podstata výpočtů pH
Dobrý den. Mám nejasnosti ohledně výpočtu pH. Četl jsem dneska něco na iternetu, takže vím, že pH je záporný logaritmus koncentrace H+ nebo H3O+ a pOH záporný logaritmus koncentrace OH- a že pH + pOH = 14. Nerozumím ale všem věcem okolo a hlavně podstatě těchto vzorců. Nerozumím například, prož je součet zrovna 14. Vím jen, že to vyplývá z jakéhosi iontového součinu vody. Takže moje otázka není ani tak otázka, jako spíš prosba, abyste mi to (a hlavně veci týkající se čtrnáctky a iontového součinu) vysvětlili jako naprostému idiotovi od úplných základů až po co nejvyšší úroveň. Hledal jsem dnes něco na internetu a nenašel jsem nic co by mi toto vysvětlilo, nebo nic, čemu bych rozuměl. Záježí na vaší dobrovolnosti, rád přijmu každou odpověď. Děkuji :)
Odpovědi
Diskuze
2H2O <=> H3O+ + OH- . Mluvíme o autodisociaci vody.
Jde o rovnovážnou vratnou reakci. Opačně nabité ionty se v roztoku setkají a opět se spojí za vzniku vody - rekombinují. Jiné molekuly se zároveň v jiném místě objemu srazí a díky energii srážky (- důsledku tepelného pohybu) se rozpadnou. Koncentrace obou iontů je tedy v čisté vodě stejná a závisí na teplotě. Čím vyšší teplota bude, tím víc srážek bude mít dostatečnou energii, aby došlo k disociaci. Tím vznikne víc obou iontů, stoupne jejich koncentrace. Ale v tom případě se častěji setkají opačně nabité ionty a budou rekombinovat. Tak se ustaví nová rovnováha se zvýšenou koncentrací obou iontů. Koncentrace obou iontů je závislá na teplotě. Tabulkové hodnoty jsou udávány pro teplotu 25°C.
Rovnováhu autodisociace čisté vody popisuje disociační konstanta
K = c(H3O+)*c(OH-)/c(H2O)^2; protože Koncentrace vody v 1dm3 se u zředěných roztoků mění jen velmi málo, je možné považovat c(H2O) za konstantu, rovnou přibližně 55,5mol/dm3 a zahrnout ji do hodnoty K:
K*55,5^2 = c(H+)*c(OH-) = Kw = 10^-7*10^-7 = 10^-14; pKw = pH + pOH = 14
Konstantu Kw nazýváme "iontový produkt" ( iontový součin) vody a má tedy při 25°C hodnotu 10^-14, respektive pKw = -log(Kw) = 14.
Zatím jsme uvažovali jen o čisté vodě. Přidejme nyní do vody silnou jednosytnou kyselinu v množství, které vytvoří koncentraci 10^-3 mol/dm3. 10000x vyšší koncentrace H3O+ znamená, že se H3O+ a OH- budou potkávat podstatně častěji, takže bude častěji docházet k rekombinaci. Ale k autodisociaci bude docházet stejně často, jako před přídavkem kyseliny. Proto se sníží koncentrace iontů OH-. Je to jako s houbami. Houby rostou v daných podmínkách stejně. Kolik hub z lesa přinesu, závisí na počtu houbařů v tom lese.
Koncentraci iontů H3O+ jsme tedy přídavkem kyseliny zvýšili na 10^-3 mol/dm3. Koncentrace iontů OH- klesne na x:
Kw = 10^-3 * x = 10^-14 => x = 10^-14/10^-3 = 10^-11 nebo
pKw = pH + pOH = 3 + pOH = 14 => pOH = 14 - 3 = 11
Část iontů OH- tedy rekombinovala na vodu díky vyšší koncentraci H3O+ aniž by byla doplňována disociací vody, protože dočasně se zvýšila rychlost rekombinace. Úbytek koncentrace H3O+ byl zanedbatelný. Počáteční množství H3O+ bylo
n(H3O+) = 10^-3 + 10^-7 = 1,0007*10^-3 mol/dm3
Ubytek OH- bude n(OH-) = 10^-7 - 10^-11 = 9,999*10^-8
Stejné množství H3O+ se soutřebuje na rekombinaci. Výsledné množství H3O+ teby bude
n(H3O+) = 10^-3 + 10^-7 - 9,999*10^-8 = 1,00000001*10^-3 mol/dm3.
