Elektrochemie. Předmět elektrochemie: disociace (roztoky elektrolytů, taveniny solí) vodivost. jevy na rozhraní s/l (elektrolýza, články)

Podobné dokumenty
3 Acidobazické reakce

3 Acidobazické reakce

Chemické výpočty II. Vladimíra Kvasnicová

3 Acidobazické reakce

Jana Fauknerová Matějčková

2. PROTOLYTICKÉ REAKCE

Roztoky - elektrolyty

PROTOLYTICKÉ ROVNOVÁHY

[ ] d[ Y] rychlost REAKČNÍ KINETIKA X Y

Teorie kyselin a zásad poznámky 5.A GVN

Biochemický ústav LF MU (E.T.) 2013

Výpočty koncentrací. objemová % (objemový zlomek) krvi m. Vsložky. celku. Objemy nejsou aditivní!!!


Soli. ph roztoků solí - hydrolýza

DOPLŇKOVÝ STUDIJNÍ MATERIÁL CHEMICKÉ VÝPOČTY. Zuzana Špalková. Věra Vyskočilová

REAKCE: 1) ACIDOBAZICKÉ Acidum = kyselina Baze = zásada. Využití: V analytické kvantitativní chemii v odměrné analýze

ZÁKLADNÍ CHEMICKÉ POJMY A ZÁKONY

Výpočty ph silných a slabých protolytů a barevné acidobazické indikátory

Acidobazické děje - maturitní otázka z chemie

2 Roztoky elektrolytů. Osmotický tlak

ABR a iontového hospodářství

ABR a iontového hospodářství

VI. Disociace a iontové rovnováhy

CVIČENÍ Z ENVIRONMENTÁLNÍ CHEMIE I

CHEMIE. Pracovní list č. 7 - žákovská verze Téma: ph. Mgr. Lenka Horutová. Projekt: Student a konkurenceschopnost Reg. číslo: CZ.1.07/1.1.07/03.

CZ.1.07/1.5.00/ Zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Protolytické děje VY_32_INOVACE_18_15. Mgr. Věra Grimmerová.

Anorganické látky v buňkách - seminář. Petr Tůma některé slidy převzaty od V. Kvasnicové

ELEKTROCHEMIE. - studuje soustavy, které obsahují elektricky nabité částice.

Acidobazické reakce. 1. Arrheniova teorie. 2. Neutralizace

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

ANODA KATODA elektrolyt:

Acidobazické rovnováhy

Plasma a většina extracelulární

Složení soustav (roztoky, koncentrace látkového množství)

Sbírka příkladů z teoretických základů analytické chemie Tomáš Křížek Karel Nesměrák

Rozpustnost s. Rozpouštění = opakem krystalizace Veličina udávající hmotnost rozpuštěné látky v daném objemu popř. v hmotnosti nasyceného roztoku.

Potenciometrické stanovení disociační konstanty

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název projektu: Investice do vzdělání - příslib do budoucnosti

Kyseliny. Gerber (~1300) příprava H 2 SO 4, HNO 3. Libavius příprava HCl a aqua regia (rozpouští Au)

VY_32_INOVACE_06A_07 Teorie kyselina zásad ANOTACE

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

12. Elektrochemie základní pojmy

CHEMICKÉ VÝPOČTY I. ČÁST LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ. HMOTNOSTI ATOMŮ A MOLEKUL.

