דוגמה לשאלות דיון בנושא הידרוליזה של מלחים
הידרוליזה של מלח היא תופעה כימית הכוללת תגובה של מלח עם מים, תוך יצירת חומצה או בסיס כתוצר לוואי. תהליך זה הוא לעתים קרובות נושא חשוב בשיעורי כימיה משום שהבנת הידרוליזה של מלח יכולה לספק תובנות בסיסיות לגבי תכונות של תמיסות ולסייע בקביעת רמת החומציות של תמיסות. במאמר זה נדון במספר בעיות לדוגמה ובפתרונותיהן הקשורים להידרוליזה של מלח.
מושגים בסיסיים של הידרוליזה של מלחים
הידרוליזה של מלח מתרחשת כאשר מלח מתפרק במים והיונים שלו מגיבים עם מולקולות מים ליצירת חומצה או בסיס. לא כל המלחים עוברים הידרוליזה במים; חלקם ניטרליים, כלומר הם אינם משנים את רמת החומציות של התמיסה. עם זאת, חלק מהמלחים יכולים לייצר תמיסות חומציות או בסיסיות, בהתאם למקור החומצה והבסיס שיצרו את המלח.
כדי להבין את המנגנון הזה, חשוב לדעת ש:
מלחים של חומצות חזקות ובסיסים חזקים (כגון NaCl) בדרך כלל אינם עוברים הידרוליזה והתמיסה נשארת ניטרלית.
מלחים של חומצות חלשות ובסיסים חזקים (כגון CH3COONa) בדרך כלל מייצרים תמיסות בסיסיות.
מלחים של חומצות חזקות ובסיסים חלשים (כגון NH4Cl) בדרך כלל מייצרים תמיסות חומציות.
מלחים של חומצות חלשות ובסיסים חלשים יכולים להגיב עם מים ולקבוע את רמת החומציות הסופית בהתאם לחוזק היחסי של החומצה והבסיס.
שאלות לדוגמה ודיון
שאלה 1: הידרוליזה של אשלגן אצטט (CH3COOK)
פרטניאן:
האם תמיסת אשלגן אצטט (CH3COOK) חומצית, בסיסית או ניטרלית? כתבו את תגובת ההידרוליזה המתרחשת וקבעו את רמת החומציות (pH) של התמיסה.
דִיוּן:
אשלגן אצטט (CH3COOK) הוא מלח של חומצה חלשה (חומצה אצטית, CH3COOH) ובסיס חזק (אשלגן הידרוקסיד, KOH). מכך, ניתן להסיק שתמיסת CH3COOK היא ככל הנראה בסיסית מכיוון שיון האצטט (CH3COO⁻) יכול לעבור הידרוליזה במים.
התגובה היא כדלקמן:
\[ CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^- \]
יוני אצטט (CH3COO⁻) קולטים פרוטונים (H⁺) מהמים (H2O) ויוצרים חומצה אצטית (CH3COOH) ויוני הידרוקסיד (OH⁻). נוכחותם של יוני הידרוקסיד (OH⁻) בתמיסה הופכת אותה לבסיסית.
כדי לקבוע את רמת החומציות (pH), אנו זקוקים לריכוז יוני OH⁻. לדוגמה, יש לנו תמיסת CH3COOK בריכוז 0,1 M וקבוע היינון של חומצה אצטית (Ka) הוא 1,8 × 10⁻⁵.
