KEM.130
Kemiallinen tasapaino
Hapot ja emäkset
Termodynamiikka
Sähkökemia
Perusasioita
Ideaalikaasu
Reaalikaasu
pV=nRT
Daltonin osapainelaki
Lähestyvät ideaalia alhaisessa paineessa ja korkeissa lämpötiloissa
Tasapainotila
Tasapainovakio konsentraatioiden avulla
Vakio, kun T on vakio
Kun kaksi reaktiota lasketaan yhteen
Tasapainovakio osapaineiden avulla
Aktiivisuus
Aineen tehollinen paine/konsentraatio
Kaasuille
Liuoksille
Oletukset:
- Laimeissa liuoksissa aineen aktiivisuus ≈ konsentraatio
- Laimeissa liuoksissa liuottimen aktiivisuus on yksi.
- Kaasujen aktiivisuus on yhtä suuri kuin niiden osapaine.(ideaalikaasut)
- Puhtaan nesteen ja puhtaan kiinteän aineen aktiivisuus on yksi
Termodynaaminen tasapainovakio K
Approksimaatio: kun x on <5% vähennettävästä
Reaktio-osamäärä
Le Chatelierin periaate
Tasapaino siirtyy suuntaan, joka pyrkii alentamaan muutokset vaikutusta
Esim. kuumennettaessa eksoterminen reaktio etenee taaksepäin
Esim. tilavuutta piennetään -> tasapaino siirtyy poispäin kaasuista
Esim. ainetta poistetaan, reaktio etenee aineen syntymisen suuntaan
Happo luovuttaa protonin H+, emäs vastaanottaa sen
Happo- ja emäsvakiot ovat muokattuja termisestä tasapainovakiosta
Veden autoprotolyysi
Ka x Kb = Kw
Vahvat ja heikot hapot
Dissosiaatioaste a (%)
Vahvoille hapoille a=1
Heikoilla hapoilla dissosiaatioaste kasvaa liuoksen laimentuessa
Polyproottiset hapot
Suolaliuosten pH
Vahvan hapon ja vahvan emäksen suolojen, kuten NaCl:n, liuokset ovat neutraaleja.
Heikon emäksen suolat (esimerkiksi NH4Cl) tuottavat happamia liuoksia.
Heikon hapon suolat (esimerkiksi NaCH3COO) tuottavat emäksisiä liuoksia.
Heikon hapon ja heikon emäksen suolan (esimerkiksi NH4CN) vesiliuoksen pH riippuu kyseisiä ioneja vastaavien happojen ja emästen happo- ja emäsvakioiden arvoista.
Otettava huomioon laskuissa, jos happo/emäsvakion arvo on < e-7 JA liuos on hapon/emäksen suhteen laimea (<0,001 M)
Oletus:
click to edit
Ratkaisuohje:
- Ratkaise, mitkä ovat liuoksen pääkomponentit ja mitä reaktiota tapahtuu
- Voidaanko reaktion katsoa menevän loppuun asti: esim. vahvan hapon dissosioituminen.
- Ratkaise niille reaktioille, jotka menevät loppuun asti:
• reaktiotuotteiden konsentraatiot
• kirjoita ylös liuoksen pääkomponentit reaktion jälkeen
- Listaa pääkomponentit ja päättele, ovatko ne happoja vai emäksiä.
- Poimi tasapaino, joka kontrolloi pH:ta. Käytä happo/emäsvakioiden tunnettuja arvoja, kun ratkaiset, mikä on hallitseva tasapaino.
• Kirjoita reaktioyhtälö ja tasapainoyhtälö
• Laske alkukonsentraatiot (oleta, että hallitseva tasapaino ei ole vielä tapahtunut) - esim. hapon dissosiaatiota ei ole tapahtunut vielä yhtään
• Määritä x ( = dissosioituva määrä)
• Tarkista approksimoinnin validiteetti
• Laske pH ja muut vaaditut konsentraatiot
pH+pOH=14
Puskuriliuos
Happo ja sen vastinemäs, luokkaa 0,1 M
pH: Henderson-Hasselbalch-yhtälö
Puskurikapasiteetti = puskurointikyky
Suurimmillaan kun [A-]/[HA]≈1 ja konsentraatiot mahdollisimman suuret
Puskuriin valitun heikon hapon pKa pitäisi olla mahdollisimman lähellä haluttua pH:ta
Titraus
Kolme luokkaa
Vahvan titraus vahvalla
Heikon titraus vahvalla
Polyproottisen hapon titraus vahvalla emäksellä
Ekvivalenttipiste pH=7,00, kaikki täysin neutraloitunut
Puskurointialue, ekvivalenttipiste poispäin titrattavasta
Useampi puskuripiste/alue ja ekvivalenttipiste
Liukoisuus
Niukkaliukoisuus = liukenee huonosti veteen
- Useimmat nitraatit (NO3 -) liukenevia
- Useimmat Na+, K+ ja NH4 + suolat liukenevia
- Useimmat kloridit liukenevia (paitsi AgCl, PbCl2, Hg2Cl2)
- Useimmat sulfaatit liukenevia (paitsi BaSO4, PbSO4, CaSO4)
- Useimmat hydroksidit niukkaliukoisia (paitsi NaOH, KOH)
- Useimmat sulfidit (S 2-), karbonaatit (CO3 2-) ja fosfaatit (PO4 3-) niukkaliukoisia
Liukoisuustulo kertoo, kuinka paljon suolaa tarvitaan kylläiseen liuokseen
Ionitulo Q = samanmuotoinen kuin Ksp, mutta alkukonsentraatioilla
Sisäenergia E
Ominaislämpökapasiteetti C
Työ w
Entalpia H
Vakiopaineessa ΔH=q(p)
Vakiotilavuudessa ΔE=q(V)
Ei kaasuja: ΔH=ΔE
Voidaan määrittää kolmella tavalla
- Kokeellisesti kalorimetrin avulla
- Perusmuodostumis-entalpioiden avulla
- Hessin lain avulla
Liuoskalorimetri
Pommikalorimetri
Vakiopaine -> ΔH=q
Vakiotilavuus -> ΔE=q
ΔH°=nΔH°(f, tuotteet)-nΔH°(f, lähtöaineet)
"Entalpian muutos on riippumaton reitistä"
Eksitermisissä reaktioissa ΔH<0, endotermisissä ΔH>0
Entropia S
Entropia kasvaa lämpötilan kasvaessa, tilavuuden kasvaessa ja molekyylien monimutkaistuessa
Esim. S kasvaa, kun suola liukenee
Ideaalitilanne:
Faasimuutos:
Standardientropiat (kemialliselle reaktiolle)
ΔS°=n(i)ΔS°(tuotteet)-n(i)ΔS°(lähtöaineet)
Spontaanius
Jos ΔS(tot)=ΔS(sys)+ΔS(ymp) on positiivinen, niin prosessi on spontaani
Gibbsin Energian muutos ΔG
Kolme tapaa määrittää
Jos ΔG<0, niin reaktio on spontaani (reaktio etenee oikealle)
Systeemi pyrkii minimienergiaan ja maksimientropiaan
Hessin laki
Gibbsin perusmuodostumisenergiat
ΔG°(reaktio)=n(i)ΔG°(tuotteet)-n(i)ΔG°(lähtöaineet)
"Gibbsin energian muutos on riippumaton reitistä"
Muussa kuin standarditilassa:
Kemiallisessa tasapainossa:
Maksimityö ΔG=w(max)