4.1 Heterogeeninen tasapaino 15. Seuraavia aineita kuumennetaan suljetussa astiassa. Selitä, miksi tasapainot ovat heterogeenisia. a) kalsiumkarbonaatti: CaCO(s) CO(g) + CaO(s) b) kaliumnitraatti: KNO(s) KNO(s) + O(g) c) kidevedellinen kuparisulfaatti: CuSO4 5 HO(s) CuSO4(s) + 5 HO(g) d) fosforipentakloridi: PCl5(s) PCl(l) + Cl(g) Ratkaisut Tasapainot suljetussa astiassa ovat heterogeenisia, koska a) CaCO(s) CO(g) + CaO(s) kiinteä kaasu kiinteä yksi reaktioastian yhdisteistä on eri olomuodossa (= eri faasissa) eli kaasua. b) KNO(s) KNO(s) + O(g) kiinteä kiinteä kaasu yksi reaktioastian yhdisteistä on eri olomuodossa eli kaasua. c) CuSO4 5 HO(s) CuSO4(s) + 5 HO(g) kiinteä kiinteä kaasu yksi reaktioastian yhdisteistä on eri olomuodossa eli kaasua. d) PCl5(s) PCl(l) + Cl(g) kiinteä neste kaasu kaikki reaktioastian yhdisteet ovat eri olomuodoissa. 154. Kuinka monta faasia on seuraavissa seoksissa: a) kylläinen ruokasuolan vesiliuos, jossa on liukenematonta ruokasuolaa b) veden ja rypsiöljyn seos c) etanolin ja veden seos d) ruostumaton teräs, joka on raudan, kromin ja nikkelin lejeerinki e) vajaa nestekaasupullo f) appelsiinista puristamasi mehu?
Ratkaisut Faasi on erillinen rajapinnan erottama olomuotoalue, jolla on yhtenäinen koostumus ja yhtenäiset ominaisuudet. a) kylläinen ruokasuolan vesiliuos, jossa on liukenematonta ruokasuolaa NaCl(s) Na + (aq) + Cl (aq) kiinteä vesiliuos vesiliuos muodostuu nestemäinen homogeeninen seos Systeemissä on kaksi faasia, kiinteä faasi ja nestefaasi. b) veden ja rypsiöljyn seos Vesi on poolinen yhdiste ja rypsiöljy pooliton, joten ne eivät merkittävästi liukene toisiinsa. 1. Jos aineet kaadetaan sekaisin syntyy vesikerros ja rypsiöljykerros eli kaksi faasia.. Jos aineita ravistellaan voimakkaasti sekoittamisen jälkeen ja veden osuus on pienehkö, syntyy emulsio, jolloin systeemistä tulee homogeeninen seos ja siinä on yksi faasi. c) etanolin ja veden seos Molemmat ovat poolisia, joten ne liukenevat toisiinsa homogeeniseksi seokseksi ja systeemiin muodostuu yksi nestefaasi. d) ruostumaton teräs, joka on raudan, kromin ja nikkelin lejeerinki Ruostumattomasta teräksestä pyritään valmistamaan tasalaatuista, joten pyritään homogeeniseen seokseen, jolloin systeemissä olisi yksi faasi. e) vajaa nestekaasupullo Sisältää nestekaasua ja siitä höyrystynyttä kaasua eli systeemissä on kaksi faasia. f) appelsiinista puristamasi mehu Vaikea sanoa. Voidaan ajatella homogeeniseksi seokseksi, jolloin systeemissä on yksi nestefaasi. Jos hedelmälihaa on mukana syntyy heterogeeninen seos eli kaksi faasia. 155. a) Kirjoita lyhyt yhteenveto tekijöistä, joista ioniyhdisteiden vesiliukoisuus riippuu. b) Miten ioniyhdisteen, kuten CaCl:n, liukeneminen veteen eroaa ekyyliyhdisteen, kuten etanolin, liukenemisesta? c) Miten käsitteet liukeneminen ja liukoisuus eroavat toisistaan? d) Eri ioniyhdisteiden liukoisuus veteen vaihtelee suuresti. Mitkä kationit ja anionit tekevät ioniyhdisteestä yleensä vesiliukoisen? Ratkaisut a) Liukoisuuteen vaikuttavia tekijöitä on käsitelty seuraavissa teksteissä: Reaktio 1; sivut 87 89, Reaktio ; sivut 96 97 ja 99 101 ja Reaktio 5; sivu 11 ja sivut 18 144. b) ioniyhdiste: CaCl(s) H O(l) Ca + (aq) + Cl (aq)
