Hygiene general chem1

Report
‫شيمي عمومی‬
‫روشها و واحدهای بیان غلظت‬
‫روشها و واحدهای بیان غلظت‬
‫روشهای متعددی برای بیان غلظت وجود دارد‬
‫‪ -1‬موالریته یا غلظت موالر‪ :‬تعداد مولهای ماده حل شده در‬
‫یک لیتر محلول یا تعداد میلی مولهای ماده حل شده در یک‬
‫میلی لیتر محلول را گویند‬
‫واحدهای موالریته‪ mol/l :‬و ‪mmol/ml‬‬
‫نماد موالریته‪M :‬‬
‫‪ -2‬مواللیته یا غلظت موالل‪ :‬تعداد مولهای ماده حل شده در‬
‫‪1000‬گرم حالل و یا تعداد میلی مولهای ماده حل شده در یک گرم‬
‫حالل را گویند‬
‫واحدهای مواللیته‪ mol/kg :‬و ‪mmol/g‬‬
‫‪ -3‬نرمالیته یا غلظت نرمال‪ :‬تعداد اکی واالن های ماده حل شده در‬
‫یک لیتر محلول و یا تعداد میلی اکی واالن های ماده حل شده در‬
‫یک میلی لیتر محلول را گویند‬
‫واحدهای موالریته‪ eq/l :‬و ‪meq/ml‬‬
‫نماد نرمالیته‪N :‬‬
‫‪Eqg=g/EqW‬‬
‫‪=EqW=MW/n‬وزنی از ماده که متناسب با یک عامل واکنش‬
‫دهنده باشد‬
‫‪ = n‬ظرفیت = تعداد عوامل واکنش دهنده مولکول‬
‫‪EqW=49‬‬
‫‪MW H2SO4=98 n=2‬‬
‫ظرفیت مولکول ممکن است در واکنشهای مختلف متفاوت باشد‬
‫مثالظرفیت‪ H3PO4‬می تواند‪ 2 ،1‬یا ‪ 3‬باشد‪.‬‬
‫وزن اکی واالن یک ماده بستگی به واکنشی دارد که ماده در آن‬
‫شرکت کرده است‪ .‬پس تعریف وزن اکی واالنی برای یک ماده‬
‫همواره مبتنی بر چگونگی رفتار آن ماده در واکنش شیمیایی‬
‫ویژه است‪ .‬چنانچه نوع واکنش دقیقا مشخص نباشد ارزیابی وزن‬
‫اکی واالنی غیر ممکن خواهد بود و بدون در اختیار داشتن این‬
‫اطالعات نمیتوان غلظت محلولی را بر حسب نرمالیته بیان‬
‫کرد‪ .‬با توجه به نوع واکنشی که یک ماده میتواند در آن شرکت‬
‫کند میتوان وزن اکی واالن آنرا تعیین کرد‪.‬‬
‫برای یک اسید چند عاملی که دارای دو یا چند هیدروژن با‬
‫تمایالت متفاوت برای تفکیک شدن است تعیین اکی واالن‬
‫دشوارتر است‪ .‬بعنوان مثال در تیتراسیون اسید فسفریک ‪ ،‬در‬
‫تیتراسیون اول که اسید یک پروتون از دست میدهد وزن اکی‬
‫واالن اسید فسفریک برابر وزن مولکولی آن است در حالیکه در‬
‫تیتراسیون دوم وزن اکی واالن نصف وزن مولکولی است‪.‬‬
‫تیتراسیون پروتون سوم اسید فسفریک جنبه کاربردی ندارد‪.‬‬
‫بدون آگاهی از اینکه کدام یک از مراحل تیتراسیون در واکنش‬
‫درگیر است‪ ،‬تعیین وزن اکی واالن اسید فسفریک غیر ممکن‬
‫خواهد بود‪.‬‬
‫وزن اکی واالن گرم در واکنشهای اکسیداسیون احیا عبارت است از وزنی‬
‫که بطور مستقیم یا غیر مستقیم یک مول الکترون تولید یا مصرف‬
‫می‌کند‪ .‬بنابراین وزن اکی واالن هر ماده‌ای که در واکنش اکسیداسیون ‪-‬‬
‫احیا شرکت کرده است از تقسیم کردن وزن مولکولی آن بر تغییر عدد‬
‫اکسیداسیون آن ماده بدست می‌آید‪.‬‬
‫وزن اکی واالن برای یک نمک یا یک ماده شرکت کننده در یک واکنش‬
‫رسوبی یا تشکیل کمپلکس برابر وزنی از ماده است که در صورت یک‬
‫ظرفیتی بودن کاتیون‌ یک مولکول گرم و در صورت دو ظرفیتی بودن نصف‬
‫مولکول گرم و … کاتیون تولید یا مصرف نماید‪.‬‬
‫‪ -4‬غلظت درصدی‬
‫الف‪ -‬وزنی – وزنی‪ :‬وزن ماده حل شده به وزن محلول ضربدر ‪ 100‬را گویند‬
‫واحدهای وزنی – وزنی‪ %kg/kg :‬و ‪%gr/gr‬‬
‫نماد وزنی – وزنی‪%W/W :‬‬
‫ب‪ -‬وزنی – حجمی‪ :‬وزن ماده حل شده به حجم محلول ضربدر ‪ 100‬را گویند‬
‫واحدهای وزنی – حجمی‪ %kg/l :‬و ‪%g/ml‬‬
‫نماد وزنی – حجمی‪%W/V :‬‬
‫ج‪ -‬حجمی – حجمی‪ :‬حجمی ماده حل شده به حجم محلول ضربدر ‪ 100‬را گویند‬
