15.7
Растворы слабых оснований
Некоторые соединения производят ионы гидроксида при растворении химически реагируя с молекулами воды. Во всех случаях эти соединения реагируют только…
Слабое основание, такое как аммиак, представляет собой основание Бренстеда, которое принимает протон из воды для образования гидроксид-иона. Слабые основания частично реагируют с водой в соответствии с их константой диссоциации оснований Kb, которая составляет 1, 76 10⁻⁵ для аммиака. Kb для аммиака можно выразить как концентрацию иона аммония, умноженную на концентрацию гидроксид-ионов, деленную на концентрацию аммиака в состоянии равновесия.
Kb можно использовать для определения концентрации гидроксид-ионов в слабом растворе основания и, следовательно, pOH и pH раствора. Концентрацию гидроксид-ионов и значение pH 0, 23 М раствора аммиака можно определить, используя его основную константу диссоциации и составив таблицу концентраций, содержащую начальные и равновесные значения аммиака, ионов аммония и гидроксид-ионов. Подставляя равновесные концентрации в выражение Kb, Kb равно x, умноженному на x, деленному на 0, 23 минус x.
Поскольку слабые основания демонстрируют частичную диссоциацию, 0, 23 минус x можно рассматривать как приблизительно 0, 23. При решении уравнения получаем x равно 2 10⁻³ моль. Приближение 0, 23 минус x равно 0, 23, так как концентрация гидроксид-иона составляет всего 0, 86%от 0, 23 моль на литр.
Чтобы рассчитать pH этого раствора, сначала определите pOH, взяв отрицательный логарифм концентрации гидроксид-иона, который равен 2, 70. Значение pH можно определить по формуле:pH плюс pOH, равное 14 и рассчитанное как 11, 30. Kb для слабого основного раствора можно рассчитать, если известен pH слабого основного раствора.
Метиламин слабое основание, которое частично диссоциирует в воде на ионы метиламмония и гидроксид-ионы. Kb для метиламина можно выразить как концентрацию иона метиламмония, умноженную на концентрацию гидроксид-ионов, деленную на концентрацию метиламина в состоянии равновесия. Чтобы рассчитать Kb для 0, 040 М раствора метиламина с pH 11, 6, сначала необходимо рассчитать pOH, а затем концентрацию его гидроксид-иона.
Поскольку pH равен 11, 60, pOH составляет 2, 40, а его концентрация гидроксид-ионов составляет 4, 0 10⁻³. Таблица концентраций может быть построена по начальной и равновесной концентрациям метиламина, метиламмония и гидроксида. Подстановка равновесных концентраций в выражение для Kb дает значение для Kb, которое составляет 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.