Esimerkkikysymyksiä vahvoista elektrolyyteistä, heikoista elektrolyyteistä ja ei-elektrolyyteistä
Elektrolyytit ovat kemian peruskäsite, jolla on ratkaiseva merkitys, erityisesti liuoksiin liittyvien reaktioiden tutkimuksessa. Elektrolyytit ovat yhdisteitä, jotka veteen liuenneina tuottavat ioneja, jotka mahdollistavat liuoksen sähkönjohtavuuden. Elektrolyytit jaetaan kolmeen luokkaan niiden kyvyn perusteella hajota ioneiksi: vahvat elektrolyytit, heikot elektrolyytit ja ei-elektrolyytit. Tässä artikkelissa käsitellään erilaisia esimerkkiongelmia, jotka liittyvät näihin kolmeen elektrolyyttityyppiin, sekä annetaan helposti ymmärrettäviä selityksiä.
Vahva elektrolyytti
Vahvat elektrolyytit ovat yhdisteitä, jotka ionisoituvat täydellisesti vedessä. Tämä tarkoittaa, että kun vahva elektrolyytti liuotetaan veteen, lähes kaikki sen molekyylit hajoavat ioneiksi. Yleisiä esimerkkejä vahvoista elektrolyyteistä ovat suolat, kuten natriumkloridi (NaCl), vahvat hapot, kuten suolahappo (HCl), ja vahvat emäkset, kuten natriumhydroksidi (NaOH).
Kysymys 1:
Miten lasketaan ionien molaarisuus 0,1 M HCl-liuoksessa?
Keskustelu:
HCl on vahva happo, joka dissosioituu täydellisesti veteen yhtälön mukaisesti:
\[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Koska HCl on vahva elektrolyytti, voimme olettaa HCl:n alkupitoisuuden (0,1 M) muodostuneiden H+- ja Cl--ionien pitoisuuksina. Joten 0,1 M HCl-liuoksessa:
[\(\text{H}^+\)] = 0,1 miljoonaa
[\(\text{Cl}^-\)] = 0,1 M
Heikko elektrolyytti
Heikot elektrolyytit ionisoituvat liuoksessa vain osittain. Tämä tarkoittaa, että vain pieni osa heikon elektrolyytin molekyyleistä muodostaa ioneja veteen liuennessaan. Esimerkkejä heikoista elektrolyyteistä ovat heikot hapot, kuten etikkahappo (CH3COOH), ja heikot emäkset, kuten ammoniakki (NH3).
Kysymys 2:
Määritä ionisaatioaste ja ionipitoisuus 0,1 M CH3COOH-liuoksessa. CH3COOH:n happodissosiaatiovakio (\(K_a\)) on 1,8 × 10^-5.
Keskustelu:
CH3COOH:n dissosiaatioreaktio vedessä voidaan kirjoittaa seuraavasti:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \]
Dissosiaatioaste (\(\alpha\)) määritellään hapon osuudeksi, joka dissosioituu ioneiksi. Käyttämällä \(K_a\)-arvoa voimme kirjoittaa seuraavan yhtälön 0,1 M CH3COOH-liuokselle:
\[ K_a = [\text{CH}_3\text{COO}^-][\text{H}^+] / [\text{CH}_3\text{COOH}] \]
Koska CH3COOH:n ionisaatio on osittainen, muodostuneiden ionien pitoisuus on cα, jossa c on CH3COOH:n alkupitoisuus (0,1 M). Tällöin yhtälöstä tulee:
\[1,8 kertaa 10^{-5} = \frac{(0,1\alpha)(0,1\alpha)}{0,1(1-\alpha)} \]
Yksinkertaista muotoon:
\[1,8 kertaa 10^{-5} = \frac{0,01\alpha^2}{0,1 – 0,1\alpha} \]
Oletetaan, että α on niin pieni, että voimme jättää sen huomiotta nimittäjässä:
\[ 1,8 \kertaa 10^{-5} \noin 0,01\alpha^2 / 0,1 \]
\[ 1,8 \kertaa 10^{-5} \noin \alpha^2 \]
\[ \alpha \noin \sqrt{1,8 \times 10^{-5}} \]
\[ \alpha \noin 4,24 \kertaa 10^{-3} \]
Joten ionisaatioaste on 4,24 × 10^-3 eli 0,424%.
H+- ja CH3COO--ionien pitoisuudet liuoksessa ovat:
\[ [\text{H}^+] = 0,1 \times 4,24 \times 10^{-3} \noin 4,24 \times 10^{-4} \]
\[ [\text{CH}_3\text{COO}^-] = 0,1 \times 4,24 \times 10^{-3} \noin 4,24 \times 10^{-4} \]
Ei-elektrolyytit
Ei-elektrolyytit ovat yhdisteitä, jotka eivät ionisoidu vesiliuoksessa. Tämä tarkoittaa, että ei-elektrolyyttiliuokset eivät tuota ioneja eivätkä siksi voi johtaa sähköä. Esimerkkejä ei-elektrolyyteistä ovat sokeri (sakkaroosi), urea ja alkoholi.
Kysymys 3:
Miksi 0,1 M etanoliliuos (C2H5OH) ei johda sähköä?
Keskustelu:
Etanoliliuos ei ole elektrolyytti. Veteen liuotettuna etanoli ei hajoa ioneiksi. Etanolin molekyylirakenne säilyy muuttumattomana vesiliuoksessa. Koska liuoksessa ei ole ioneja, etanoli ei voi johtaa sähköä. Siksi, vaikka etanoli liukenee helposti veteen, koska ioneja ei muodostu, etanoliliuokset eivät voi johtaa sähköä edes missään pitoisuudessa, mukaan lukien 0,1 M.
Johtopäätös
Vahvojen elektrolyyttien, heikkojen elektrolyyttien ja ei-elektrolyyttien ominaisuuksien ymmärtäminen on olennainen osa liuoskemiaa. Vahvat elektrolyytit ionisoituvat täysin vedessä ja johtavat siksi sähköä hyvin, kun taas heikot elektrolyytit ionisoituvat vain osittain, mikä osoittaa niiden alhaisempaa sähkönjohtavuutta. Ei-elektrolyytit taas eivät ionisoidu ollenkaan, eivätkä siksi voi johtaa sähköä. Tämän käsitteen ymmärtäminen auttaa oppilaita tunnistamaan yhdisteitä niiden käyttäytymisen perusteella liuoksessa ja vastaamaan aiheeseen liittyviin kysymyksiin oikein.
