Oppikirjan tehtävien ratkaisut

Transkriptio

1 Oppikirjan tehtävien ratkaisut Liukoisuustulon käyttö 10. a) Selitä, mitä eroa on käsitteillä liukoisuus ja liukoisuustulo. b) Lyijy(II)bromidin PbBr liukoisuus on 1,0 10 mol/dm. Laske lyijy(ii)bromidin liukoisuustulo. a) Suolan liukoisuudella tarkoitetaan sitä suolamäärää (yksikkö g/l tai mol/l), joka tietyssä lämpötilassa liukenee tiettyyn määrään vettä tuottaen kylläisen liuoksen. Liukoisuustulo taas on niukkaliukoisen suolan heterogeenisesta tasapainotilasta laskettu tasapainovakio. b) Lyijy(II)bromidi liukenee veteen seuraavasti: PbBr (s) Pb + (aq) + Br (aq) Kylläisessä lyijy(ii)bromidiliuoksessa eri ionien konsentraatiot ovat [Pb + ] 1,0 10 mol/dm [Br ],0 10 mol/dm Lyijy(II)bromidin liukoisuustulo on (PbBr ) [Pb + ][Br ] 1,0 10 mol/dm (,0 10 mol/dm ) 4, (mol/dm ) 104. Strontiumfluoridia liukenee 1,0 10 grammaa 100 ml:aan vettä 5 C:n lämpötilassa. Laske strontiumfluoridin liukoisuustulo. Strontiumfluoridi liukenee veteen seuraavasti: SrF (s) Sr + (aq) + F (aq) 85

2 Strontiumfluoridin konsentraatio kylläisessä liuoksessa on n( SrF) m( SrF) ( SrF) V M( SrF ) V 10, 10 g 15, 6 gmol 100 l 7, mol l Kylläisessä strontiumfluoridiliuoksessa eri ionien konsentraatiot ovat [Sr + ] 7, mol/dm [F ] 1,59 10 mol/dm Strontiumfluoridin liukoisuustulo on [Sr + ][F ] 7, mol/dm (1,59 10 mol/dm ), (mol/dm ), (mol/dm ) ,00 litraa kylläistä kalsiumoksalaattiliuosta C O 4 Ca(aq) haihdutettiin kuiviin, jolloin kalsiumoksalaatin massaksi saatiin 0061 grammaa. Laske kalsiumoksalaatin liukoisuustulo. Kalsiumoksalaatti liukenee veteen seuraavasti: C O 4 Ca(s) Ca + (aq) + C O 4 (aq) Kalsiumoksalaatin konsentraatio kylläisessä liuoksessa on n( CO4Ca) m( CO4Ca) ( CO4Ca) V M( C O Ca) V 0061 g 18, 10 gmol 1, 00 l 4, mol l 4 Kylläisessä kalsiumoksalaattiliuoksessa eri ionien konsentraatiot ovat: [Ca + ] 4, mol/l [C O 4 ] 4, mol/l 86

3 Kalsiumoksalaatin liukoisuustulo on [Ca + ][C O 4 ] (4, mol/l), (mol/l), 10 9 (mol/l) 106. Laske kupari(ii)hydroksidin liukoisuus veteen (g/dm ) 5 C:n lämpötilassa. Kupari(II)hydroksidin liukoisuustulo on, 10 0 (mol/dm ). Taulukko liukenemisesta ja heterogeenisen tasapainotilan muodostumisesta: alku ( ) Cu(OH) () s Cu ( aq) + OH ( aq) muutos ( ) liukenee x + x + x t asap. ( ) x x Sijoitetaan eri ionien tasapainokonsentraatiot liukoisuustulon lausekkeeseen, jolloin saadaan + K s [ Cu ][ OH ] 0, 10 x ( x) 4x, 10 0 josta ratkaisuna x 1, Kupari(II)hydroksidia liukenee siis veteen 1, mol/dm. Liukoisuus yksikössä g/dm saadaan, kun kerrotaan liukoisuus yksikössä mol/dm kupari(ii)hydroksidin moolimassalla: 1, mol/dm 97,566 g/mol 1, g/dm 1, g/dm 87