Hydrochemie Oxid uhličitý a jeho iontové formy, ph, NK

Chemické výpočty I. Vladimíra Kvasnicová

Elektrolyty. Disociace termická disociace (pomocí zvýšené teploty) elektrolytická disociace (pomocí polárního rozpouštědla)

ACIDOBAZICKÉ - ph,, disociační konstanty neutralizační titrace úprava prostředí v kvalitativní analýze úprava prostředí u kvantitativních metod

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í CHEMICKÉ REAKCE

Kurz 1 Úvod k biochemickému praktiku

Chemické výpočty II. Převod jednotek. Převod jednotek. Převod jednotek. pmol/l nmol/l µmol/l mmol/l mol/l. Cvičení. µg mg g. Vladimíra Kvasnicová

Struktura. Velikost ionexových perliček Katex. Iontová výměna. Ionex (ion exchanger) Iontoměnič Měnič iontů. Katex (cation exchanger) Měnič kationtů

1 Základní chemické výpočty. Koncentrace roztoků

Iontové reakce. Iontové reakce. Protolytické reakce. Teorie kyselin a zásad. Kyseliny dle Brønstedovy. nstedovy-lowryho teorie. Sytnost (proticita(

Předpokládáme ideální chování, neuvažujeme autoprotolýzu vody ve smyslu nutnosti číselného řešení simultánních rovnováh. CH3COO

Kyselost, bazicita, pka

Základy pedologie a ochrana půdy

10 Acidobazické reakce

Ústřední komise Chemické olympiády. 55. ročník 2018/2019 TEST ŠKOLNÍHO KOLA. Kategorie E ŘEŠENÍ

ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA

Kyseliny. Gerber - Jabir ibn Hayyan ( ) Chemická látka produkovaná na světě v největším množství za rok: H 2 SO 4

TEORETICKÁ ČÁST (70 BODŮ)

Repetitorium chemie XI.

Pufry, pufrační kapacita. Oxidoredukce, elektrodové děje.

Ukázky z pracovních listů B

Kyseliny a baze. Andreas Libau (Libavius) ( ) Gerber - Jabir ibn Hayyan ( )

STANOVENÍ CHLORIDŮ. Odměrné argentometrické stanovení chloridů podle Mohra

1 DATA: CHYBY, VARIABILITA A NEJISTOTY INSTRUMENTÁLNÍCH MĚŘENÍ. 1.5 Úlohy Analýza farmakologických a biochemických dat

Chemické výpočty I (koncentrace, ředění)

H - -I (hydridy kovů) vlastnosti: plyn - nekov 14x lehčí než vzduch bez barvy, chuti, zápachu se vzduchem tvoří výbušnou směs redukční činidlo

III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Inovace výuky na GSN prostřednictvím ICT

) T CO 3. z distribučních koeficientů δ a c(co 2. *) c(h + ) ) 2c(H 2. ) 2c(CO 3

Ústřední komise Chemické olympiády. 42. ročník. KRAJSKÉ KOLO Kategorie D. SOUTĚŽNÍ ÚLOHY TEORETICKÉ ČÁSTI Časová náročnost: 60 minut

ACIDOBAZICKÉ - ph, disociační konstanty neutralizační titrace úprava prostředí v kvalitativní analýze úprava prostředí u kvantitativních metod

Disperzní soustavy a jejich vlastnosti

ELEKTROCHEMIE ROVNOVÁHY V ROZTOCÍCH ELEKTROLYTŮ

Střední průmyslová škola Hranice Protolytické reakce

KONTROLNÍ TEST ŠKOLNÍHO KOLA (70 BODŮ)

kde k c(no 2) = 2, m 6 mol 2 s 1. Jaká je hodnota rychlostní konstanty v rychlostní rovnici ? V [k = 1, m 6 mol 2 s 1 ]

Produkce kyselin v metabolismu Těkavé: 15,000 mmol/den kyseliny uhličité, vyloučena plícemi jako CO 2 Netěkavé kyseliny (1 mmol/kg/den) jsou vyloučeny

PÍSEMNÁ ČÁST PŘIJÍMACÍ ZKOUŠKY Z CHEMIE Bakalářský studijní obor Bioorganická chemie a chemická biologie 2016

Roztok. Homogenní směs molekul, které mohou být v pevném, kapalném nebo plynném stavu. Pravé roztoky

Interakce materiálů a prostředí

[ ][ ] Kyseliny a zásady. Acidobazické rovnováhy. Výpočet ph silných jednosytných kyselin (zásad) Autoprotolýza vody

ANODA KATODA elektrolyt:

3.8. Acidobazická regulace

Masarykova střední škola zemědělská a Vyšší odborná škola, Opava, příspěvková organizace

Degradace stavebních materiálů


Nejprve je nutno převést hmotnostní koncentrace na molární (správný výsledek je 1,345M).