Je zřejmé, že rodíl mezi hodnotou 10^-3 a přesně vypočtenou hodnotou je zcela zanedbatelný. S přesnými hodnotami bychom museli počítat v případě malých změn pH, tedy pokud bychom se pohybovali v rozmezí pH přibližně 6 až 8. Mimo toto rozmezí jsou změny koncentrací obou iontů tak velké, že vliv změn množství H3O+ a OH- vzniklých autodisociací na rovnovážnou koncentraci iontu, který jsne do vody přidali kyselinou (nebo zásadou) je zanedbatelný. Zatím co autodisociace vody probíhá stále steně rychle, rekombinaci nyní určuje zvýšená koncentrace H3O+ ( nebo OH- při přídavku zásady).
Analogické úvahy platí i pro přídavek zásady. Přídavek silné jednosytné zásady, který znamená koncentraci 10^-4 OH- (pOH = 4 ) vyvolá změnu pH (= koncentraci HJ3O+) na
pH = 14 - 4 = 10.
Ještě poznámka - pojem silná kyselina nebo silná zásada znamená, že je v roztoku zcela disociovaná na ionty. O slabých kyselinách a zásadách snad jindy.
Stačí?
H2O + H2O = H3O+ + OH- a zpětnou reakcí H3O+ + OH- = 2H2O. Rychlost reakce je dána konstantou, závisející na energii vazby a teplotě. Dále pak proměnými, kterými jsou koncentrace reaktantů. Zatím co koncentrace H2O je ve zředěných roztocích konstantní (a konstantní je tedy i rychlost disociační reakce), koncentrace H3O+ a OH- se přídavkem některého z obou iontů může změnit. Přidáme-li tedy do vody kyselinu, vzroste koncentrace H3O+ v důsledku disociace kyseliny a tedy i rychlost druhé z reakcí a budou se spotřebovávat OH- tak dlouho, až koncentrace obou reaktantů klesne tak, že součin koncentrací obou iontů se vrátí na původní hodnotu. Rychlost reakce
A + B = AB
je dána vztahem
v = k*c(A)*c(B); Vzroste - li tedy součin c(H3O+)*c(OH-), vzroste i rychlost reakce
H3O+ + OH- = 2H2O, takže rekombinace obou iontů bude rychlejší, než disociace vody a iontový součin bude klesat. Současně bude klesat i rychlost rekombinační reakce tak dlouho, až se vyrovná rychlosti disociace, což bude při Kw = 10^-14. Jak jsem ukázal nahoře, většinou je úbytek přidaného iontů v důsledku rekombinace zanedbatelný, takže významně se mění jen koncentrace druhého člena páru H3O+/OH-.
Stačí?
NH3 + H3O+ = NH4+ + H2O. Spotřebovanými ionty H3O+ klesne iontový produkt vody a zpomalí se rekombinace, zatím co disociace bude probíhat stále stejně rychle. V důsledku toho se bude zvyšovat koncentrace OH- a snižovat koncentrace H3O+. V rovnováze se ustaví taková koncentrace H3O+ a OH-, až bude pKw = 14 a obě reakce budou mít opět stejnou rychlost. Podobný efekt bude mít přídavek soli silné zásady a slabé kyseliny, třeba octanu sodného. Octanový iont bude z roztoku vázat protony tak dlouho, až se ustaví rovnováha c(CH3COO-)*c(H3O+)/c(CH3COOH). Spotřeba protonů vyvolá nárůst koncentrace OH- tak, aby se vyrovnaly rychlosti disociační a rekombinační reakce vody a důsledkem bude vzestup pH - roztok octanu sodného bude reagovat zásaditě. Naopak přídavek ZnCl2 povede k tomu, že slabá zásada Zn(OH)2 bude vázat ionty OH-, jejich úbytek vyvolá vzrůst koncentrace H3O+ a roztok bude kyselý. Jak moc se okyselí, bude záviset na vlastnostech Zn(OH)2.