, 1 . 10-10. Jaké děje nastanou v roztoku po přidání dobře rozpustného chloridu sodného? Po znovuustanovení rovnováhy se zvýšila koncentrace Cl- na hodnotu [Cl-] = 2 . 10-3. Původní koncentrace Po přidání NaCl se zvýšila koncentrace Cl- . Protože KAgCl musí být konstantní, část z přidaného Cl- se sloučilo s Ag+ za vzniku nedisociovaného AgCl. Koncentrace Ag+ po proběhnutí dějů je Bližší o této problematice v praktických cvičeních, zaměřených na analytickou chemii. Problematická je tato rovnováha v případě možné tvorby komplexních sloučenin. Tento jev, který se označuje srážení stejnojmenným iontem, je základem pro důkaz kationtů a aniontů v analytické chemii a je využíván při přípravě sloučenin.

Solvolýza Solvolýza je děj, kdy dochází k vzájemné reakci iontů rozpuštěné látky s ionty rozpouštědla. Podle charakteru rozpouštědla se pro obecný pojem solvolýza upřesňuje: Je-li rozpouštědlem voda hydrolýza amoniak amonolýza alkohol alkoholýza Z praktického hlediska jsou nejdůležitější hydrolytické reakce (voda je nejrozšířenější rozpouštědlo). Při hydrolytických reakcích dochází ke změnám koncentrací H3O+ a OH-. Tyto změny koncentrací mají za následek změnu pH, detailně budou zmíněny v oddíle acidobazické vlastnosti roztoků.

Aktivity iontů Vlastnosti roztoků závisí na koncentraci látek pouze při malé koncentraci iontů vzniklých disociací. Při vyšších koncentracích iontů dochází k jejich elektrostatickému přitahování a tvorbě lokálních shluků. Zředěné roztoky Koncentrované roztoky Toto je důležité si uvědomit a použít pro vysvětlení pH roztoků silných kyselin a zásad, kde budeme vycházet z jejich koncentrace, určující koncentraci H3O+ a OH-. Koncentrace je ve výpočtech nahrazena aktivitami iontů (γ) ☺

Solvatace - - - - - - - - + + + + + + + + + + Příkladem tvorby lokálních shluků je solvatace. V tomto případě se elektrostaticky přitahují ionty rozpuštěné látky a rozpouštědla, které vytváří okolo iontu lyosféru. Vzniklá lyosféra má větší objem než původní iont. V případě vody mluvíme o hydrataci a hydrosféře. + + - + - + + - - - + + + - - - + +

Zdroje a použitá literatura 1. Atkins, P. W. a De Paula, Julio. Fyzikální chemie. Vyd. 1. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2013. xxvi, 915 s. ISBN 978-80-7080-830-6. 2. Klikorka, Jiří, Votinský, Jiří a Hájek, Bohumil. Obecná a anorganická chemie: celost. vysokošk. učebnice pro vys. školy chemicko-technologické. 1. vyd. Praha: SNTL, 1985. 591 s. 3. Grafy, rovnice a vzorce vytvořeny autorem aplikacemi v Microsoft PowerPoint 2010.