Anorganické sloučeniny opakování Smart Board

Gymnázium, Milevsko, Masarykova 183 Školní vzdělávací program (ŠVP) pro vyšší stupeň osmiletého studia a čtyřleté studium 4.

ŘEŠENÍ. PÍSEMNÁ ČÁST PŘIJÍMACÍ ZKOUŠKY Z CHEMIE Bakalářský studijní obor Bioorganická chemie a chemická biologie 2016

Repetitorium chemie II

Úvod k biochemickému. mu praktiku. Vladimíra Kvasnicová

Repetitorium chemie X

Jana Fauknerová Matějčková

) se ve vodě ihned rozpouští za tvorby amonných solí (iontová, disociovaná forma NH 4+ ). Vzájemný poměr obou forem závisí na ph a teplotě.

Masarykova střední škola zemědělská a Vyšší odborná škola, Opava, příspěvková organizace

Transkript:

Elektrochemie 1/30 Předmět elektrochemie: disociace (roztoky elektrolytů, taveniny solí) vodivost jevy na rozhraní s/l (elektrolýza, články) Vodiče: vodivost způsobena pohybem elektronů uvnitř mřížky: kovy, grafit, polovodiče (i díry) vodivost způsobena pohybem iontů: roztoky elektrolytů, taveniny solí vodivost způsobena pohybem iontů a volných elektronů: plazma

Roztoky elektrolytů 2/30 silný elektrolyt: úplně disociovaný (v pouze ve formě iontů) H 2 SO 4, KOH, Ca(OH) 2, NaCl, BaSO 4,... ne nutně do všech stupňů, např.: 100 % H 2 SO 4 H + + HSO částečně 4 2 H + + SO 4 2 slabý elektrolyt: i nedisociované molekuly organické kyseliny a zásady, NH 3, H 2 O,... standardní stavy: rozpouštědlo (voda): ; ve zředěných H2 O = 1 ionty: [c] ( = γ c /c st ) disociační konstanta = rovnovážná konstanta disociační reakce CH 3 COOH CH 3 COO + H + NH 3 + H 2 O NH + 4 + OH (COOH) 2 HOOC-COO + H + ph log = log 10, p = log ph = log H + γ H +=1 = log c H + c st = log c H+ mol dm 3? = log[h + ]? = log{h + } H3 O + H + přesněji: H3 O + = H + H2 O H 3 O + = hydr(ox)onium

Disociace vody 3/30 Disociace vody: H 2 O H + + OH Iontový součin vody K w : (ionic product, autoionization constant) K w = H + OH H2 O Neboli (při 25 C): c H + c OH (c st ) 2 [H+ ][OH ]. = 1.00 10 14 (25 C) ph + poh = pk w = 14 přesněji 13.997 závisí na teplotě: pk w (100 C) = 12.29 těžká voda: pk w (25 C) = 14.87 (izotopový efekt: deuterium je pevněji vázáno)

Disociace vody a konstanta kyselosti 4/30 V tabulkách se vyskytuje konstanta kyselosti (acidity constant, ionization constant) = rovnovážná konstanta deprotonizace, zn. K a kyseliny: K a = disociační konstanta kyseliny CH 3 COOH CH 3 COO + H + K a = K d zásady: disociační konstanta kyseliny konjugované k dané zásadě NH 4 + NH 3 + H + (K a ) ( 1) H 2 O H + + OH (K w ) (+1) NH 3 + H 2 O NH 4 + + OH K d = K w /K a Příklad. Konstanta kyselosti amonia je pk a = 9.25 (při 25 C). Vypočtěte disociační konstantu hydroxidu amonného (amoniaku) ve vodě. 1.78 10 5