4 107. Laske seuraavien suolojen liukoisuus veteen (mol/dm ): a) BaCrO 4, 1, (mol/dm ) b) PbBr, 6, (mol/dm ) ) CeF, 8, (mol/dm ) 4. a) Taulukko liukenemisesta ja heterogeenisen tasapainotilan muodostumisesta: alku ( ) + 4 BaCrO () s Ba ( aq) + CrO ( aq) muutos ( ) liukenee x + x + x ta sap. ( ) x x Sijoitetaan ionien tasapainokonsentraatiot liukoisuustulon lausekkeeseen, jolloin saadaan K + s Ba CrO 4 [ ][ ] 1, x x x 10 1, 10 josta ratkaisuna x 1, , Bariumkromaattia liukenee siis veteen 1, mol/dm. b) Taulukko liukenemisesta ja heterogeenisen tasapainotilan muodostumisesta: alku ( ) PbBr () s Pb ( aq) + Br ( aq) muutos ( ) liukenee x + x + x tasap. ( ) x x Sijoitetaan ionien tasapainokonsentraatiot liukoisuustulon lausekkeeseen, jolloin saadaan + K s [ Pb ][ Br ] 6 6, 6 10 x ( x) 4x 6, josta ratkaisuna x Lyijy(II)bromidia liukenee siis veteen 01 mol/dm. 88

5 ) Taulukko liukenemisesta ja heterogeenisen tasapainotilan muodostumisesta: alku ( ) CeF () s Ce ( aq) + F ( aq) muutos ( ) liukenee x + x + x tasap. ( ) x x Sijoitetaan ionien tasapainokonsentraatiot liukoisuustulon lausekkeeseen, jolloin saadaan + K s [ Ce ][ F ] 16 8, 0 10 x ( x) 4 7x 8, josta ratkaisuna x 7, , Ceriumfluoridia liukenee siis veteen 7, mol/dm Magnesiumin valmistuksessa tarvittavaa lähtöainetta, magnesiumhydroksidia, saadaan merivedestä, josta Mg(OH) saostetaan kalsiumhydroksidin avulla. Kuinka monta grammaa magnesiumhydroksidia saostuu, kun 150 litraan merivettä lisätään kiinteää kalsiumhydroksidia, kunnes liuoksen ph 9,70? Meriveden magnesiumionipitoisuus on 1,4 g/l. Magnesiumhydroksidin liukoisuustulo K L 1, (mol/l). (Yo syksy 00) Liuoksen ph 9,70 poh 14,00 ph 14,00 9,70 4,0 Kalsiumhydroksidista tulevien hydroksidi-ionien konsentraatio on [OH ] 10 4,0 mol/l Ratkaistaan magnesiumhydroksidin liukoisuustulon lausekkeesta magnesiumionikonsentraatio kylläisessä liuoksessa, kun liuoksen [OH ] 10 4,0 mol/l: K L (Mg(OH) ) [Mg + ][OH ], josta Mg 11 Mg OH L mol l K ( ( ) ), ( ) 4, 0 OH ( 10 mol l) mol l 89

6 Kylläisessä magnesiumhydroksidiliuoksessa (Mg(OH) ) (Mg + ), joten 150 litraan merivettä liukenevan magnesiumhydroksidin ainemäärä on n(mg(oh) ) (Mg(OH) ) V mol/l 150 l 6569 mol 150 litraan merivettä liukenevan magnesiumhydroksidin massa on m(mg(oh) ) n(mg(oh) ) M(Mg(OH) ) 6569 mol 58,6 g/mol 8,1 g Merivedessä magnesiumionikonsentraatio on n( Mg ) m( Mg ) 14, g ( Mg ) V + M( Mg ) V 4, 1 gmol 1, 0 l 0551 mol l Jos kaikki magnesiumionit saostuisivat hydroksidina, saostuvan magnesiumhydroksidin ainemäärä olisi n(mg(oh) ) n(mg + ) (Mg + ) V 0551 mol/l 150 l 8,68 mol Saostuvan magnesiumhydroksidin massa olisi m(mg(oh) ) n(mg(oh) ) M(Mg(OH) ) 8,68 mol 58,6 g/mol 48, g Koska magnesiumhydroksidia liukenee ph-arvossa 9, litraan merivettä 8,1 g, saostuu sitä 48, g 8,1 g 44,9 g 440 g 109. Oheisessa kuvassa on esitetty lyijy(ii)kloridin liukoisuus grammoina 100 grammaan vettä eri lämpötiloissa. 75 grammaa lyijy(ii)kloridia sekoitetaan 100 millilitraan vettä. a) Kuinka paljon PbCl :a jää liukenematta lämpötilassa 0 C? b) Kuinka korkeaksi tulee lämpötila nostaa, jotta kaikki PbCl liukenisi? g /100 g vettä liukoisuus lämpötila C Laske kuvan avulla myös ) lyijy(ii)kloridin liukoisuus (mol/l) lämpötilassa 5 C, d) lyijy(ii)kloridin liukoisuustulon arvo lämpötilassa 0 C. (Yo syksy 004) 90