הצעדים שננקטו הם:
1. שימוש בקבוע הבסיס (Kb) עבור יון CH3COO⁻:
[K_b = \frac{K_w}{K_a} = \frac{10^{-14}}{1,8 \× 10^{-5}} = 5,56 \× 10^{-10} \]
2. פירוק יוני CH3COO⁻ בתמיסה:
[ K_b = \frac{[CH_3COOH][OH^-]}{[CH_3COO^-]} \]
תהא מידת הדיסוציאציה 'x':
[5,56 כפול 10⁻⁻⁸ = \frac{x⁻²}{0,1-x}]
בהתעלם מה-\(x\) הקטן במכנה, נוכל לפשט:
[x² בערך 5,56 כפול 10⁻⁹ = 7,45 כפול 10⁻⁹]
ריכוז OH⁻:
\[ [OH^-] = 7,45 \× 10^{-6} \]
pOH של התמיסה:
[pOH = -log [OH-] = -log (7,45 כפול 10-6) בערך 5,13]
באמצעות הקשר בין pH ל-pOH:
\[ pH = 14 - pOH = 14 - 5,13 = 8,87 \]
אז, תמיסת CH3COOK היא בסיסית עם pH של כ-8,87.
שאלה 2: הידרוליזה של אמוניום כלוריד (NH4Cl)
פרטניאן:
האם תמיסת אמוניום כלוריד (NH4Cl) חומצית, בסיסית או ניטרלית? כתבו את תגובת ההידרוליזה המתרחשת וקבעו את רמת החומציות (pH) של התמיסה.
דִיוּן:
אמוניום כלוריד (NH4Cl) הוא מלח של חומצה חזקה (HCl) ובסיס חלש (NH3). מכאן, ניתן להסיק שהתמיסה חומצית מכיוון שיון האמוניום (NH4⁺) יכול לעבור הידרוליזה במים.
התגובה היא כדלקמן:
\[ NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+ \]
יוני אמוניום (NH4⁺) תורמים פרוטונים (H⁺) למולקולות מים (H2O) ליצירת יוני אמוניה (NH3) ויוני הידרוניום (H3O⁺). נוכחותם של יוני הידרוניום (H3O⁺) בתמיסה זו גורמת לתמיסה להיות חומצית.
לדוגמה, יש לנו תמיסת NH4Cl בריכוז 0,1 M. קבוע היינון הבסיסי (Kb) עבור NH3 הוא 1,8 × 10⁻⁵.
הצעדים שננקטו הם:
1. שימוש בקבוע החומצה (Ka) עבור יון NH4⁺:
[K_a = \frac{K_w}{K_b} = \frac{10^{-14}}{1,8 \× 10^{-5}} = 5,56 \× 10^{-10} \]
2. פירוק יוני NH4⁺ בתמיסה:
\[ K_a = \frac{[NH_3][H_3O^+]}{[NH_4^+]} \]
תהא מידת הדיסוציאציה 'x':
[5,56 כפול 10⁻⁻⁸ = \frac{x⁻²}{0,1-x}]
בהתעלם מה-\(x\) הקטן במכנה, נוכל לפשט:
[x² בערך 5,56 כפול 10⁻⁹ = 7,45 כפול 10⁻⁹]
ריכוז H3O⁺:
\[ [H_3O^+] = 7,45 \× 10^{-6} \]
רמת החומציות של התמיסה:
[pH = -log [H₃O₃] = -log (7,45 כפול 10⁻⁶) בערך 5,13]
אז, תמיסת NH4Cl היא חומצית עם pH של כ-5,13.
בשתי הדוגמאות לעיל, אנו רואים כיצד זיהוי סוג ההידרוליזה יכול לסייע בקביעת אופי התמיסה. על ידי יישום קבוע שיווי המשקל של היינון (Ka או Kb) וכמה הנחות פשוטות, נוכל לפתור את הבעיות הללו בקלות רבה.
דיון זה בבעיות הידרוליזה של מלחים לא רק מאמן מיומנויות אנליטיות בחישובים מתמטיים, אלא גם מעמיק את ההבנה של המושגים הבסיסיים של כימיה של תמיסה. הבנת האופן שבו יונים ממקורות שונים תורמים פרוטונים או קולטורים למולקולות מים, וכיצד הדבר משפיע על רמת החומציות של תמיסה, היא בסיסית לשליטה בנושאים מתקדמים רבים בכימיה.