ph silných kyselin a zásad 5/30 Příklad. Jaké je ph roztoku HCl o koncentraci 0.01 mol dm 3? Do 1. stupně disociuje ze 100 %: c H + = c HCl ph = log H + log c H + = 2 Příklad. Jaké je ph roztoku H 2 SO 4 o koncentraci 0.001 mol dm 3? Do 1. stupně disociuje ze 100 %, do 2. stupně částečně, ale protože c K 2 = 1.3 10 2, lze přibližně považovat kyselinu za 100 % disociovanou. c H + = 2c H2 SO 4 ph = log H + log(2c H +) = 2.7 přesněji 2.75 (částečná disociace a Debye Hückel) Příklad. Jaké je ph roztoku NaOH o koncentraci 0.01 mol dm 3 za teploty 25 C? c OH = 0.01 mol dm 3, c H + = 10 14 /0.01 = 10 12 mol dm 3, ph = 12 Příklad. Jaké je ph roztoku Ca(OH) 2 o koncentraci 0.001 mol dm 3 za teploty 25 C? c OH = 0.002 mol dm 3, poh = 2.7, ph = 14 2.7 = 11.3

Disociace slabé kyseliny I 6/30 HA H + + A Kolik je ph roztoku slabé kyseliny HA o dané koncentraci? (analytická) koncentrace: c 0 konstanta acidity: K a Předpoklady: c OH c H + γ = 1 (aproximace zředěného ) Bilance: látka zač. rovn. HA c 0 c 0 A 0 Rovnice: [H + ][A ] [HA] = 2 c 0 = K a H + 0 Hnidopišská poznámka: správně 2 (c 0 )c st = K a. Standardní koncentraci c st budeme v podobných případech vynechávat koncentrace nutno dosazovat v mol dm 3.

Disociace slabé kyseliny II 7/30 Rovnice: [H + ][A ] [HA] = 2 c 0 = K a Řešení: K 2 a c H + = = + K a c 0 K a 2 2 Shrnutí předpokladů této aproximace: kyselina je silnější než voda (K a K w ) c 0 K a Ka c 0 koncentrace c 0 je dost vysoká (c 0 K a ), pak je většina kyseliny nedisociovaná koncentrace není zas příliš vysoká, aby platila aproximace zředění (γ = 1) Jiná vyjádření: ph = 1 2 (pk a + pc A ) Stupeň disociace: α K a c 0

Disociace slabé kyseliny III 8/30 HA H + + A Kolik je deprotonované formy v roztoku o daném ph? (např. v pufru) látka zač. rovn. 10 HA c 0 c 0 A 0 H + c H + c H + nebilancujeme Stupeň disociace: = c A = α = Použili jsme předpoklad: c 0K a c H + + K a 1 c H +/K a + 1 [A ] [HA] = K a [H + ] c/mmol dm -3 5 [CH 3 COOH] CH 3 COOH 10 mmol dm -3 pk a = 4.76 0 2 3 4 5 6 7 8 ph [CH 3 COO -- ] γ = 1 (aproximace zředěného ) α = 1 2 pro ph=pk a