‫واحدهای حجمی – حجمی‪ %l/l :‬و ‪%ml/ml‬‬
‫نماد حجمی – حجمی‪%V/V :‬‬
‫‪ -5‬قسمت وزنی‪:‬‬
‫الف‪( ppt -‬قسمت در هزار)‪ :‬یک قسمت از ماده حل شده‬
‫در هزار قسمت محلول یا مخلوط را گویند‪.‬‬
‫)‪(X g /1000 g‬‬
‫ب‪( ppm -‬قسمت در میلیون)‪ :‬یک قسمت از ماده حل‬
‫شده در یک میلیون قسمت محلول یا مخلوط را گویند‬
‫ج‪( ppb -‬قسمت در بیلیون)‪ :‬یک قسمت از ماده حل شده‬
‫در یک بیلیون قسمت محلول یا مخلوط را گویند‬
‫‪( ppm‬قسمت در میلیون)‪ :‬یک قسمت از ماده حل‬
‫شده در یک میلیون قسمت محلول یا مخلوط را گویند‪.‬‬
‫)‪(X g/1000.000 g) =(X mg/1000 g) =(X mg/1kg‬‬
‫در محلولهای رقیق آبکی )‪d=1 (Kg=L‬‬
‫‪ppm= X mg/L‬‬
‫برای تهیه ‪500 ml‬محلول ‪0.1M HCl‬چند میلی لیتر از محلول‬
‫غلیظ ‪HCl‬با مشخصات زیر الزم است؟ ‪4.14‬‬
‫‪MW=36.5 %W/W=37 d=1.19‬‬
‫‪500 ml‬از محلول غلیظ ‪HCl‬با مشخصات زیر چند موالر‬
‫است‪12.06 .‬‬
‫‪MW=36.5 %W/W=37 d=1.19‬‬
‫محلول غلیظ ‪HCl‬با مشخصات زیر در اختیار است‪.‬‬
‫‪MW=36.5 %W/W=37 d=1.19‬‬
‫ غلظت این محلول برحسب موالریته چقدر است؟‬‫‪ -‬غلظت این محلول برحسب مواللیته چقدر است؟‬
‫‪ -‬غلظت این محلول برحسب ‪ %W/V‬چقدر است؟‬
‫ ‪10 ml‬از محلول غلیظ ‪HCl‬با مشخصات زیر به حجم ‪ 2‬لیتر‬‫رسیده است‪MW=36.5 %W/W=37 d=1.19 .‬‬
‫موالریته محلول حاصله چقدر است‪.‬‬‫اگر ‪ 1 ml‬از محلول حاصله تا حجم یک لیتر رقیق شود‪،‬غلظت‬‫آن بر حسب ‪ ppm‬چقدر می شود‪.‬‬
‫‪ 100 ml‬از محلول ‪ 0.1 M HCl‬در اختیار داریم‪.‬‬‫‪pH‬این محلول چقدر است‪.‬‬‫چند میلی لیتر آب به آن اضافه شود تا ‪pH‬محلول حاصله برابر‬‫‪ 1.2‬گردد‪.‬‬
‫‪ 100 ml‬از محلول ‪(Ka=1×10-5) 0.1 M CH3COOH‬در‬‫اختیار داریم‪.‬‬
‫‪pH‬این محلول چقدر است‬‫چند میلی لیتر آب به آن اضافه شود تا ‪pH‬محلول حاصله برابر‬‫‪ 4.1‬گردد‪.‬‬
‫برای تهیه ‪500 ml‬محلول ‪0.1M NaOH‬چند میلی گرم از سود‬
‫زیر الزم است؟ ‪2222‬‬
‫‪MW=40 %W/W=90‬‬
‫‪500 ml‬از محلول غلیظ ‪ H2SO4‬با مشخصات زیر چند نرمال‬
‫است‪36.80 .‬‬
‫‪MW=98 %W/W=98 d=1.84‬‬
‫برای استاندارد کردن محلول سود ‪ 0.5‬موالر تقریبا چند میلی گرم‬
‫)‪ KHP(MW=204‬را توزین می کنید؟‬
‫آن را در چه حجمی از حالل حل می کنید؟‬
‫معرف مناسب در این آزمایش را از داده های کتاب محاسبه کنید‪.‬‬
‫آیا از معرف متیل رد در این آزمایش می توان استفاده کرد؟چرا؟‬
‫برای تهیه ‪500 ml‬محلول ‪0.1M H2SO4‬چند میلی لیتر‬
‫از محلول غلیظ ‪ H2SO4‬با مشخصات زیر الزم است؟‬
‫‪2.72‬‬
‫‪MW=98 %W/W=98 d=1.84‬‬
‫برای تهیه ‪500 ml‬محلول ‪0.1N H2SO4‬چند میلی لیتر‬
‫از محلول غلیظ ‪ H2SO4‬با مشخصات زیر الزم است؟‬
‫‪1.36‬‬
‫‪MW=98 %W/W=98 d=1.84‬‬
‫ یک لیتر آب ‪،‬به ‪ 50 g‬اسید سولفوریک غلیظ با مشخصات زیر‬‫اضافه شده است‪MW=98 %W/W=98 d=1.84.‬‬
‫‪ %W/W‬محلول حاصله چقدر است؟‬
‫‪ %W/V‬محلول حاصله چقدر است؟‬
‫ یک لیتر اسید سولفوریک ‪ 0.2 M‬با آب به حجم ‪ 5‬لیتر رسییده‬‫است‪.‬نرمالیته محلول حاصل چقدر است؟‬
‫مقداری سود به آب اضافه شده است‪.‬دانسیته محلول حاصل برابر‬
‫‪ 1.05‬می باشد‪.‬اگر افزودن سود به آب ‪،‬باعث تغییر حجم‬
‫نشود‪،‬مواللیته این محلول جقدر است؟‬
‫‪، %W/V -‬محلول ‪ 1 M‬سود ‪،‬چقدر می باشد؟‬
‫اسید کلریدریک ‪ 36.5% W/W‬با دانسیته ‪1.19‬‬
‫تعادل شیمیایی‬
