Przeczytaj

Podczas rozpuszczania w wodzie, część elektrolitów ulega całkowitemu rozpadowi na jony, a część jest zdysocjowana tylko w niewielkim stopniu. Naukowcy zaobserwowali to pośrednio wykonując proste doświadczenia. Zauważyli, m.in. że roztwory elektrolitów:

w zróżnicowany sposób zabarwiają wskaźniki $pH$ ,

cechują się różnymi wartości $pH$ , które wskazywane są przez pehametr,

odmiennie przewodzą prąd powodując intensywniejsze albo słabsze świecenie żarówki.

bg‑azure

Mocne i słabe elektrolity

Wyniki te stanowiły podstawę do klasyfikacji elektrolitów na mocneelektrolit mocnyelektrolitów na mocne i słabeelektrolit słabyi słabe. Elektrolity mocne to te, które cechuje praktycznie całkowita dysocjacja. Z kolei elektrolity słabe charakteryzuje obecność w roztworze zarówno jonów, jak i dużej ilości cząsteczek niezdysocjowanych.

Świat nauki oprócz jakościowych wyników, wymaga precyzyjnych ilościowych danych pomiarowych umożliwiających obiektywne porównywanie mocy elektrolitówelektrolitymocy elektrolitów. W tym celu zostały zaproponowane dwa parametry m.in. stała dysocjacji ( $K$ )stała dysocjacji ( $K$ )stała dysocjacji ( $K$ ) oraz stopień dysocjacji ( $α$ )stopień dysocjacji ( $α$ )stopień dysocjacji ( $α$ ), uzyskane w wyniku prowadzonych doświadczeń w określonych warunkach termicznych.

bg‑azure

Porównanie dwóch parametrów: stopnia i stałej dysocjacji w układzie mocny i słaby elektrolit

Przykład 1

Na rysunku znajdują się dwie zlewki, w których znajdują się roztwory kwasu chlorowodorowego i kwasu fluorowodorowego o stężeniach $0,1 \frac{mol}{{dm}^{3}}$ . W pierwszej zlewce możesz zauważyć, że znajdujący się w niej kwas chlorowodorowy całkowicie zdysocjował na jony – jest to tzw. elektrolit mocny. W drugiej zlewce znajdujący się w niej kwas fluorowodorowy zdysocjował częściowo – w roztworze obecne są jony i cząsteczki niezdysocjowane – jest to słaby elektrolit.

R1LAbz1nmayMl

Ilustracja przedstawiająca dwie zlewki z roztworami 0,1 mol na decymetr sześcienny. W pierwszej roztwór kwasu chlorowodorowego HCl, zaś w drugiej roztwór kwasu fluorowodorowego HF. Pod pierwszą zlewką równanie reakcji: HCl dodać H2O, strzałka w prawo, za strzałką H3O+ dodać Cl-. Pod równaniem <math aria‑label="K większe od jeden">K>1, x=Cl−=H3O+=Czdys, Czdys≈C0≈0,1 moldm3, Cniezdys≈0 moldm3, α=CzdysC0⋅100<mi">%=0,1 moldm30,1 moldm3⋅100%=100%. Pod prawą zlewką równanie HF+H2O⟶H3O++F−, Czdys≈C0≈0,1 moldm3, Cniezdys≈0 moldm3, α=CzdysC0⋅100%=0,1 moldm30,1 moldm3⋅100%=100%. Pod pierwszą zlewką równanie reakcji: HF dodać H2O, strzałka w prawo, za strzałką H3O+ dodać F-. Pod równaniem <math aria‑label="K mniejsze niż jeden">K<1, K=6,3⋅10−4, obok K=FH3O+−HF. Poniżej X=F=H3O+=Czdys, dalej 6,3⋅10−4=x20,1 moldm3−x. Zatem x=0,0076 moldm3. Cniezdys=C0−Czdys=0,1 moldm3−0,0076 moldm3=0,0924 moldm3, α=CzdysC0⋅100%=0,0076 moldm30,1 moldm3⋅100%=7,6%. — Elektrolity mocne i słabe
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Objaśnienia:

$C_{0}$ – stężenie początkowe - $C_{zdys}$ – stężenie drobin zdysocjowanych (jonów)
$C_{niezdys}$ – stężenie drobin niezdysocjowanych
$α$ – stopień dysocjacji
$K$ – stała dysocjacji

W przypadku mocnego elektrolitu, którego stopień dysocjacji jest bliski $100 %,$ liczba niezdysocjowanych drobin $H A$ jest niezauważalnie mała, dlatego stężenie $[H A]$ jest bliskie $0$ .

W przypadku słabego elektrolitu, którego stopień dysocjacji jest mniejszy od $5 %$ , stężenie niezdysocjowanych drobin $[H A]$ wynosi:

[H A] = C_{0} - [H_{3} O^{+}]

W związku z niskim stopniem dysocjacji wartość stężenia równowagowego jonów oksoniowych jest bliska $0$ :

[H_{3} O^{+}] \approx 0

[H A] = C_{0}

Analiza rysunku w połączeniu ze wzorami na stopień i stałą dysocjacji wskazuje, że:

Stopień dysocjacji ( $α$ ) lepiej charakteryzuje mocne elektrolity, gdyż dotyczy stężenia drobin zdysocjowanych (których jest więcej w mocnych elektrolitach) do stężenia początkowego elektrolitu.
Stopień dysocjacji ( $α$ ) zależy od stężenia początkowego elektrolitu i zmienia się wraz z jego zmianą (rośnie, gdy stężenie początkowe maleje i vice versa).
Stała dysocjacji ( $K$ ) lepiej charakteryzuje elektrolity słabe, gdyż dotyczy stosunku stężenia drobin zdysocjowanych ( $C_{zdys}$ ) do stężenia drobin niezdysocjowanych, których stężenie w słabych elektrolitach z założenia jest równe stężeniu początkowemu elektrolitu ( $C_{0}$ ).
Stała dysocjacji ( $K$ ) nie zależy od stężenia początkowego elektrolitu, dlatego jest lepszym wskaźnikiem do oceny mocy elektrolitów, głównie słabych.

Z uwagi na powyższe wnioski, zwłaszcza punkt $4 .$ , w dalszych rozważaniach dotyczących mocy elektrolitów skoncentrowano się głównie na wartościach dotyczących stałej dysocjacji.

bg‑azure

Zapewne zastanawiasz się, gdzie możesz odnaleźć wartości stałych dysocjacji i jak są one oznaczane?

Znajdują się one np. w tablicach fizykochemicznych i oznaczane są one literą $K$ . Często w indeksie dolnym przy literze $K$ pojawiają się dodatkowe oznaczenia, np. $K_{a}$ , $K_{b}$ , $K_{a 1}$ , $K_{a 2}$ , $K_{b 1}$ ... Co one oznaczają? Stała dysocjacji może dotyczyć roztworów kwasów (ang. acids) stąd pojawia się litera „a” w indeksie przy $K_{a}$ , bądź roztworów zasad (ang. bases) stąd litera „b” w indeksie $K_{b}$ . Z kolei cyfry pojawiające się po literach wskazują na etap dysocjacji, jeżeli mamy do czynienia z elektrolitem dysocjującym wielostopniowo, np. $K_{a 1}$ oznacza wartość stałej dysocjacji kwasowej dla pierwszego etapu dysocjacji, a $K_{a 2}$ oznacza wartość stałej dysocjacji kwasowej dla drugiego etapu dysocjacji.

H_{2} {SO}_{3} + H_{2} O ⇄ {HSO}_{3}^{-} + H_{3} O^{+}

K_{a 1} = 1, 2 \cdot 10^{- 2} (T = 25 ° C)

{HSO}_{3}^{-} + H_{2} O ⇄ {SO}_{3}^{2 -} + H_{3} O^{+}

K_{a 2} = 6, 6 \cdot 10^{- 8} (T = 25 ° C)

bg‑azure

Wartości stałych dysocjacji

Poniżej przedstawiono wartości stałych dysocjacji dla wybranych elektrolitów w temperaturze $25 ° C$ (lub w innej, co zaznaczono przy wartościach stałych w tabeli). Jak widać stała dysocjacji zależy od warunków termicznych, dlatego ważne jest zaznaczenie temperatury pomiaru. Umożliwia to śledzenie zmian wartości stałej dysocjacji danego elektrolitu w różnych warunkach termicznych, bądź porównanie wartości stałej dysocjacji danego elektrolitu z innym elektrolitem przy założeniu tych samych warunków termicznych, w celu określenia, który z nich jest mocniejszy.

**Stałe dysocjacji wybranych kwasów nieorganicznych w roztworach wodnych w temperaturze $25 ° C$**
Kwas nieorganiczny	Stała dysocjacji $K_{a}$ lub $K_{a 1}$
$HF$	$6,3 \cdot 10^{- 4}$
$HCl$	$1,0 \cdot 10^{7}$
$HBr$	$10$ ⁹
$HI$	$1,0 \cdot 10^{10}$
$H_{2} S$	$8,91 \cdot 10^{- 8}$
$H_{2} Se$	$1,29 \cdot 10^{- 4}$
$H_{2} Te$	$2,51 \cdot 10^{- 3}$
$HClO$	$3,98 \cdot 10^{- 8}$
${HClO}_{2}$	$1,15 \cdot 10^{- 2}$
${HClO}_{3}$	$10$
${HNO}_{2}$	$5,62 \cdot 10^{- 4}$
${HNO}_{3}$	$25$
$H_{2} {SO}_{3}$	$1,41 \cdot 10^{- 2}$
$H_{3} {BO}_{3}$	$5,37 \cdot 10^{- 10}$
$H_{3} {AsO}_{3}$	$6 \cdot 10^{- 10}$
$H_{3} {AsO}_{4}$	$5,50 \cdot 10^{- 3}$
$H_{3} {PO}_{4}$	$6,92 \cdot 10^{- 3}$
$H_{3} {SiO}_{4}$	$1,26 \cdot 10^{- 10}$
$H_{2} {CO}_{3}$	$4,47 \cdot 10^{- 7}$

**Stałe dysocjacji wybranych kwasów organicznych w roztworach wodnych w temperaturze $25 ° C$**
Kwas organiczny	Stała dysocjacji $K_{a}$
$HCOOH$	$1,78 \cdot 10^{- 4}$ ( $T = 20 ° C$ )
${CH}_{3} COOH$	$1,75 \cdot 10^{- 5}$
${CH}_{3} {CH}_{2} COOH$	$1,35 \cdot 10^{- 5}$
$C_{6} H_{5} COOH$	$6,25 \cdot 10^{- 5}$
$C_{6} H_{5} OH$	$1,02 \cdot 10^{- 10}$ ( $T = 20 ° C$ )

**Stałe dysocjacji wybranych zasad w roztworach wodnych w temperaturze $25 ° C$**
Zasada	Stała dysocjacji $K_{b}$
${NH}_{3}$	$1,78 \cdot 10^{- 5}$
${CH}_{3} {NH}_{2}$	$4,57 \cdot 10^{- 4}$
${CH}_{3} {CH}_{2} {NH}_{2}$	$4,47 \cdot 10^{- 4}$
${CH}_{3} {CH}_{2} {CH}_{2} {NH}_{2}$	$3,47 \cdot 10^{- 4}$
${({CH}_{3})}_{2} NH$	$5,37 \cdot 10^{- 4}$
${({CH}_{3})}_{3} N$	$6,31 \cdot 10^{- 5}$
$C_{6} H_{5} {NH}_{2}$	$7,41 \cdot 10^{- 10}$

Indeks górny /Źródło: A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2010. J. Sawicka, A. Janich–Kilian, W. Cejner–Mania, G. Urbańczyk, Tablice chemiczne, Gdańsk 2001/ Indeks górny koniec

**Stałe dysocjacji wybranych kwasów nieorganicznych dysocjujących wielostopniowo w roztworach wodnych w temperaturze $25 ° C$**
Kwas nieorganiczny	$K_{a 1}$	$K_{a 2}$	$K_{a 3}$
$H_{2} {SO}_{4}$	$1,0 \cdot 10^{3}$	$1,02 \cdot 10^{- 2}$	$‐$
$H_{2} {SO}_{3}$	$1,41 \cdot 10^{- 2}$	$6,31 \cdot 10^{- 8}$	$‐$
$H_{3} {PO}_{4}$	$6,92 \cdot 10^{- 3}$	$6,17 \cdot 10^{- 8}$	$4,79 \cdot 10^{- 13}$
$H_{2} {CO}_{3}$	$4,47 \cdot 10^{- 7}$	$4,68 \cdot 10^{- 11}$	$‐$
$H_{3} {BO}_{3}$	$5,37 \cdot 10^{- 10}$	$1,8 \cdot 10^{- 13}$	$1,6 \cdot 10^{- 14}$
$H_{2} {SeO}_{3}$	$2,5 \cdot 10^{- 3}$	$5,3 \cdot 10^{- 9}$	$‐$
$H_{3} {AsO}_{4}$	$5,50 \cdot 10^{- 3}$	$1,74 \cdot 10^{- 7}$	$5,13 \cdot 10^{- 12}$
$H_{2} S$	$8,91 \cdot 10^{- 8}$	$10^{- 19}$	$‐$

Polecenie 1

RkaOIgnLC8QXt

Dla wieloetapowej dysocjacji pod uwagę należy wziąć wartość stałej $K_{a 1}$ .

Najmocniejszy kwas – $HI$ (kwas jodowodorowy)

Najsłabszy kwas – $C_{6} H_{5} OH$

Najmocniejsza zasada – ${({CH}_{3})}_{2} NH$ (dimetyloamina, N‑metylometanoamina)

Najsłabsza zasada – $C_{6} H_{5} {NH}_{2}$ aminobenzen (anilina, fenyloamina)

Analiza stałych dysocjacji zaprezentowanych w tablicach chemicznych wskazuje, że elektrolity mają zróżnicowaną moc.

Wyznaczone na drodze eksperymentalnej wartości stałych dysocjacji charakterystyczne dla danych elektrolitów zmieniają się w dość szerokich granicach od wartości rzędu $10^{- 10}$ do $10^{10}$ . Im większa wartość stałej dysocjacji $K$ , tym mocniejszy jest dany elektrolit, tzn. łatwiej dysocjuje.

Część z nich, jak np. $HI$ ( $K = 1 \cdot 10^{10}$ ), $HBr$ ( $K = 3 \cdot 10^{9}$ ), $HCl$ ( $K = 1 \cdot 10^{7}$ ), ${HNO}_{3}$ ( $K = 27,5$ ), należy do mocnych elektrolitów. Inne, jak np. ${HNO}_{2}$ ( $K = 5, 1 \cdot 10^{- 4}$ ), $H_{3} {BO}_{3}$ ( $K = 5, 8 \cdot 10^{- 10}$ ), klasyfikuje się do elektrolitów słabych.

Polecenie 2

R11fasWhra0P3

Większą stałą dysocjacji ma 1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej. Oznacza to, że 1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej jest kwasem mocniejszym, czyli w jego roztworze jest 1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej cząsteczek niezdysocjowanych a 1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej jonów H₃O⁺ pochodzących z dysocjacji kwasu. Dlatego intensywność koloru czerwonego papierka uniwersalnego w roztworze kwasu metanowego (1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej) jest 1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej niż w roztworze kwasu etanowego (1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej). (Można powiedzieć, że uniwersalny papierek jest w roztworze kwasu metanowego (mrówkowego) 1. więcej, 2. kwas metanowy (mrówkowy), 3. octowego, 4. kwas metanowy (mrówkowy), 5. większa, 6. kwas etanowy (octowy), 7. mniejsza, 8. mrówkowego, 9. mniej, 10. bardziej, 11. kwas etanowy (octowy), 12. mniej, 13. mniej, 14. octowego, 15. mrówkowego, 16. więcej czerwony).

R1GcASQGnkxWb

Ilustracja przedstawiająca dwie zlewki. W pierwszej znajduje się roztwór kwasu mrówkowego H C O O H, dla którego stała dysocjacji K równa jest jeden przecinek osiem, razy, dziesięć indeks górny, minus, cztery, koniec indeksu górnego. W drugiej probówce znajduje się roztwór kwasu octowego C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, C O O H, dla którego z kolei stała dysocjacji K wynosi jeden przecinek osiem, razy, dziesięć indeks górny, minus, pięć, koniec indeksu górnego. Oba roztwory mają takie samo stężenie równe 0,1 mol na decymetr sześcienny. W obu zlewkach zanurzone są uniwersalne papierki wskaźnikowe. W pierwszej zlewce papierek zabarwił się na intensywnie czerwony kolor, zaś w drugiej przyjął kolor pomarańczowy. — Porównanie mocy $0,1 \frac{mol}{{dm}^{3}}$ roztworów kwasu mrówkowego i kwasu octowego.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wniosek: Kwas mrówkowy $HCOOH$ jest kwasem mocniejszym od kwasu octowego.

Umiejętność określania, który elektrolit jest mocniejszy, a który słabszy jest przydatna w planowaniu bądź interpretowaniu wyników doświadczeń. Elektrolit mocniejszy wypiera elektrolit słabszy z roztworu, powodując, że dana reakcja zachodzi.

Polecenie 3

RXEfoMl9rij3u

R13UPARP90tTX

Słownik

drobina

część materii o budowie cząsteczkowej bądź jonowej

elektrolity

roztwory wodne substancji ulegających dysocjacji elektrolitycznej, czyli rozpadowi na jony. Są to wodne roztwory kwasów, wodorotlenków i soli, które przewodzą prąd elektryczny

elektrolit słaby

roztwór, który charakteryzuje niecałkowita dysocjacja zawartych w nim cząsteczek lub struktur jonowych. W roztworze występują zarówno drobiny zdysocjowane (jony), jak i drobiny niezdysocjowane

elektrolit mocny

roztwór, który cechuje praktycznie całkowita dysocjacja zawartych w nim drobin

stopień dysocjacji (

α

)

stopień dysocjacji (

α

)

parametr określający, jaka część ogólnej liczby rozpuszczonych drobin elektrolitu uległa rozpadowi na jony

stała dysocjacji (

K

)

stała dysocjacji (

K

)

parametr określający stosunek iloczynu stężeń jonów do stężenia drobin niezdysocjowanych w danej temperaturze

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2018.

Encyklopedia PWN

online: https://pl.wikipedia.org/wiki/PH-metr (dostęp: 12.08.2021).

online: https://www.mt.com/dam/Analytical/pH-LabMeters/me-pdf/five/30266890_Operating_Instructions_pH_Bench_F20_FP20_PL.pdf (dostęp: 12.08.2021).

Wprowadzenie

Grafika interaktywna

Mocne i słabe elektrolity

Porównanie dwóch parametrów: stopnia i stałej dysocjacji w układzie mocny i słaby elektrolit

Zapewne zastanawiasz się, gdzie możesz odnaleźć wartości stałych dysocjacji i jak są one oznaczane?

Wartości stałych dysocjacji

Słownik

Bibliografia