Kolik je ph dešt ové vody při 25 C za tlaku 1 bar? [jkv pic/co2.png] 9/30 Henryho konstanta pro rozpouštění CO 2 : K h = 0.033 mol dm 3 bar 1 Konst. acidity CO 2 : pk a1 = 6.37 (jiné zdroje 6.3). To je sumární pro: CO 2 + H 2 O [H 2 CO 3 ] H + + HCO 3 CO 2 ve vzduchu (2/2019 Maua Loa): y = 411 ppm CO 3 2 lze za těchto podmínek zanedbat (pk a2 = 10.32) Koncentraci OH lze zanedbat (18. stol.: y = 280 ppm) c CO2 = K h y CO2 p = 0.033 mol dm 3 bar 1 0.000411 1 bar = 1.36 10 5 mol dm 3? Bilance: c H + = c HCO3 (Nikoliv c CO2 = cco2.0 c H +, jak by bylo v případě, kdyby byla zadaná počáteční koncentrace CO 2.) Rovnice: [H + ][HCO 3 ] [CO 2 ] = K a1 log 1.36 10 5 [H + ] = K a1 [CO 2 ], ph = 1 2 (pk a1 + p[co 2 ]) = 1 2 (6.37 + 4.87) = 5.62 pozn: skutečné ph bývá nižší (HNO 3, H 2 SO 4 ) (18. stol.: ph = 5.70)

ph slabé zásady 10/30 Příklad. Spočtěte ph vodního roztoku ethylaminu při vstupní koncentraci c 0 = 0.01 mol dm 3 a pokojové teplotě. Konstanta kyselosti ethylamonia je rovna K a = 1.6 10 11. K d = K w K a = Předpoklady: [H + ] [OH ], γ = 1 1 10 14 = 0.000 625 1.6 10 11 Dále stejně jako pro kyseliny: [OH K 2 d ] = + K d c 0 K d 2 2 neboli: c 0 K d Kd c 0 ph = 1 2 (pk a + pk w pc 0 ) ph=11.34, přibližně: 11.40; α = 0.22

Simultánní rovnováhy: velmi zředěné roztoky 11/30 Pro velmi slabé kyseliny a/nebo zředěné nutno uvažovat disociaci vody. HA H + + A (rozsah r. =, rovn. konst. = K a ) H 2 O H + + OH (rozsah r. = y, rovn. konst. = K w ) Explicitní bilance látka zač. rovn. látka Implicitní bilance zachování HA c 0 c 0 A 0 H + 0 + y OH 0 y Rovnice ( + y) c 0 = K a ( + y)y = K w 2 rovnice o 2 neznámých:, y A [A ] + [HA] = c 0 náboj [H + ] ([A ] + [OH ]) = 0 Rovnice [H + ][A ] [HA] = K a [H + ][OH ] = K w celkem 4 rovnice o 4 neznámých: [H + ], [HA], [A ], [OH ]

Ukázka: výpočet v systému Maple [cd../maple; xmaple HCN.mw] 12/30 Ve zředěném roztoku jsou i slabé kyseliny prakticky 100% disociované s výjimkou velmi slabých (pk a > 6)

Ukázka: velmi zředěné roztoky 13/30 CH 3 COOH, pk a = 4.76 8 přesně 7 [H + ] = Ka (to umíte!) 2 2 + Ka c 0 K a 2 ph 6 5 [H + ] = K a c 0 (přibližný vzorec většinou zcela vyhovuje) 4 3 Pozn.: p[kyselina] = log[kyselina] = log 2-1- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ckyselina c st p[c 2 H 5 COOH]

[cd show; blend -g lysine] 14/30 Simultánní rovnováhy: více nábojových stavů Aminokyseliny: nábojový stav podle ph. Např. HIS, LYS: H 3 A 2+ H 2 A + + H + (K a1 ) H 2 A + HA + H + (K a2 ) HA A + H + (K a3 ) H + se nejsnáze odštěpuje z H 3 A 2+, nejobtížněji z HA K a1 > K a2 > K a3 neboli pk a1 < pk a2 < pk a3. Bilance: Rovnice: [A ] + [HA] + [H 2 A + ] + [H 3 A 2+ ] = c 0 [H 2 A + ][H + ] [H 3 A 2+ ] [HA][H + ] [H 2 A + ] [A ][H + ] [HA] = K a1 = K a2 = K a3