‫استوکیومتری‬
‫تعادل شیمیایی‬
‫ی‬
‫روشهای استوکیومتر ‌‬
‫در یک واکنش شیمیایی مقدار واکنشگر شیمیایی الزم از یک گونه برای‬
‫انجام کامل واکنش با گونه دیگر را معادل شیمیایی آن گونه و یا‬
‫استوکیومتری واکنش گویند‪.‬‬
‫ً‬
‫استوکیومتری و یا معادل شیمیایی دو واکنشگر نسبت به هم عموما بر‬
‫حسب مول بیان می شود‬
‫مثال‪:‬‬
‫‪H2CO3 + 2NaOH  Na2CO3 + 2H2O‬‬
‫استوکیومتری ‪ NaOH‬به ‪2 H2CO3‬به ‪ 1‬است‬
‫حل مسئله به روش استوکیومتری‌‬
‫اساس‬
‫‪g1 ==mol1==mol2==g2‬‬
‫‪ -1‬ابتدا معلومات و مجهوالت مسئله را تعیین می کنند‬
‫‪ -2‬از گونه معلوم شروع کرده و آنرا به مول و یا میلی مول‬
‫معلوم تبدیل می کنند‬
‫‪ -3‬از روی استوکیومتری واکنش مول گونه معلوم را به مول‬
‫گونه مجهول تبدیل می کنند‬
‫‪ -4‬از مول گونه مجهول کمیت مورد نظر برای گونه مجهول‬
‫را بدست میاورند‬
:‫مثال‬
Na2CO3 ‫ گرم از‬2.33 ‫ برای تبدیل‬AgNO3‫ چند گرم از‬:‫مسئله‬
.‫ مورد نیاز محاسبه کنید‬Ag2CO3 ‫به‬
2AgNO3 + Na2CO3  Ag2CO3 + 2NaNO3
Mw (AgNO3)=170 gr/mol
Mw (Na2CO3)=106 gr/mol
Mw (Ag2CO3)=276 gr/mol
Na2CO3 ‫ گرم‬2.33 :‫ معلومات مسئله‬-1
AgNO3‫ گرم مورد نیاز از‬:‫مجهوالت مسئله‬
‫تبدیل می کنند‬Na2CO3 ‫ را به مول‬Na2CO3 ‫ گرم‬2.33 -2
? grAgNO
3
 2 . 33 grNa
2 CO 3

1 molNa
106 grNa
2 CO 3
 ( A ) molNa
2 CO 3
2 CO 3
‫ می باشد‬2 ‫به‬1 AgNO3 ‫ به‬Na2CO3 ‫ نسبت استوکیومتری‬-3
? grAgNO
3
 ( A ) molNa
2 CO
3

2 molAgNO
1 molNa
2 CO
3
3
 ( B ) molAgNO
3
AgNO3‫برای‬
? grAgNO
3
‫کمیت مورد نظر گرم را‬
 ( B ) molAgNO
3

170 grAgNO
1 molAgNO
3
3
AgNO3‫مول‬
‫ از‬-4
‫بدست می آورند‬
 7 . 47 grAgNO
3
‫تعادالت‬
‫انواع ثابت تعادل‬
‫‪1‬ـ ثابت تفكیك یا ناپایداري‬
‫الف‪ -‬ثابت تفکیک اسیدی‬
‫ب‪ -‬ثابت تفکیک بازی‌‬
‫ي)‬
‫‪2‬ـ ثابت تشكيل (ثابت تجمع يا پايدار ‌‬
‫تقسیم بندی ثابت تعادل به مرحله ای و کلی‬
‫‪ -1‬ثابت تشكيل و یا تفکیک مرحله ای‬
‫‪ -2‬ثابت تشكيل و یا تفکیک کلی‬
‫توضیح انواع ثابت تعادل‬
‫‪1‬ـ ثابت تفكيك يا ناپايداري‌‬
‫اگر مواد یا گونه ها از هم تفکیک گردند ثابت تعادل بنام‬
‫ثابت تفكيك يا ناپايداري نامیده می شود‬
‫‪AlF63-  Al3+ + 6F‬‬‫‪ 6‬‬
‫] ‪][ F‬‬
‫]‬
‫‪3‬‬
‫‪6‬‬
‫‪3‬‬
‫‪[ Al‬‬
‫‪[ AlF‬‬
‫‪kd ‬‬
‫الف‪ -‬ثابت تفکیک در مورد اسیدها‬
‫ثابت اسیدی‬
‫نسبت محصوالت حاصل از تفکیک اسید به مواد‬
‫اولیه(اسید) را ثابت اسیدی گویند و با ‪ kacid‬و یا به‬
‫اختصار با ‪ ka‬نمایش می دهند‬
‫‪HA  H+ + A‬‬‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪[ H ][ A‬‬
‫‪HA ‬‬
‫‪ka ‬‬
‫ب‪ -‬ثابت تفکیک در مورد بازها‬
‫ثابت بازی‬
‫نسبت محصوالت حاصل از تفکیک باز به مواد‬
‫اولیه(باز) را ثابت بازی گویند و با ‪ kbase‬و یا به‬
‫اختصار با ‪ kb‬نمایش می دهند‬
‫‪BOH  B+ + OH‬‬‫]‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪[ B ][ OH‬‬
‫‪BOH ‬‬
‫‪kb ‬‬
‫ي)‬
‫‪2‬ـ ثابت تشكيل (ثابت تجمع يا پايدار ‌‬
‫اگر واکنشگرها باهم ترکیب شده و محصول را تشکیل دهند‬
‫ي)‬
‫ثابت تعادل بنام ثابت تشكيل (یا ثابت تجمع يا ثابت پايدار ‌‬
‫نامیده می شود‬
‫‪Mn+ + Y4-  MY(n-4)+‬‬
‫]‬
‫]‬
‫‪(n  4 )‬‬
‫‪4‬‬
‫‪][ Y‬‬
‫‪[ MY‬‬
‫‪n‬‬
‫‪[M‬‬
‫‪kf ‬‬
‫‪k a or‬‬
‫تقسیم بندی ثابت تعادل به مرحله ای و کلی‬
‫‪ -1‬ثابتهای تفکیک و یا تشکیل مرحله ای‬
