14.4 Vatnsrof salta

Sölt með súrum jónum

Sölt eru jónasambönd úr katjónum og anjónum. Hvor jónagerðin um sig getur gengist undir sýru- eða basajónun við vatn. Vatnslausnir salta geta því verið súrar, basískar eða hlutlausar, eftir hlutfallslegum sýru- og basastyrk jónanna í saltinu. Þegar ammóníumklóríð er leyst upp í vatni klofnar það samkvæmt jöfnunni:

Ammóníumjónin er samstæð sýra basans ammóníaks, NH₃. Sýrujónun hennar, eða sýruvatnsrof, er táknuð með:

Þar sem ammóníak er daufur basi er K_b mælanlegt og K_a > 0; ammóníumjónin er því dauf sýra.

Klóríðjónin er samstæður basi saltsýru og því er basajónun hennar, eða basavatnsrof, táknuð með:

Þar sem HCl er römm sýra er K_a ómælanlega stórt og K_b ≈ 0; klóríðjónir gangast því ekki undir teljandi vatnsrof.

Þegar ammóníumklóríð er leyst upp í vatni fæst því lausn með daufum sýrukatjónum (NH₄⁺) og óvirkum anjónum (Cl⁻), svo lausnin verður súr.

Dæmi 14.15

Útreikningur á pH-gildi súrrar saltlausnar

Anilín er amín sem notað er við framleiðslu litarefna. Það er einangrað sem anilíniumklóríð, [C₆H₅NH₃]Cl, salt sem myndast við hvarf daufa basans anilíns við saltsýru. Hvert er pH-gildi 0,233 M lausnar af anilíniumklóríði?

$$\text{C₆H₅NH₃⁺(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + C₆H₅NH₂(aq)}$$

Lausn

K_a fyrir anilíniumjónina er leitt út frá K_b fyrir samstæðan basa hennar, anilín (sjá viðauka I):

$$K_a\text{=}{K}_w\text{/}{K}_b\text{= (1,0 × 10⁻¹⁴)/(4,3 × 10⁻¹⁰) = 2,3 × 10⁻⁵}$$

Út frá þessum upplýsingum er ICE-tafla útbúin fyrir kerfið:

Þegar þessum jafnvægisstyrkjum er stungið inn í jöfnuna fyrir K_a fæst:

$$K_a\text{= [C₆H₅NH₂][H₃O⁺]/[C₆H₅NH₃⁺] = 2,3 × 10⁻⁵ = (x)(x)/(0,233 − x)}$$

Ef gert er ráð fyrir að x << 0,233 er jafnan einfölduð og leyst með tilliti til x:

$$\text{2,3 × 10⁻⁵ = x²/0,233; x = 0,0023 M}$$

Í ICE-töflunni er x skilgreint sem mólstyrkur oxóníumjónarinnar og því er pH-gildið reiknað þannig:

$$\text{pH = −log[H₃O⁺] = −log(0,0023) = 2,64}$$

Prófaðu þig

Hver er styrkur oxóníumjóna í 0,100 M lausn af ammóníumnítrati, NH₄NO₃, salti sem er myndað úr jónunum NH₄⁺ og NO₃⁻? Hvor er rammari sýran, C₆H₅NH₃⁺ eða NH₄⁺?

Svar:

[H₃O⁺] = 7,5 × 10⁻⁶ M; C₆H₅NH₃⁺ er rammari sýran.

Sölt með basískum jónum

Sem annað dæmi má skoða hvað gerist þegar natríumasetat er leyst upp í vatni:

Natríumjónin gengst hvorki undir teljandi sýru- né basajónun og hefur engin áhrif á pH-gildi lausnarinnar. Þetta kann að virðast augljóst út frá formúlu jónarinnar, sem inniheldur hvorki vetnis- né súrefnisatóm, en sumar uppleystar málmjónir verka sem daufar sýrur, eins og fjallað er um síðar í þessum hluta.

Asetatjónin, CH₃CO₂⁻, er samstæður basi ediksýru, CH₃CO₂H, og því er basajónun hennar, eða basavatnsrof, táknuð með efnajöfnunni:

Þar sem ediksýra er dauf sýra er K_a hennar mælanlegt og K_b > 0; asetatjónin er því daufur basi.

Þegar natríumasetat er leyst upp í vatni fæst lausn með óvirkum katjónum (Na⁺) og daufum basaanjónum (CH₃CO₂⁻), svo lausnin verður basísk.