Nábojové stavy lysinu [cd../maple; xmaple lysine.mws] 15/30 NH 2 -(CH 2 ) 4 -CH(NH 2 )-COOH, pk a1 = 2.15, pk a2 = 9.16, pk a3 = 10.67 1 pk a1 pk a2 pk a3 c i / mmol dm 3 0.5 Lys Lys LysH + LysH 2+ 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ph

Nábojové stavy lysinu přibližně 16/30 Kolik je kterého stavu při ph = 3, c 0 = 1 mmol dm 3 (neboli pc 0 = 3)? Rovnice: [H 2 A + ] [H 3 A 2+ ] [HA] [H 2 A + ] [A ] [HA] = K a1 [H + ] = 7.08 = K a2 [H + ] = K a3 [H + ] = 6.9 10 7 = 2.1 10 8 koncentrace HA a A lze zanedbat. Zjednodušená bilance: [H 2 A + ] + [H 3 A 2+ ] = 1 mmol dm 3 Výsledek: [H 2 A + ] = 0.88 mmol dm 3, [H 3 A 2+ ] = 0.12 mmol dm 3

Příklad z praxe 17/30 Titanové zubní náhrady se povrchově upravují (mj.) máčením v roztoku kyseliny fosforečné. Jakou koncentraci má mít roztok, je-li požadováno ph = 3.42? Data pro kyselinu fosforečnou: pk a1 = 2.18, pk a2 = 7.198, pk a3 = 12.319. 0.40 mmol/l (H3PO4+H2PO4 ) 0.38 mmol/l (H3PO4 zanedbáno) credit: Wikipedia

Sůl slabé kyseliny a silné zásady 18/30 Např. M=Na, A=CH 3 COO. MA M + + A (100 %) A + H 2 O HA + OH (hydrolýza) látka zač. rovn. podmínky M + c 0 c 0 A c 0 c 0 OH 0 K a = [H+ ][A ] [HA] K w (c 0 ) HA 0 H + 0 K w / pro [OH ] [H + ] Řešení: = c 0 K w K a + Kw 2K a 2 K w 2K a c 0 K w K a ph 1 2 (pk w + pk a pc 0 ) kde poslední aproximace je pro c 0 K w Ka & K w, tj. c 0 K a

Málo rozpustné soli 19/30 Součin rozpustnosti = rovnovážná konstanta disociační reakce. aktivity solí (s) jsou sůl = 1 předpokládáme jednotkové aktivitní koeficienty γ = 1 BaSO 4 Ba 2+ + SO 4 2 K s = Ba 2+ SO 4 2 BaSO4 = [Ba 2+ ][SO 4 2 ] Mg(OH) 2 Mg 2+ + 2 OH K s = [Mg 2+ ][OH ] 2 As 2 S 3 2 As 3+ + 3 S 2 K s = [As 3+ ] 2 [S 2 ] 3 ale: S 2 + H 2 O HS + OH... As 3+ + OH AsOH 2+... Příklad. Kolik mg Mg(OH) 2 se rozpustí v litru čisté vody? Data: K s = 2.6 10 11, M(Mg(OH) 2 ) = 58.3 g mol 1 Bilance: [OH ] = 2[Mg 2+ ] = 2c Rovnice: K s = [Mg 2+ ][OH ] 2 = c(2c) 2 = 4c 3 Řešení: c = [Mg(OH) 2 ] = (K s /4) 1/3 = 0.0001866 mol dm 3, c w = cm Mg(OH)2 = 11 mg dm 3 Ne vždy je výpočet takto jednoduchý (hydrolýza, komplexace,... )