‫اگراسیدها‪ ،‬بازها ویا گونه های دیگر در چندین مرحله تفکیک و‬
‫یا تشکیل گردند میتوان برای آنها ثابتهای تفکیک و یا تشکیل‬
‫مرحله ای نوشت‪.‬‬
‫ مرحله‬3 ‫ در‬H3PO4 ‫ تفکیک اسید فسفریک‬:‫مثال‬
H3PO4  H+ + H2PO4 -
ka1 or k1
H2PO4 -  H+ + HPO4 2- ka2 or k1
HPO4 2-  H+ + PO4 3-
ka3 or k3
‫ثابت تفکیک مرحله ای اول اسید فسفریک‬
H3PO4  H+ + H2PO4 -


k1 
[ H ][ H 2 PO
[ H 3 PO 4 ]
4
]
‫ثابت تفکیک مرحله ای دوم اسید فسفریک‬
‫]‬
‫‪2‬‬
‫]‬
‫‪‬‬
‫‪4‬‬
‫‪‬‬
‫‪[ H ][ HPO‬‬
‫‪4‬‬
‫‪[ H 2 PO‬‬
‫‪k2 ‬‬
‫‪2-‬‬
‫‪+ HPO4‬‬
‫‪H+‬‬
‫‪H2PO4 ‬‬
‫‪-‬‬
‫ثابت تفکیک مرحله ای سوم اسید فسفریک‬
‫]‬
‫‪3‬‬
‫]‬
‫‪4‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪[ H ][ PO‬‬
‫‪4‬‬
‫‪[ HPO‬‬
‫‪k3 ‬‬
‫‪3-‬‬
‫‪+ PO4‬‬
‫‪H+‬‬
‫‪HPO4 ‬‬
‫‪2-‬‬
‫‪ -2‬ثابتهای تفکیک و یا تشکیل کلی‬
‫اگراسیدها‪ ،‬بازها ویا گونه های دیگر در چندین مرحله تفکیک و یا‬
‫تشکیل گردند همچنین میتوان برای آنها ثابتهای تفکیک و یا تشکیل‬
‫کلی نوشت ‪.‬‬
‫مثال‪ :‬ثابتهای کلی تفکیک اسید فسفریک‬
‫‪1=k1‬‬
‫‪H3PO4  H+ + H2PO4 -‬‬
‫‪2=k1  k2‬‬
‫‪H3PO4  2H+ + HPO4 2-‬‬
‫‪3=k1  k2  k3‬‬
‫‪H3PO4  3H+ + PO4 3-‬‬
‫ثابت تفکیک کلی اول اسید فسفریک‬
‫‪1=k1‬‬
‫]‬
‫‪‬‬
‫‪H3PO4  H+ + H2PO4 -‬‬
‫‪‬‬
‫‪4‬‬
‫‪[ H ][ H 2 PO‬‬
‫] ‪[ H 3 PO 4‬‬
‫‪1 ‬‬
‫ثابت تفکیک کلی دوم اسید فسفریک‬
‫‪2=k1  k2‬‬
‫]‬
‫‪2‬‬
‫‪ 2‬‬
‫‪4‬‬
‫‪[ H ] [ HPO‬‬
‫] ‪[ H 3 PO 4‬‬
‫‪2 ‬‬
‫‪H3PO4  2H+ + HPO4 2-‬‬
‫ثابت تفکیک کلی سوم اسید فسفریک‬
‫‪H3PO4  3H+ + PO4 3‬‬‫‪3=k1  k2  k3‬‬
‫]‬
‫‪3‬‬
‫‪ 3‬‬
‫‪4‬‬
‫‪[ H ] [ PO‬‬
‫] ‪[ H 3 PO 4‬‬
‫‪3 ‬‬
‫کاربرد ثابتهای تعادل‬
‫از روی ثابتهای تعادل میتوان غلظت تعادلی گونه های موجود در‬
‫محلول را بدست آورد‪.‬‬
‫مسئله‪ :‬غلظت ‪ H+‬موجود در یك محلول آبي ‪ 0.01‬موالر اسید‬
‫فرمیک)‪ (HA‬را محاسبه كنید‬
‫‪ka =1.77  10-4‬‬
‫معادله شیمیایی برای تفکیک اسید فرمیک عبارتست از‬
‫‪HA  H+ + A-‬‬
‫‪HA  H+ + A‬‬‫‪ ka‬برای این واکنش باال از معادله زیر به دست می آید‬
‫‪4‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 1 . 77  10‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪[ H ][ A‬‬
‫‪HA ‬‬
‫‪ka ‬‬
‫غلظت اسید فرمیک ‪ 0.01‬موالر پیش از تفکیک است و به‬
‫ازای هر مول اسید فرمیک تفکیک شده‪ ،‬یک مول ‪ H+‬و یک‬
‫مول ‪ A-‬تولید می گردد در نتیجه‪[H+] = [A-] :‬‬
HA  H+ + A0.01M-x
x
x

ka 


[ H ][ A ]
HA   C HA
1 . 77  10
4



 [H ]


[ H ][ H ]
HA   0 . 01  [ H  ]

[ H ].[ H ]

0 . 01  [ H ]
‫معادله درجه دوم‬
[H+]2 + 1.77  10-4 [H+] - 1.77  10-6 =0
[H+]2 + 1.77  10-4 [H+] - 1.77  10-6 =0
‫ حل معادله درجه دوم‬
[H+] = 1.25  10-3 M
and
[H+] = -1.43  10-3 M
 [H+] = 1.25  10-3
‫در واکنشهای تفکیک(مثل تفکیک اسیدها‪ ،‬بازها و‪ )...‬اگر‬
‫كوچك و غلظت واكنشدهنده (غلظت اولیه) بزرگ باشد از تفكیك‬
‫اسید یا باز ضعیف صرفنظر ميكنند‪.‬‬
‫‪kd‬‬
‫تفکیک اسیدها‬
‫‪HA +H2O  H3O+ + A-‬‬
‫‪if kd < (1/100)  CHA  CHA - [H+] = CHA‬‬
‫تفکیک بازها‬
‫‪A- +H2O  OH- + HA‬‬
‫‪if kd < (1/100)  CA-  CA- - [OH-] = CA-‬‬
‫مسئله‪ :‬غلظت استات ‪ A-‬را در یک را در محلول آبي اسید‬
‫استیک ‪ HA‬محاسبه كنید‪.‬‬