7 a) Liukoisuus lämpötilassa 0 C on noin 8 g/100 g vettä eli 8 g/100 ml vettä. Lyijy(II)kloridia jää siis liukenematta m(pbcl ) 75 g 8 g 7 g b) Lämpötilan on oltava noin 55 C, jotta 75 g lyijy(ii)kloridia liukenee 100 grammaan vettä. ) 5 C:een lämpötilassa lyijy(ii)kloridia liukenee noin 55 g/100 g vettä. Liukenevan lyijy(ii)kloridin ainemäärä on m( PbCl ) 055, g n( PbCl ) mol M( PbCl ) 78, 10 gmol Liukoisuus on siis mol / 100 ml, joten yhteen litraan liukenee mol. Liukoisuus on siis mol/l 00 mol/l. d) Liukoisuus lämpötilassa 0 C on noin 8 g/100 g vettä eli 8 g/100 ml vettä. Liukenevan lyijy(ii)kloridin ainemäärä on m( PbCl ) 08, g n( PbCl ) mol M( PbCl ) 78, 10 gmol Liukoisuus on siis mol / 100 ml, joten yhteen litraan liukenee 0166 mol. Liukoisuus on siis 0166 mol/l Eri ionien konsentraatiot kylläisessä liuoksessa ovat siis [Pb + ] 0166 mol/l [Cl ] 0166 mol/l 07 mol/l Liukoisuustulo on (PbCl ) [Pb + ][Cl ] 0166 mol/l (07 mol/l) 1, (mol/l) 1, (mol/l) 91

8 Ionitulo ja saostuminen 110. Tutki, muodostuuko saostuma seuraavissa liuoksissa: a) (Mg + ) 007 mol/dm, (CO ) 0068 mol/dm [MgCO ], (mol/dm ) b) (Ag + ) 018 mol/dm, (SO 4 ) 006 mol/dm [Ag SO 4 ] 1, (mol/dm ) ) (Cr + ) 08 mol/dm, ph,0 [Cr(OH) ] 6, 10 1 (mol/dm ) 4 a) (MgCO ), (mol/dm ) Lasketaan ionitulon Q arvo annetuilla konsentraatioilla: Q [Mg + ][CO ] 007 mol/dm 0068 mol/dm, (mol/dm ), (mol/dm ) Koska Q > (MgCO ), tapahtuu saostuminen. b) (Ag SO 4 ) 1, (mol/dm ) Lasketaan ionitulon Q arvo annetuilla konsentraatioilla: Q [Ag + ] [SO 4 ] (018 mol/dm ) 006 mol/dm, (mol/dm ), (mol/dm ) Koska Q < (Ag SO 4 ) saostumista ei tapahdu. ) (Cr(OH) ) 6, 10 1 (mol/dm ) 4 Liuoksen hydroksidi-ionikonsentraatio on [OH ] 10 poh mol/dm 10 (14,00,0) mol/dm 1, mol/dm 9