Liukenemisen aikana ioniyhdisteen hilarakenne sortuu ionisidosten katketessa ja yhdiste liukenee kationeina ja anioneina, joihin vesiekyylit liittyvät ionidipolisidoksin. H O(l) ekyyliyhdiste: CHCHOH(l) CHCHOH(aq) Liukenemisen aikana ekyyliyhdisteen sisäinen rakenne ei muutu eli ne liukevat ekyyleinä. Tässä esimerkissä sekä vesi että etanoli ovat poolisia yhdisteitä, joten ne liukenevat toisiinsa. Vesiekyylit tunkeutuvat etanoliekyylien väliin ja etanoli ja vesiekyylien välille muodostuu vetysidoksia. c) Liukeneminen-sana kuvaa tapahtumaa, jossa liukeneva aine sekoittuu liuottimeen: katso edellisen kohdan esimerkit Liukoisuus ilmoittaa liuenneen aineen määrän (g/dm, ) kylläisessä liuoksessa tietyssä lämpötilassa. d) Kationit: alkalimetallikationin tai ammonium-ionin sisältävät suolat ovat yleensä vesiliukoisia. Anionit: asetaatti-ionin sisältävät suolat ovat vesiliukoisia. Samoin monet nitraatit. Tutki muut vaihtoehdot taulukkokirjan taulukosta: suolojen liukoisuus veteen kirjaimen l avulla. 156. Mitkä seuraavista suoloista ja mineraaleista ovat niukkaliukoisia veteen? a) happaman maaperän kalkitukseen käytettävä hienoksi jauhettu dolomiitti, CaCO MgCO b) fosforihapon valmistukseen käytettävä apatiitti, CaF Ca(PO4) c) seoslannoitteiden typen lähteenä käytettävä ammoniumnitraatti NH4NO d) taikinan nostatusaineena käytettävä ruokasooda, NaHCO e) neutraloimiseen ja muurauslaastin valmistukseen käytettävä kalsiumhydroksidi, Ca(OH) f) rakennuslevyjen materiaalina käytettävä kipsi, CaSO4. Ratkaisut a) CaCO MgCO. Taulukkokirjan taulukossa: suolojen liukoisuus veteen empien kohdalla v = veteen niukkaliukoinen, mutta liukenee happoihin. Suomessa maaperä on yleensä hapan. Ks (CaCO) =,4 10 9 Karbonaatti-ioni voi vastaanottaa protonin/protoneja happamassa liuoksessa. b) CaF Ca(PO4) CaF taulukkokirjassa h = happoihin (ja veteen) niukkaliukoinen Ca(PO4) taulukkokirjassa v = veteen niukkaliukoinen, mutta liukenee happoihin. Ks (CaF) =,5 10 11 Ks (Ca(PO4))=,1 10 c) NH4NO. Taulukkokirjan taulukossa: suolojen liukoisuus veteen kirjain l = veteen helposti liukeneva. Kaikki ammoniumionin sisältävät suolat ja monet nitraatit ovat vesiliukoisia. d) NaHCO. Sisältää alkalimetalli-ionin, joka tekee suolasta liukoisen. Lisäksi vetykarbonaatti-ioni voi luovuttaa/vastaanottaa protonin.
e) Ca(OH). Kalsiumioni on likimain natriumionin kokoinen, mutta kalsiumin ionivaraus on suurempi, joten suola on niukkaliukoisempi kuin natriumin hydroksidi. Taulukkokirjassa Ks(Ca(OH))= 5,0 10 6 eli suola voidaan luokitella joko melko liukoiseksi tai karkeammalla asteikolla niukkaliukoiseksi. f) CaSO4. Taulukkokirjassa h = happoihin (ja veteen) niukkaliukoinen ja Ks (CaSO4) = 4,9 10 5. 157. Tarkastellaan heterogeenista hajoamisreaktiota AgCO(s)AgO(s) + CO(g), jolle reaktioentalpia H = +80 kj/ ja joka on tasapainossa lämpötilassa 400 K. Ovatko seuraavat reaktionopeutta ja tasapainotilaa koskevat väittämät tosia vai epätosia? Kun lämpötilaa lasketaan, niin a) reaktionopeus kasvaa ja tasapaino siirtyy lähtöaineiden suuntaan b) reaktionopeus pienenee ja tasapaino siirtyy reaktiotuotteiden suuntaan c) reaktionopeus kasvaa ja tasapaino siirtyy reaktiotuotteiden suuntaan d) reaktionopeus pienenee ja tasapaino siirtyy lähtöaineiden suuntaan e) reaktionopeus kasvaa, mutta tasapainoasema ei muutu. Ratkaisut H > 0, joten hajoamisreaktio on endoterminen. Lämpötilan laskeminen siirtää tasapainoa eksotermiseen eli lähtöaineiden suuntaan. Lämpötilan laskeminen pienentää reaktionopeutta. Joten a) on epätosi, b) on epätosi, c) on epätosi, d) on tosi ja e) on epätosi.
4. Liukoisuustulo 158. Kirjoita seuraavien suolojen liukoisuustulojen lausekkeet ja päättele liukoisuustulon yksikkö: a) BaF b) Al(OH) c) Mg(PO4) d) AgCO. Ratkaisut a) BaF(s) Ba + (aq) + F (aq) Ks = [Ba + ] [F ] yksikkö: ( )( ) = ( ) = M b) ) Al(OH)(s) Al + (aq) + OH (aq) Ks = [Al + ] [OH ] yksikkö: ( )( ) = ( ) 4 = M 4 c) Mg(PO4) (s) Mg + (aq) + PO4 (aq) Ks = [Mg + ] [PO4 ] yksikkö: ( ) ( ) = ( ) 5 = M 5 d) AgCO(s) Ag + (aq) + CO (aq) Ks = [Ag + ] [CO ] yksikkö: ( ) ( ) = ( ) = M 159. a) Kalsiumoksalaatin CaCO4 liukoisuus on 4,8 10 5 /l. