15.7
Słabe roztwory zasadowe
Niektóre związki po rozpuszczeniu w wyniku reakcji chemicznej z cząsteczkami wody wytwarzają jony wodorotlenkowe. We wszystkich przypadkach związki te…
Słaba zasada, taka jak amoniak, to zasada Brønsted, która przyjmuje proton z wody w celu wytworzenia jonu wodorotlenkowego. Słabe zasady reagują częściowo z wodą zgodnie ze stałą dysocjacji zasady, Kb, która wynosi 1,76 × 10−5 dla amoniaku.
Kb dla amoniaku można wyrazić jako stężenie jonów amonowych pomnożone przez stężenie jonów wodorotlenkowych podzielone przez stężenie amoniaku w stanie równowagi.
Kb można wykorzystać do określenia stężenia jonów wodorotlenkowych w słabym roztworze zasady, a w konsekwencji pOH i pH roztworu.
Stężenie jonów wodorotlenkowych i pH 0,23 M roztworu amoniaku można oznaczyć za pomocą jego podstawowej stałej dysocjacji oraz poprzez przygotowanie tabeli ICE zawierającej wartości początkowe i równowagowe amoniaku, jonów amonowych i jonów wodorotlenkowych.
Podstawiając stężenia równowagowe w wyrażeniu Kb, Kb jest równe x razy x podzielone przez 0,23 minus x. Ponieważ słabe zasady wykazują częściową dysocjację, 0,23 minus x można uznać za około 0,23.
Gdy równanie zostanie rozwiązane, x wynosi 2 × 10−3 M.
Przybliżenie 0,23 minus x jest równe 0,23 jest tutaj ważne, ponieważ stężenie jonów wodorotlenkowych wynosi tylko 0,86% z 0,23 mola.
Aby obliczyć pH tego roztworu, najpierw oznacz pOH, biorąc ujemny logarytm stężenia jonów wodorotlenkowych, który wynosi 2,70. pH można określić za pomocą wzoru: pH plus pOH jest równe 14 i oblicza się je na 11,30.
Kb dla słabego roztworu zasady można obliczyć, jeśli znane jest pH roztworu słabej zasady.
Metyloamina jest słabą zasadą, która częściowo dysocjuje w wodzie na jony metyloamoniowe i jony wodorotlenkowe.
Kb dla metyloaminy może być wyrażony jako stężenie jonów metyloamoniowych pomnożone przez stężenie jonów wodorotlenkowych podzielone przez stężenie metyloaminy w stanie równowagi.
Aby obliczyć Kb w 0,040 M roztworze metyloaminy o pH 11,6, najpierw należy obliczyć pOH, a następnie stężenie jonów wodorotlenkowych. Ponieważ pH wynosi 11,60, pOH wynosi 2,40, a stężenie jonów wodorotlenkowych wynosi 4,0 × 10−3.
Tabela ICE może być skonstruowana na podstawie początkowych i równowagowych stężeń metyloaminy, metyloamonu i wodorotlenku.
Podstawienie stężeń równowagowych w wyrażeniu dla Kb daje wartość dla Kb, która wynosi 4,4 × 10−4.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a weak base and how does it differ from a strong base?
A weak base is a Brønsted base that accepts a proton from water to produce hydroxide ions, but reacts only partially with water. Unlike strong bases that completely dissociate, weak bases establish an equilibrium between the molecular form and ionized products. Ammonia is a common example, with only about 1% of dissolved ammonia present as ammonium ions under typical conditions.
Q2: How is the base dissociation constant used to calculate hydroxide ion concentration?
The base dissociation constant (Kb) expresses the ratio of product concentrations to reactant concentration at equilibrium. For ammonia, Kb = 1.76 × 10⁻⁵. By constructing an ICE table with initial and equilibrium concentrations, you substitute values into the Kb expression to solve for hydroxide ion concentration, which then determines pOH and pH of the solution.
Q3: What is the ICE table method and why is it useful for weak base problems?
The ICE table tracks Initial, Change, and Equilibrium concentrations of all species in a weak base equilibrium. It organizes data systematically, showing how concentrations shift from initial values to equilibrium. This method simplifies substitution into the Kb expression and helps identify which concentrations to use when calculating hydroxide ion concentration and subsequent pH values.
Q4: How do you calculate pH from pOH in a weak base solution?
First, calculate pOH by taking the negative logarithm of hydroxide ion concentration. Then use the relationship pH + pOH = 14 to find pH. For example, a 0.23 M ammonia solution with hydroxide ion concentration of 2 × 10⁻³ M yields pOH of 2.70 and pH of 11.30, confirming the basic nature of the solution.
Q5: Can you determine Kb if you know the pH of a weak base solution?
Yes. Convert pH to pOH using pH + pOH = 14, then calculate hydroxide ion concentration from pOH. Construct an ICE table using the known initial concentration and calculated hydroxide ion concentration at equilibrium. Substitute these values into the Kb expression to solve for the base dissociation constant of the weak base.
Q6: Why is the approximation that x is negligible valid in weak base calculations?
Weak bases show partial dissociation, so the change in concentration (x) is typically very small compared to the initial concentration. The approximation is valid when x is less than 5% of the initial concentration. For ammonia, x = 2 × 10⁻³ M is only 0.86% of 0.23 M, justifying the simplification and making calculations manageable.
Q7: What are common applications of weak bases like ammonia?
Ammonia is produced globally in quantities exceeding 100 metric tons annually. It serves as an agricultural fertilizer, a raw material for chemical synthesis of other compounds, and an active ingredient in household cleaners. Its partial dissociation in water and resulting hydroxide ion production make it valuable across industrial, agricultural, and consumer applications.