Málo rozpustné soli: přítomnost dalších iontů 20/30 Součin rozpustnosti št avelanu vápenatého (CaC 2 O 4 ) je 3.9 10 9. a) kolik se rozpustí v čisté vodě? b) kolik se rozpustí v krevní plazmě ([Ca 2+ ] = 2.4 mmol dm 3 ) CaC 2 O 4 Ca 2+ + C 2 O 4 2 K s = [Ca 2+ ][C 2 O 4 2 ] Řešení: a) [C 2 O 4 2 ] = [Ca 2+ ] = K s. = 62 μmol dm 3 vliv hydrolýzy C 2 O 4 2 je nepatrný (62.49 vs. 62.45 μmol dm 3 ) b) [C 2 O 4 2 ] = K s /[Ca 2+ ]. = 1.6 μ mol dm 3 Po přidání jednoho z iontů (CaCl 2, Na 2 C 2 O 4 ) rozpustnost klesne Ale: po přidání H 2 C 2 O 4 rozpustnost mírně stoupne, protože klesne ph a C 2 O 4 2 se protonuje Přítomnost neinteragujících iontů (např. NaCl) způsobí mírné zvýšení rozpustnosti (více později... )

Case study: systém CaCO 3 (s,aq) + CO 2 (g,aq) 21/30 Krasové jevy, mořská voda... CaCO 3 (s) Ca 2+ + CO 3 2 CO 2 + H 2 O [H 2 CO 3 ] H + + HCO 3 HCO 3 H + + CO 3 2 pk s = 8.35 (kalcit) pk a1 = 6.37 pk a2 = 10.25 H 2 O H + + OH pk w = 14 Henryho konstanta pro rozpouštění CO 2 : K h = 0.033 mol dm 3 bar 1 Známe parciální tlak p CO2 = y CO2 p Bilance CO 2 je dáno parciálním tlakem p CO2 nebilancujeme H CO 3 CaCO 3 (s) je přebytek nebilancujeme Ca nábojová bilance: 2 [Ca 2+ ] + [H + ] 2 [CO 3 2 ] [HCO 3 ] [OH ] = 0 credit: www.explorecrete.com

[cd../maple; xmaple vapenec+co2.mws] 22/30 Case study: systém CaCO 3 (s,aq) + CO 2 (g,aq) Rovnice: [CO 2 ] = y CO2 pk h (zadání) [Ca 2+ ][CO 3 2 ] = K s (1) [H + ][HCO 3 ] [CO 2 ] [H + ][CO 2 3 ] [HCO 3 ] = K a1 (2) = K a2 (3) [H + ][OH ] = K w (4) S nábojovou bilancí 2 [Ca 2+ ] + [H + ] 2 [CO 2 3 ] [HCO 3 ] [OH ] = 0 (5) to je 5 rovnic (bez zadání) pro 5 neznámých [Ca 2+ ], [CO 2 3 ], [H + ], [HCO 3 ], [OH ]

Case study: systém CaCO 3 (s,aq) + CO 2 (g,aq) 23/30 Rozpustnost vápence ve vodě ve styku se vzduchem (přepočteno na Ca 2+ ) 19.7 mg dm 3 dnes (400 ppm CO 2 ), ph=8.23 (vzroste o 0.01/7 let) 17.6 mg dm 3 kdysi (280 ppm CO 2 ), ph=8.33 Pro srovnání: 4.8 mg dm 3 v čisté vodě (bez styku se vzduchem, ph=9.9) 2.7 mg dm 3 bez uvažování hydrolýzy (tj. jako c st K s, ph=7) Obsah Ca 2+ a ph pro srovnání (je tam i spousta jiných iontů): Krev: 100 mg dm 3, ph = 7.35 7.45 Moře: 400 mg dm 3, ph = 7.5 8.4

Case study: systém CaCO 3 (s,aq) + CO 2 (g,aq) 24/30 250 11 200 10 c w (Ca)/g.m -3 150 100 ph 9 8 50 7 kdysi dnes 0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 kdysi dnes 6-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 log(y CO2 /ppm) log(y CO2 /ppm)