Sölt með súrum og basískum jónum

Sum sölt eru úr bæði súrum og basískum jónum og því ræðst pH-gildi lausna þeirra af hlutfallslegum styrk þessara tveggja tegunda. Sömuleiðis innihalda sum sölt eina jón sem er amfóter, það er getur bæði gefið og tekið við róteind. Þá ræður hlutfallslegur styrkur sýru- og basaeiginleika jónarinnar áhrifum hennar á pH-gildi lausnarinnar. Fyrir báðar saltgerðirnar má bera saman K_a og K_b til að spá fyrir um hvort lausnin verður súr, basísk eða hlutlaus, eins og sýnt er í næsta dæmi.

Jónun vatnaðra málmjóna

Ólíkt málmjónum í flokki 1 og 2 í dæmunum hér á undan (Na⁺, Ca²⁺ o.s.frv.) verka sumar málmjónir sem sýrur í vatnslausnum. Þessar jónir eru ekki aðeins lauslega vatnaðar við upplausn, heldur tengjast þær ákveðnum fjölda vatnssameinda með samgildum tengjum og mynda flókajón (sjá kaflann um hnitunarefnafræði). Sem dæmi má tákna upplausn álnítrats í vatni þannig:

Ál(III)jónin hvarfast þó í raun við sex vatnssameindir og myndar stöðuga flókajón. Nákvæmari framsetning á upplausnarferlinu er því:

Eins og sýnt er á mynd 14.13 fela Al(H₂O)₆³⁺-jónirnar í sér tengi milli miðlægs Al-atóms og O-atóma vatnssameindanna sex. Þar af leiðandi eru O-H tengi bundnu vatnssameindanna skautaðri en í óbundnum vatnssameindum og bundnu sameindirnar eiga því auðveldara með að gefa frá sér vetnisjón:

Samstæði basinn sem myndast í þessu ferli inniheldur fimm aðrar bundnar vatnssameindir sem geta verkað sem sýrur. Því getur róteindaflutningur átt sér stað í röð skrefa, eins og jöfnurnar hér að neðan sýna:

Þetta er dæmi um fjölróteindasýru, sem fjallað er nánar um síðar í þessum kafla.

Að undanskildum alkalímálmum (flokkur 1) og sumum jarðalkalímálmum (flokkur 2) gangast flestar aðrar málmjónir að einhverju leyti undir sýrujónun þegar þær leysast upp í vatni. Sýrustyrkur þessara flókajóna eykst venjulega með vaxandi hleðslu og minnkandi stærð málmjónarinnar. Fyrsta skref sýrujónunar nokkurra annarra súrra málmjóna er sýnt hér að neðan:

Dæmi 14.18

Vatnsrof [Al(H₂O)₆]³⁺

Reiknaðu pH-gildi 0,10 M lausnar af álklóríði, sem leysist að fullu upp og myndar vatnaða áljón, [Al(H₂O)₆]³⁺, í lausn.

Lausn

Jafna hvarfsins og gildi K_a eru:

$$\text{Al(H₂O)₆³⁺(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + Al(H₂O)₅(OH)²⁺(aq)}{K}_a\text{= 1,4 × 10⁻⁵}$$

ICE-tafla með gefnum upplýsingum er svohljóðandi:

Þegar segðum fyrir jafnvægisstyrk er stungið inn í jöfnuna fyrir jónunarfastann fæst:

$$K_a\text{= [H₃O⁺][Al(H₂O)₅(OH)²⁺]/[Al(H₂O)₆³⁺]}$$

$$\text{(x)(x)/(0,10 − x) = 1,4 × 10⁻⁵}$$

Ef gert er ráð fyrir að x << 0,10 og einfaldaða jafnan er leyst fæst:

$$\text{x = 1,2 × 10⁻³ M}$$

Í ICE-töflunni var x skilgreint sem styrkur oxóníumjónarinnar og því reiknast pH-gildið þannig:

$$\text{[H₃O⁺] = 0 + x = 1,2 × 10⁻³ M}$$

$$\text{pH = −log[H₃O⁺] = 2,92 (súr lausn)}$$

Prófaðu þig

Hver er styrkur [Al(H₂O)₅(OH)]²⁺ í 0,15 M lausn af Al(NO₃)₃ sem inniheldur nægilegt magn af römmu sýrunni HNO₃ til að stilla [H₃O⁺] á 0,10 M?

Svar:

2,1 × 10⁻⁵ M