‫‪ka =1.8  10-5‬‬
‫معادله شیمیایی برای تفکیک اسید استیک عبارتست از‬
‫‪HA  H+ + A‬‬‫‪ ka‬برای واکنش باال از معادله زیر به دست می آید‬
‫‪5‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 1 . 8  10‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪[ H ][ A‬‬
‫‪HA ‬‬
‫‪ka ‬‬
‫غلظت اسید استیک ‪0.1‬موالر پیش از تفکیک است و به ازای‬
‫هر مول اسید استیک تفکیک شده‪ ،‬یک مول ‪ H+‬و یک مول ‪A-‬‬
‫تولید می گردد در نتیجه‪[H+] = [A-] :‬‬
‫‪HA  H+ + A-‬‬
‫‪x‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪[ H ][ H‬‬
‫]‬
‫‪‬‬
‫‪HA   0 . 1  [ H‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪0 .1  [ H‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪[ H ][ A‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪ [H‬‬
‫‪‬‬
‫] ‪[ H ].[ H‬‬
‫‪x‬‬
‫‪0.1M-x‬‬
‫‪‬‬
‫‪5‬‬
‫‪1 . 8  10‬‬
‫‪HA   C HA‬‬
‫‪ka ‬‬
‫تقریب‬
‫صرفنظر نمودن از غلظت ]‪[A-‬و یا ]‪ [H+‬در برابر غلظت‬
‫اولیه اسید ‪ (CHA) HA‬وقتی صحیح است که‪:‬‬
‫‪ kd < (1/100)  CHA‬‬
‫‪ ka < (1/100)  CHA‬‬
‫‪ 1.8  10-5 < (1/100) 0.1‬‬
‫‪ 1.8  10-5 < 10-3‬‬
‫در نتیجه ‪‬‬
‫‪[HA]=CHA‬‬
‫حل معادله تقریب خورده ‪‬‬
‫‪1.8  10-5  0.01= [H+]2‬‬
‫‪[H+]2 = 1.8  10-6‬‬
‫‪[H+] = 1.3  10-3‬‬
‫مزایای اعمال تقریب‪ :‬حل آسان مسئله‬
‫‪ pH‬محلول ‪0.1M‬اسید فسفریک را محاسبه کنید‪.‬‬
‫‪Ka1=1*10-2‬‬
‫‪Ka2=1*10-7‬‬
‫‪Ka3=1*10-12‬‬
‫تفكيك آب‬
‫بیشترین کاربرد آب در تجزیه‪:‬‬
‫ً‬
‫ آب اکثرا بعنوان حالل بکار می رود‬‫ تفکیک آب میتواند بر روی روی غلظتهای تعادلی تاثیر‬‫بگذارد‬
‫ آب بعنوان آمفوتر میتواند از یک مولکول دیگر خود‬‫پروتون بگیرد و یا به آن پروتون بدهد‬
‫تفكيك یا هیدرولیز آب‬
‫‪H2O + H2O  H3O+ + OH- or‬‬
‫‪ H3O+‬یا ‪H+‬یون هیدرونیوم‬
‫‪H2O  H+ + OH-‬‬
‫ثابت تفكيك یا هیدرولیز آب‬
‫‪H2O  H+ + OH‬‬‫‪ 16‬‬
‫‪ 1 . 82  10‬‬
‫]‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪[ H ][ OH‬‬
‫] ‪[H 2O‬‬
‫‪kd ‬‬
‫‪ = 1 gr/ml‬چگالي آب‬
‫‪ = 18 gr/mol‬جرم مولکولی آب‬
‫‪18gr = 1mol‬‬
‫‪ = [H2O]=55.6 mol/l‬غلظت مولي آب‬
‫‪[H2O]=55.6 mol/l‬‬
‫]‪ kw = kd  [H2O] = [H+][OH-]  kw = [H+][OH-‬‬
‫اسامی مختلف ‪kw‬‬
‫ّ‬
‫ ثابت حاصلضرب یونی آب‬‫ّ‬
‫ حاصلضرب ّیونی آب‬‫ ثابت یونش آب‬‫‪ kw‬وابسته به دما هست و در ‪25 oC‬برابر با ‪ 10-14‬هست‬
‫عوامل موثر بر ثابت تعادل‬
‫‪1‬ـ تغيیرات فشار‬
‫‪2‬ـ تغيیرات دما‬
‫‪ -3‬تغيیر غلظت‬
‫توضیح عوامل موثر بر ثابت تعادل‪:‬‬
‫اثر تغییر شرایط محیط بر یک تعادل شیمیایی با اصل لوشاتليه قابل‬
‫پيشگويي است‪.‬‬
‫‪ -1‬تغيیر غلظت‬
‫تغيیر غلظت واكنش دهنده‌ها و يا محصوالت مي‌تواند بر غلظت تعادلي‬
‫گونه‌ها تأثیر بگذارد‪ .‬اگر يكي از محصوالت رسوب باشد واكنش به سمت‬
‫كامل شدن پيش مي‌رود‪.‬‬
‫‪2‬ـ تغيیرات دما‬
‫در صورتي تأثیرگذار هست كه طي واكنش گرما جذب‬
‫(گرماگیر) و یا گرما آزاد(گرمازا) شود‪.‬‬
‫گرمازا‬
‫↑‪A + B  C + D + Q‬‬
‫افزایش گرما‪ ‬كاهش محصوالت‪ ‬غلظت تعادلي‬
‫محصوالت كم شده و مواد اولیه زیاد میشود و ثابت تعادل کم می‬
‫شود‬
‫گرمازا‬
‫↑‪A + B  C + D + Q‬‬
‫کاهش گرما‪ ‬افزایش محصوالت‪ ‬غلظت تعادلي محصوالت زیاد‬
‫شده و غلظت تعادلي مواد اولیه کم میشود و ثابت تعادل بزرگ می‬