9 Lasketaan ionitulon Q arvo tehtävässä ilmoitetuilla ionikonsentraatioilla: Q [Cr + ][OH ] 08 mol/dm (1, mol/dm ) 1, (mol/dm ) 4 1, (mol/dm ) 4 Koska Q < (Cr(OH) ), saostumista ei tapahdu Saostuuko liuoksesta lyijy(ii)kloridia, kun 155 ml kaliumkloridiliuosta KCl(aq) ( 016 mol/dm ) lisätään 45 ml:aan lyijy(ii)nitraattiliuosta Pb(NO ) (aq) ( 175 mol/dm )? Kloridi-ionien ainemäärä kaliumkloridiliuoksessa on n(cl ) n(kcl) (KCl) V(KCl) 016 mol/dm 155 dm mol Lyijyionien ainemäärä lyijy(ii)nitraattiliuoksessa on n(pb + ) n(pb(no ) ) (Pb(NO ) ) V (Pb(NO ) ) 175 mol/dm 45 dm 0488 mol Liuoksen lopputilavuus yhdistämisen jälkeen V(liuos) 155 ml + 45 ml 400 ml 400 dm Ionien konsentraatiot yhdistetyssä liuoksessa ovat Cl Cl n( ) V( liuos) mol 400 dm Pb + + n( Pb ) V( liuos) 0488 mol 400 dm 107 Ionitulon Q arvo lasketuilla konsentraatioilla on Q [Pb + ][Cl ] 107 mol/dm (00600 mol/dm ) 4, (mol/dm ) 4, (mol/dm ) Taulukkokirjan mukaan (PbCl ) 1, (mol/dm ). Laskettu ionitulon arvo on siten pienempi kuin lyijy(ii)kloridin liukoisuustulon arvo eli saostumista ei tapahdu. 9

10 11. Missä ph-arvossa alumiinihydroksidia saostuu liuoksesta, jossa (Al + ) 075 mol/dm? Merkitään kylläisen alumiinihydroksidiliuoksen hydroksidi-ionikonsentraatiota x:llä. Saostuminen tapahtuu, kun Q (Al(OH) ) (Al(OH) ) 1, 10 (mol(dm ) 4 (Al(OH) ) [Al + ][OH ] eli (Al(OH) ) [Al + ]x Ratkaistaan tästä yhtälöstä x, jolloin saadaan x K s ( Al( OH) ) Al + 4 1, 10 ( ) 075, ph-arvo, jossa saostuminen alkaa on ph 14,00 poh 14,00 (lg, ), Tapahtuuko saostumista seuraavissa koejärjestelyissä? a) 10 mg natriumkloridia lisätään 1,0 litraan hopeanitraattiliuosta AgNO (aq) ( 10 mol/dm ). b) Yksi pisara (050 ml) kaliumbromidiliuosta KBr(aq) ( 10 mol/dm ) lisätään 1,0 litraan kylläistä hopeakloridiliuosta AgCl(aq). ) Yksi pisara (050 ml) natriumhydroksidiliuosta NaOH(aq) ( 0150 mol/dm ) lisätään,0 litraan liuosta, jossa on,0 milligrammaa magnesiumioneja Mg + (aq) litraa kohti. 94

11 a) Natriumnitraatti on veteen runsaasti liukeneva suola, joten tutkitaan saostuuko liuoksesta niukkaliukoista hopeakloridia. Natriumkloridista tulevien kloridi-ionien ainemäärä on n( Cl ) n( NaCl) m( NaCl) M( NaCl), g , 44 gmol 1, mol Hopeanitraattiliuoksesta tulevien hopeaionien ainemäärä n(ag + ) 10 mol Ionien konsentraatiot litrassa liuosta ovat [Ag + ] 10 mol/dm [Cl ] 1, mol/dm Lasketaan ionitulo Q näillä ionikonsentraatioilla Q [Ag + ][Cl ] 10 mol/dm 1, mol/dm 1, (mol/dm ) 1, (mol/dm ) Hopeakloridin liukoisuustulon arvo on 1, (mol/dm ), joten liuoksesta saostuu hopeakloridia. b) Kaliumkloridi on veteen runsaasti liukeneva suola, joten lasketaan saostuuko liuoksesta niukkaliukoista hopeabromidia. Hopeaionien konsentraatio kylläisessä hopeakloridiliuoksessa on + Ag ( AgCl ) 1, ( ) 1, Bromidi-ionien ainemäärä kaliumbromidiliuoksessa on n(br ) n(kbr) (KBr) V(KBr) 10 mol/dm 5, dm 5, mol 95