Pufry 25/30 Pufr (buffer) = roztok schopný udržovat ph při přidání kyseliny/zásady. Typický příklad: roztok slabé kyseliny HA ([HA] = c acid ) + její soli MA (od silné zásady, [MA] = [M + ] = c base ), např. CH 3 COOH + CH 3 COONa acid base látka zač. rovn. M + c base c base A c base c base + H + 0 HA c acid c acid K a = [H+ ][A ] [HA] = (c base + ) c acid Přibližné řešení: c acid = K a c base + K a c acid c base [H + ] = K a c acid c base ph = pk a + log 10 c base c acid

Hendersonova Hasselbalchova rovnice 26/30 [H + ] = K a c acid c base ph = pk a + log 10 c base c acid Předpoklady a rozšíření: [OH ], [H + ] c acid, c base (tj. i c acid zhr b c base, c acid, c base K a ); γ = 1 platí i pro směs slabé zásady B (B + H 2 O BH + + OH ) a její soli BHX (od silné kyseliny), c acid = [BHX] = [X ], c base = [B] maximální pufrační kapacita pro c acid = c base

Kapacita pufru 27/30 Přidáme malé množství dc silné zásady MOH, která zneutralizuje HA na MA (= base ). Přidání silné kyseliny = ubrání silné zásady c acid c acid dc c base c base + dc Kapacita pufru = β = dc d(ph) = ln 10 [H+ ] dc d[h + ] kolik zásady pufr snese, aby se ph zvětšilo o 1 Za stejných předpokladů jako Henderson Hasselbalch: [H + ](c) = K a c acid [H + c acid dc ](c + dc) = K a c base + dc = K a d[h + ] dc = K a c acid c base c base c acid c base 1 + 1 c acid c base 1 dc 1 + 1 c acid c base = c acid + c base c acid c base [H + ] c acidc base β = ln 10 c acid + c base ln 10. = 2.3026

Maximální pufrační schopnost 28/30 β = ln 10 c acidc base c acid + c base Pro dané množství A (c A,celkem = c acid + c base ) je maximální pro c acid = c base Maximální pufrační kapacita je dosažena pro ekvimolární směs Příklad: octanový pufr, c acid = c base = 0.1 mol dm 3, ph = pk a = 4.76 ph 7 6 5 4 3 0.1 0.05 0 0.05 0.1 c base / mol dm -3 β / mol dm -3 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0.1 0.05 0 0.05 0.1 c base / mol dm -3 v grafech je přesné řešení pro γ = 1

Hydrogenuhličitanový pufr 29/30 bicarbonate buffer, hlavní část pufrační schopnosti krve Henryho konstanta pro rozpouštění CO 2 za teploty těla: K h = 0.025 mol dm 3 bar 1 Konstanta acidity CO 2 za teploty těla: pk a1 = 6.1 pro CO 2 + H 2 O [H 2 CO 3 ] H + + HCO 3 obsah hydrogenuhličitanů (hlavně NaHCO 3 ): [HCO 3 ] = 24 mmol dm 3 = c base ph = 7.35 až 7.45 [H + ] = K a c acid c base K a [CO 2 ] [NaHCO 3 ] c acid = [H+ ]c base K a, p CO2 = c acid K h = [H+ ]c base K a K h p CO2 = 5.4 až 4.3 kpa ( okolo 5 obj.% v alveolárním vzduchu) Mimo rozsah respirační acidóza/alkalóza

Fosfátový pufr Na H 3 PO 4 30/30 H 3 PO 4 : pk a1 = 2.148 pk a2 = 7.198 pk a3 = 12.319 12 10 8 [Na x H 3 x PO 4 ] = 0.01 mol/l ph izotonický, ph=7.4: NaCl, KCl, Na 2 HPO 4 (base), KH 2 PO 4 (acid) (Phosphate buffered saline) 6 exact (γ=1) 4 Henderson- Hasselbalch NaH 2 PO 4 + Na 2 HPO 4 2 0 1 2 3 Pozor, v koncentrovanějších roztocích je odchylka od aproximace nekonečného zředění značná! Zde je skutečné ph o cca 0.5 menší než vypočtené, max. pufrační kapacita je pro ph = 6.8. x