‫شود‬
‫به د ‌الیل‪‬فوق‌ ثابت تعادل در دماي بخصوص گزارش مي‌‌گردد‬
‫دما سرعت رسيدن واكنش به تعادل را كاهش مي‌دهد‪.‬‬
‫كاتالیزورها‬
‫كاتالیزورها سرعت واكنش شيميايي را افزايش مي‌دهند‪ ،‬زمان‬
‫رسيدن به تعادل كم مي‌شود‪.‬‬
‫‪‬كاتالیزورها ثابت تعادل را تغيیر نمي‌دهند‬
‫‪3‬ـ تغيیرات فشار‬
‫در صورتي بر تعادل تأثیر مي‌گذارد كه يكي از مواد گازي شکل‬
‫باشد‪.‬‬
‫مثال‬
‫)‪H2CO3(aq)  CO2(g) + H2O(l‬‬
‫اسیدها‪ ،‬بازها‬
‫اسیدها‪ ،‬بازها و بافرها‬
‫انواع تعاریف مختلف اسيدها و بازها‬
‫‪ -1‬تعريف آرنیوس‬
‫‪ -2‬تعريف برونستدولوري‬
‫‪ -3‬تعريف لوئيس‬
‫‪ -1‬تعريف آرنیوس‬
‫الف‪ -‬اسیدهای آرنیوس‪ :‬اسيدهادر آب ‪ ،‬تفكيك شده توليد پروتون مي‌كنند‬
‫ب‪ -‬بازهای آرنیوس‪ :‬بازها در آب ‪ ،‬تفكيك شده توليد هيدروكسيد مي‌كنند‬
‫اسید‪:‬‬
‫باز‪:‬‬
‫اشکال تعریف‪ :‬کلی نیست‬
‫مثال‪:‬‬
‫‪HCl  H+ + Cl‬‬‫‪NaOH  Na+ + OH-‬‬
‫‪HCl + NH3  NH4+ + Cl-‬‬
‫‪ -2‬تعريف برونستدولوري‬
‫الف‪ -‬اسیدهای برونستدولوري‪ :‬اسيدها پروتون از دست مي‌دهند‪.‬‬
‫ب‪ -‬بازهای برونستدولوري‪ :‬بازها پروتون مي‌گیرند‪.‬‬
‫اسید و باز‬
‫‪HCl + NH3  NH4+ + Cl-‬‬
‫اشکال تعریف‪ :‬کلی تر از تعريف آرنیوس ولی باز هم ناقص است‬
‫مثال‪:‬‬
‫‪Cl3B + :NH3  Cl3B:NH3‬‬
‫‪ -3‬تعريف لوئيس‬
‫الف‪ -‬اسیدهای لوئيس‪ :‬اسيدها در واکنشها زوج الكترون‬
‫مي‌پذيرند‪.‬‬
‫ب‪ -‬بازهای لوئيس‪ :‬بازهای لوئيس زوج الكترون غیر‬
‫مشترك خود را به اشتراك مي‌گذارد‬
‫مثال‪:‬‬
‫تعریف‪ :‬کلی تر و جامع‬
‫‪Cl3B + :NH3  Cl3B:NH3‬‬
‫معیار قدرت اسيدي و بازی‌‬
‫قدرت اسيدي‪:‬‬
‫میزان تفكيك قدرت اسيدي را تعيین مي‌كند (نه غلظت)‬
‫‪HA +H2O  H3O+ + A‬‬‫‪‬هر چقدر تفكيك بيشتر‪ ،‬غلظت‪ H+‬زياد شده و اسید قويتر است‬
‫قدرت بازي‌‪:‬‬
‫میزان تفكيك قدرت بازي را تعيین مي‌كند ‪.‬‬
‫‪B- +H2O  BH + OH-‬‬
‫‪ ‬هر چقدر تفكیك بیشتر‪ ،‬غلظت‪ OH-‬زیاد شده‬
‫‪ ‬باز قويتر است‬
‫‪-logX = pX‬‬
‫‪pH + pOH = pkw‬‬
‫تقسیم بندی انواع محلول برحسب قدرت اسیدی و بازی‌‬
‫محلول خنثي‪ :‬غلظت ]‪[H+‬و ]‪[OH-‬برابرست‪.‬‬
‫‪[H+] =[OH-]  pH=7 ‬‬
‫محلول اسيدي‪ :‬غلظت ]‪[H+‬بزرگتر از غلظت ]‪ [OH-‬است ‪‬‬
‫]‪pH<7  [H+] >[OH-‬‬
‫ي‪ :‬غلظت ]‪[H+‬کوچکتر از غلظت ]‪ [OH-‬است ‪‬‬
‫محلول باز ‌‬
‫]‪pH>7  [H+] <[OH-‬‬
‫‪[H+] ×[OH-] =Kw=1×10‬‬
Electric power conversion in electrochemistry
Electrolysis / Power
consumption
Electric
Power
Chemical
Reactions
Electrochemical battery / Power
generation
65
Molten NaCl
At the microscopic level
e
-
battery
+
NaCl (l)
cations
anions
+
Na
migrate
migrate
+
ClNa
toward
toward
e
C
(-)
(+)
(-)
(+)lelectrode
electrode
+
anode
cathode
C Na
-  Cl 66
+
2Cl
l
Na + e  Na
2 + 2e
-
Aqueous NaCl
+
battery
e
power
source
e
-
-
NaCl (aq)
What could be
reduced at the
cathode?
cathode
different
half-cell
Na+
C
(-) l(+)
H2O
anod
e Cl2 67+ 2e
2Cl- 
P g 901
C ourtesy Intern ational S ilver
P lating, Inc.
68
What about halfcell reactions?
+
cathode half-cell
Cu+2 + 2e-  Cu
Cu
plates
out or
deposits
on
What about the
sign of the
electrodes?
- Why?
anode half-cell
Zn  Zn+2 + 2e
What
happened
Cu
Zn
at each
electrode
1.0 M CuSO4
1.0 M ZnSO4
?