12 Tilavuus ei liuoksia yhdistettäessä juurikaan muutu, joten voidaan olettaa, että yhdistetyssä liuoksessa [Ag + ] 1, mol/dm [Br ] 5, mol/dm Lasketaan ionitulo Q hopeabromidille Q [Ag + ][Br ] 1, mol/dm 5, mol/dm 6, (mol/dm ) 6, (mol/dm ) Hopeabromidin liukoisuustulon arvo on 5, (mol/dm ), joten liuoksesta saostuu hopeabromidia. ) Lasketaan, saostuuko liuoksesta magnesiumhydroksidia. Magnesiumioneja on kolmessa litrassa liuosta 6,0 mg 0060 g. Liuoksen magnesiumionikonsentraatio on Mg + + m( Mg ) + M( Mg ) V 0060 g 4, 1 gmol 0, dm 8, Hydroksidi-ionien ainemäärä natriumhydroksidiliuoksessa on n(oh ) n(naoh) (NaOH) V(NaOH) 0150 mol/dm 5, dm 7, mol Tilavuus ei liuoksia yhdistettäessä juurikaan muutu, joten voidaan olettaa että yhdistetyssä liuoksessa OH ja 7 OH mol n( ) V 7, 5 10, dm, mol 0 [Mg + ] 8, mol/dm 96

13 Lasketaan ionitulo Q magnesiumhydroksidille Q [Mg + ][OH ] 8, mol/dm (, mol/dm ) 5, (mol/dm ) 5, (mol/dm ) Magnesiumhydroksidin liukoisuustulon arvo on 5, (mol/dm ), joten liuoksesta ei saostu magnesiumhydroksidia Liuoksen kloridi-ionit tunnistettiin seuraavasti: 50 millilitraan liuosta lisättiin yksi pisara (0 ml) hopeanitraattiliuosta AgNO (aq) ( 10 mol/dm ). Kuinka monta grammaa näyteliuoksessa on oltava kloridi-ioneja, jotta muodostuisi hopeakloridisaostuma AgCl(s)? Hopeaionien ainemäärä pisarassa (0 ml) hopeanitraattiliuosta n(ag + ) n(agno ) (AgNO ) V(AgNO ) 10 mol/dm 0000 dm, mol Liuoksen tilavuus yhdistämisen jälkeen on 5 ml 050 dm Hopeaionien konsentraatio on Ag Ag mol n( ) V 0, 10, dm, Saostuminen alkaa tapahtua, kun liuoksen ionitulo on ylittää liukoisuustulon eli Q > (AgCl) (AgCl) 1, (mol/dm ) (AgCl) [Ag + ][Cl ] josta Cl AgCl s K ( ) 18, 10 ( ) + Ag 4, ,

14 Kloridi-ionien ainemäärä liuoksessa on n(cl ) [Cl ] V 4, mol/dm 050 dm, mol Kloridi-ionien massa on m(cl ) n(cl ) Μ(Cl ), mol 5,45 g/mol 8, g 8, g 115. Liuos, jonka tilavuus on 1,0 l, sisältää 10 mmol AgNO ja 8,00 mmol Pb(NO ). Kumpi metalli saostuu ensin kloridina, kun liuokseen johdetaan HCl-kaasua? Mikä on tämän metallin konsentraatio liuoksessa, kun toinen metallikloridi alkaa juuri saostua? Kaasua johdettaessa liuoksen tilavuuden voidaan katsoa pysyvän muuttumattomana. (Yo syksy 1988) Metallikloridien liukenemista kuvaavat yhtälöt ovat: AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) PbCl (s) Pb + (aq) + Cl (aq) Hopeakloridi alkaa saostua, kun Q (AgCl) [Ag + ][Cl ] Hopeaionien ainemäärä liuoksessa on n(ag + ) 10 mmol 1, mol Ratkaistaan, mikä voi tällöin olla kloridi-ionikonsentraatio kylläisessä hopeakloridiliuoksessa Cl AgCl s K ( ) 18, 10 ( ) + Ag 4 1, , Vastaavasti lyijykloridi alkaa saostua, kun Q (PbCl ) [Pb + ][Cl ] 98

