שאלות לדוגמה הדנות באלקטרוליטים חזקים, אלקטרוליטים חלשים ואלקטרוליטים שאינם אלקטרוליטים

שאלות לדוגמה הדנות באלקטרוליטים חזקים, אלקטרוליטים חלשים ואלקטרוליטים שאינם אלקטרוליטים

אלקטרוליטים הם מושג בסיסי בכימיה שהוא קריטי, במיוחד בחקר תגובות הכוללות תמיסות. אלקטרוליטים הם תרכובות שכאשר הן מומסות במים, מייצרות יונים המאפשרים לתמיסה להוליך חשמל. בהתבסס על יכולתם להתפרק ליונים, אלקטרוליטים מחולקים לשלוש קטגוריות: אלקטרוליטים חזקים, אלקטרוליטים חלשים ואלקטרוליטים שאינם אלקטרוליטים. מאמר זה ידון בבעיות לדוגמה שונות הקשורות לשלושת סוגי האלקטרוליטים הללו, יחד עם הסברים קלים להבנה.

אלקטרוליט חזק

אלקטרוליטים חזקים הם תרכובות שמייננות לחלוטין במים. משמעות הדבר היא שכאשר אלקטרוליט חזק מומס במים, כמעט כל המולקולות שלו מתפרקות ליונים. דוגמאות נפוצות לאלקטרוליטים חזקים כוללות מלחים כגון נתרן כלורי (NaCl), חומצות חזקות כגון חומצה הידרוכלורית (HCl) ובסיסים חזקים כגון נתרן הידרוקסידי (NaOH).

שאלה 1:

כיצד לחשב את המולריות של יונים בתמיסת HCl 0,1 M?

דִיוּן:

HCl היא חומצה חזקה שמתפרקת לחלוטין במים לפי המשוואה:

[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]

מכיוון ש-HCl הוא אלקטרוליט חזק, נוכל לקחת את הריכוז ההתחלתי של HCl (0,1 M) כריכוז יוני H+ ו-Cl- שנוצרו. לכן, בתמיסת HCl של 0,1 M:

[\(\text{H}^+\)] = 0,1 M
[\(\text{Cl}^-\)] = 0,1 M

אלקטרוליט חלש

אלקטרוליטים חלשים מייננים רק באופן חלקי בתמיסה. משמעות הדבר היא שרק חלק קטן מהמולקולות של אלקטרוליט חלש יוצרות יונים כאשר הן מומסות במים. דוגמאות לאלקטרוליטים חלשים כוללות חומצות חלשות כמו חומצה אצטית (CH3COOH) ובסיסים חלשים כמו אמוניה (NH3).

שאלה 2:

קבע את דרגת היינון וריכוז היונים ב-0,1 M CH3COOH. קבוע דיסוציאציה חומצית (\(K_a\)) עבור CH3COOH הוא 1,8 × 10^-5.

דִיוּן:

ניתן לכתוב את תגובת הדיסוציאציה של CH3COOH במים כך:

\[ \text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \]

דרגת הדיסוציאציה (α) מוגדרת כשבר החומצה שמתפרק ליונים. באמצעות הערך של ΔΣ, נוכל לכתוב את הקשר הבא עבור תמיסת CH3COOH בריכוז 0,1 M:

\[ K_a = [\text{CH}_3\text{COO}^-][\text{H}^+] / [\text{CH}_3\text{COOH}] \]

מכיוון שהיינון של CH3COOH הוא חלקי, ריכוז היונים הנוצרים הוא cα, כאשר c הוא הריכוז ההתחלתי של CH3COOH (0,1 M). אז המשוואה הופכת ל:

[1,8 כפול 10^{-5} = \frac{(0,1\alpha)(0,1\alpha)}{0,1(1-\alpha)} \]

לפשט את האפשרויות הבאות:

[1,8 כפול 10⁻⁴ = 0,01 אלפא⁻² / 0,1 – 0,1 אלפא]

נניח ש-α קטן מספיק כדי שנוכל להתעלם מ-α במכנה:

[1,8 כפול 10⁻⁴ = בערך 0,01 אלפא⁻² / 0,1]

[1,8 כפול 10⁻⁴ בערך α2]

\[ \alpha \approx \sqrt{1,8 \x10^{-5}} \]

[α = בערך 4,24 כפול 10⁻³]

אז, דרגת היינון היא 4,24 × 10^-3 או 0,424%.

ריכוז יוני H+ ו-CH3COO- בתמיסה הוא:

\[ [\text{H}^+] = 0,1 \× 4,24 \× 10^{-3} \בערך 4,24 \× 10^{-4} \]

\[ [\text{CH}_3\text{COO}^-] = 0,1 \× 4,24 \× 10^{-3} \בערך 4,24 \× 10^{-4} \]

לא אלקטרוליטים

תרכובות שאינן אלקטרוליטים הן תרכובות שאינן מייננות בתמיסה מימית. משמעות הדבר היא שתמיסות שאינן אלקטרוליטים אינן מייצרות יונים, ולכן אינן יכולות להוליך חשמל. דוגמאות לתרכובות שאינן אלקטרוליטים כוללות סוכר (סוכרוז), אוריאה ואלכוהול.

שאלה 3:

מדוע תמיסת אתנול (C2H5OH) בריכוז 0,1 M אינה מוליכה חשמל?

דִיוּן:

תמיסת אתנול אינה אלקטרוליט. אתנול, כאשר הוא מומס במים, אינו מתפרק ליונים. המבנה המולקולרי של אתנול נשאר שלם בתמיסה מימית. בשל היעדר יונים בתמיסה, אתנול אינו יכול להוליך חשמל. לכן, למרות שאתנול מסיס בקלות במים, מכיוון שלא נוצרים יונים, תמיסות אתנול אינן יכולות להוליך חשמל אפילו בכל ריכוז, כולל 0,1 M.

מסקנה

הבנת התכונות של אלקטרוליטים חזקים, אלקטרוליטים חלשים ואלקטרוליטים שאינם אלקטרוליטים היא בסיס חיוני בכימיה של תמיסה. אלקטרוליטים חזקים מייננים במלואם במים ולכן מוליכים חשמל היטב, בעוד שאלקטרוליטים חלשים מייננים רק באופן חלקי, דבר המצביע על מוליכות חשמלית נמוכה יותר. לעומת זאת, תרכובות שאינן אלקטרוליטים אינן מייננות כלל ולכן אינן יכולות להוליך חשמל. הבנת מושג זה עוזרת לתלמידים לזהות תרכובות על סמך התנהגותן בתמיסה ולענות נכון על שאלות קשורות.