Zn
electrode
erodes
or
dissolves
69
‫تمام واکنشهای شیمیایی ‪ ،‬اساسا ماهیت الکتریکی دارند‪ ،‬زیرا الکترونها‬
‫در تمام انواع پیوندهای شیمیایی( به راههای گوناگو ‌ن) دخالت دارند‪.‬‬
‫اما الکتروشیمی بیش از هر چیز بررس ی پدیده‌های اکسایش ‪-‬کاهش‬
‫است‪ .‬روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ‪ ،‬هم از لحاظ نظری و‬
‫هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است‪.‬‬
‫از واکنشهای شیمیایی می‌توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد‬
‫(در سلولهایی که سلولهای ولتایی یا سلولهای گالوانی نامیده می‌شوند)‬
‫و انرژی الکتریکی را می‌توان برای تبادالت شیمیایی بکار برد (در سلولهای‬
‫الکترولیتی)‪ .‬عالوه بر این ‪ ،‬مطالعه فرآیندهایی الکتروشیمیایی منجر به‬
‫خارج از‬
‫فهم و تنظیم قواعد آنگونه از پدیده‌های اکسایش ‪ -‬کاهش که ‌‬
‫اینگونه سلولها روی می‌دهند‪ ،‬نیز می‌شود‪ .‬با برخی فرآیندهای‬
‫تمام واکنشهای شیمیایی ‪ ،‬اساسا ماهیت الکتریکی دارند‪ ،‬زیرا الکترونها‬
‫در تمام انواع پیوندهای شیمیایی( به راههای گوناگو ‌ن) دخالت دارند‪.‬‬
‫اما الکتروشیمی بیش از هر چیز بررس ی پدیده‌های اکسایش ‪-‬کاهش‬
‫است‪ .‬روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ‪ ،‬هم از لحاظ نظری و‬
‫هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است‪.‬‬
‫از واکنشهای شیمیایی می‌توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد‬
‫(در سلولهایی که سلولهای ولتایی یا سلولهای گالوانی نامیده می‌شوند)‬
‫و انرژی الکتریکی را می‌توان برای تبادالت شیمیایی بکار برد (در سلولهای‬
‫الکترولیتی)‪ .‬عالوه بر این ‪ ،‬مطالعه فرآیندهایی الکتروشیمیایی منجر به‬
‫خارج از‬
‫فهم و تنظیم قواعد آنگونه از پدیده‌های اکسایش ‪ -‬کاهش که ‌‬
‫اینگونه سلولها روی می‌دهند‪ ،‬نیز می‌شود‪ .‬با برخی فرآیندهای‬
‫رسانش الکترولیتی‬
‫رسانش الکترولیت ‪ ،‬هنگامی صورت می‌گیرد که یونهای الکترولیت‬
‫بتوانند آزادانه حرکت کنند‪ ،‬چون در این مورد ‪ ،‬یونها هستند که بار‬
‫الکتریکی را حمل می‌کنند‪ .‬به همین دلیل است که رسانش الکترولیتی ‪،‬‬
‫اساس توسط نمکهای مذاب و محلولهای آبی الکترولیتها صورت‬
‫می‌گیرد‪ .‬عالوه بر این ‪ ،‬برای تداوم جریان در یک رسانای الکترولیتی الزم‬
‫است که حرکت یونها با تغییر شیمیایی همراه باشد‪ .‬منبع جریان در یک‬
‫سلول الکترولیتی ‪ ،‬الکترونها را به الکترود سمت چپ می‌راند‪. ε=IR‬‬
‫بنابراین می‌توان گفت که این الکترود ‪ ،‬بار منفی پیدا می‌کند‪ .‬این‬
‫الکترونها از الکترود مثبت سمت راست کشیده می‌شوند‪ .‬در میدان‬
‫الکتریکی که بدین ترتیب بوجود می‌آید‪ ،‬یونهای مثبت یا کاتیونها به‬
‫طرف قطب منفی یا کاتد و یونهای منفی یا آنیونها به طرف قطب مثبت‬
‫یا آند جذب می‌شوند‪ .‬در رسانش الکترولیتی ‪ ،‬بار الکتریکی بوسیله‬
‫کاتیونها به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس به طرف آند‬
‫حرکت می‌کنند‪ ،‬حمل می‌شود‪.‬‬
‫برای این که یک مدار کامل حاصل شود‪ ،‬حرکت یونها باید با واکنشهای‬
‫الکترودی همراه باشد ‪.‬در کاتد ‪ ،‬اجزای شیمیایی معینی (که الزم نیست‬
‫حتما حامل بار باشند) باید الکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند‬
‫‪ ،‬الکترونها باید از اجزای شیمیایی معینی جدا شده ‪ ،‬در نتیجه آن ‪،‬‬
‫الکترولیز (برقکافت )‬
‫یا برقکافت سدیم کلرید مذاب ‪ ،‬یک منبع صنعتی تهیه فلز الکترولیز‬
‫است‪ .‬روشهای مشابهی برای تهیه دیگر فلزات فعال ‪ ،‬و گاز کلر سدیم‬
‫بکار می‌روند‪ .‬اما چنانکه بعض ی از محلولهای آبی و کلسیم مانند پتاسیم‬
‫را برقکافت کنیم‪ ،‬آب به جای یونهای حاصل از ماده حل شده در‬
‫واکنشهای الکترودی دخالت می‌کند‪ .‬از اینرو ‪ ،‬یونهای حامل جریان‬
‫لزوما بار خود را در الکترودها خالی نمی‌کنند‪ .‬مثال در برقکافت محلول‬
‫آبی سدیم سولفات ‪ ،‬یونهای سدیم به طرف کاتد و یونهای سولفات به‬