15 Lyijy(II)ionien ainemäärä liuoksessa on n(pb + ) 8,00 mmol 8,00 10 mol Ratkaistaan, mikä voi tällöin olla kloridi-ionikonsentraatio kylläisessä lyijy(ii)kloridiliuoksessa Cl PbCl s K ( ) 1, 7 10 ( ) + Pb 8, Koska lyijy-ionien saostamiseen tarvitaan suurempi kloridi-ionikonsentraatio, alkavat hopeaionit saostua ensin hopeakloridina. Kun lyijykloridi alkaa saostua, on kloridi-ionikonsentraation oltava mol/dm. Ratkaistaan hopeakloridin liukoisuustulon avulla, mikä on tällöin liuoksen hopeanionikonsentraatio. Ag + AgCl s K ( ) 18, 10 ( ) Cl 04610, , Kiinteän lyijy(ii)kloridin ja veden seosta ravistellaan, kunnes muodostuu kylläinen PbCl -liuos. Laske liuoksen Pb + -ionikonsentraatio. Liukenematta jäänyt lyijy(ii)kloridi erotetaan nesteestä suodattamalla. 10 litraan suodosta lisätään 10 litraa 000 M natriumjodidiliuosta. Laske, aiheuttaako natriumjodidiliuoksen lisäys saostuman muodostumista. (Yo syksy 1989) Lyijy(II)kloridin liukeneminen veteen PbCl (s) Pb + (aq) + Cl (aq) Kylläisessä lyijy(ii)kloridiliuoksessa [Cl ] [Pb + ] Sijoitetaan nämä konsentraatiot lyijy(ii)kloridin liukoisuustulon lausekkeeseen (PbCl ) [Pb + ][Cl ] [Pb + ] ( [Pb + ]) 99

16 Lyijyionikonsentraatioksi saadaan Pb PbCl s K ( ) 4, ( ) Natriumkloridi on veteen runsaasti liukeneva suola, joten lasketaan saostuuko liuoksia yhdistettäessä niukkaliukoista lyijy(ii)jodidia. Kun 10 litraan kylläistä lyijy(ii)kloridiliuosta lisätään yhtä suuri tilavuus natriumjodidiliuosta, ionien konsentraatio puolittuvat eli yhdistetyssä liuoksessa Pb, , I Lasketaan lyijy(ii)jodidin ionitulo Q Q [Pb + ][I ] mol/dm (0010 mol/dm ) 8, (mol/dm ) 8, (mol/dm ) Koska lyijy(ii)jodidin liukoisuustulon arvo on 9, (mol/dm ), saostumista ei tapahdu Lämpötilassa 5 C on lyijy(ii)kloridin liukoisuustulon arvo 1, (mol/l). a) Laske lyijy(ii)-ionin konsentraatio lyijy(ii)kloridin kylläisessä vesiliuoksessa. b) Saostuuko PbCl, kun 55 ml:aan 010 M Pb(NO ) -liuosta johdetaan 5,0 ml HCl-kaasua, jonka paine lämpötilassa 5 C on 104 kpa (1,04 bar). Johdettaessa kaasua vesiliuokseen liuoksen tilavuuden voidaan katsoa pysyvän muuttumattomana. (Yo kevät 199) a) Taulukko lyijy(ii)kloridin liukenemisesta ja tasapainotilan muodostumisesta: alku ( ) PbCl () s Pb ( aq) + Cl ( aq) muutos ( ) liukenee x + x + x tasap. ( ) x x 00

17 Sijoitetaan ionien tasapainokonsentraatiot liukoisuustulon lausekkeeseen, jolloin saadaan + K s [ Pb ][ Cl ] 5 1, 6 10 x ( x) 4x 1, josta ratkaisuna x Lyijy(II)kloridia liukenee siis veteen 016 mol/dm. Tässä liuoksessa lyijy(ii)- ionien konsentraatio on 016 mol/dm. b) V(Pb(NO ) ) 55 ml 055 dm (Pb(NO ) ) 010 mol/dm V(HCl) 5,0 ml 0050 dm T (5 + 7,15) K 98,15 K p 1,04 bar bar dm R mol K [Pb + ] (Pb(NO ) ) 010 mol/dm Vetykloridin ainemäärä on pv n( HCl) RT 1, 04 bar 0050 dm bar dm mol K 98, 15 K, mol Kloridi-ionin konsentraatio liuoksessa on Cl HCl HCl n( ) ( ) V( liuos), mol 055 dm, Lyijy(II)kloridin ionituloksi Q saadaan Q [Pb + ][Cl ] 010 mol/dm (, mol/dm ) 1, (mol/dm ) 1, (mol/dm ) Koska Q < (PbCl ) 1, (mol/dm ), saostumaa ei muodostu. 01