‫طرف آند حرکت می‌کنند‪ ،‬اما بار این هر دو یون با اشکال تخلیه‬
‫‪.‬می‌شود‬
‫بی‌اثر در جریان بدین معنی که وقتی عمل برقکافت بین دو الکترود‬
‫‪(2H2O + 2e → 2OH- + H2(g‬‬
‫یعنی در کاتد ‪ ،‬کاهش صورت می‌گیرد‪ ،‬ولی به جای کاهش سدیم ‪ ،‬آب‬
‫کاهیده می‌شود‪ .‬بطور کلی ‪ ،‬هرگاه کاهش کاتیون ماده حل شده مشکل‬
‫باشد‪ ،‬کاهش آب صورت می‌گیرد‪ .‬اکسایش در آند صورت می‌گیرد و در‬
‫برقکافت محلول آبی ‪ ، Na2SO4‬آنیونها )‪ (2-SO4‬که به طرف آند‬
‫مهاجرت می‌کنند‪ ،‬به‌سختی اکسید می‌شوند‪:‬‬
‫‪2SO42- → S2O42- + 2e‬‬
‫ً‬
‫بنابراین ترجیها اکسایش آب صورت می‌گیرد‪:‬‬
‫‪2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e‬‬
‫یعنی در آند ‪ ،‬تولید گاز اکسیژن‌ مشاهده می‌شود و محلول پیرامون این‬
‫قطب ‪ ،‬اسیدی می‌شود‪ .‬بطور کلی هرگاه اکسایش آنیون ماده حل شده‬
‫مشکل باشد‪ ،‬آب در آند اکسید می‌شود‪ .‬در الکترولیز محلول آبی‬
‫‪ ،NaCl‬در آند ‪ ،‬یونهای ‪-Cl‬اکسید می‌شوند و گاز ‪ Cl2‬آزاد می‌کنند‬
‫و در کاتد ‪ ،‬احیای آب صورت می‌گیرد‪ .‬این فرآیند ‪ ،‬منبع صنعتی برای‬
‫گاز هیدروژن ‪ ،‬گاز کلر و سدیم هیدروکسید است‪:‬‬
‫‪2H2O + 2Na+ + 2Cl- → H2(g) + 2OH- + 2Na+ +‬‬
‫‪Cl2‬‬
‫سلولهای ولتایی‬
‫سلولی که به‌عنوان منبع انرژی الکتریکی بکار می‌رود‪ ،‬یک سلول ولتایی‬
‫یا یک سلول گالوانی نامیده می‌شود که از نام" آلساندرو ولتا "‬
‫)‪(1800‬و" لوئیجی گالوانی )‪ ،" (1780‬نخستین کسانی که تبدیل‬
‫انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی را مورد آزمایش قرار دادند‪ ،‬گرفته‬
‫شده است‪ .‬واکنش بین فلز روی و یونهای مس ‪ II‬در یک محلول ‪،‬‬
‫نمایانگر تغییری خود به خود است که در جریان آن ‪ ،‬الکترون منتقل‬
‫می‌شود‪.‬‬
‫‪(Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s‬‬
‫مکانیسم دقیقی که بر اساس آن انتقال الکترون صورت گیرد‪،‬‬
‫شناخته نشده است‪ .‬ولی می‌دانیم که در آند ‪ ،‬فلز روی اکسید می‌شود و‬
‫در کاتد ‪ ،‬یونهای ‪Cu+2‬احیا می شود و به ترتیب یونهای ‪Zn+2‬و فلز‬
‫‪Cu‬حاصل می‌شود و الکترونها از الکترود روی به الکترود مس که با‬
‫یک سیم به هم متصل شده‌اند‪ ،‬جاری می‌شوند‪ ،‬یعنی از آند به کاتد‪.‬‬
‫‪Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e‬‬
‫‪(Cu2+(aq)+2e → Cu(s‬‬
‫نیم سلول سمت چپ یا آند ‪ ،‬شامل الکترودی از فلز روی و محلول‬
‫فلز‬
‫‪ZnSO4‬و نیم سلول سمت راست یا کاتد ‪ ،‬شامل الکترودی از ‌‬
‫مس در یک محلول ‪CuSO4‬است‪ .‬این دو نیم سلول ‪ ،‬توسط یک‬
‫دیواره متخلخل از هم جدا شده‌اند‪ .‬این دیواره از اختالل مکانیکی‬
‫محلولها ممانعت می‌کند‪ ،‬ولی یونها تحت تاثیر جریان الکتریسیته از آن‬
‫عبور می‌کنند‪ .‬این نوع سلول الکتریکی ‪ ،‬سلول دانیل نامیده می‌شود ‪.‬‬
‫نیروی محرکه الکتریکی‬
‫اگر در یک سلول دانیل ‪ ،‬محلولهای ‪M 1‬از ‪ZnSO4‬و ‪M 1‬از‬
‫‪CuSO4‬بکار رفته باشد‪ ،‬آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان‬
‫می‌دهیم‪:‬‬
‫‪(Zn(s) │ Zn2+(1M) │ Cu2+(1M) │ Cu(s‬‬
‫که در آن خطوط کوتاه عمودی ‪ ،‬حدود فازها را نشان می‌دهند‪ .‬بنابر‬
‫قرارداد ‪ ،‬ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در‬
‫آخر می‌نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها‬
‫برخورد می‌کنیم‪ ،‬میان آنها قرار می‌دهیم ‪.‬جریان الکتریکی تولید شده در‬
‫یک سلول ولتایی ‪ ،‬نتیجه نیروی محرکه الکتریکی )‪ (emf‬سلول است‬
‫که برحسب ولت اندازه گیری می‌شود‪.‬‬
‫هر چه تمایل وقوع واکنش سلول بیشتر باشد‪ ،‬نیوری محرکه الکتریکی‬
‫آن بیشتر خواهد بود‪ .‬اما ‪emf‬یک سلول معین به دما و غلظت موادی‬
‫که در آن بکار رفته است‪ ،‬بستگی دارد ‪. emf‬استاندارد‪ ،˚ε ،‬مربوط‬
‫به نیروی محرکه سلولی است که در آن تمام واکنش دهنده‌ها و‬
‫محصوالت واکنش در حالت استاندارد خود باشند‪ .‬مقادیر ‪˚ε‬معموال‬

similar documents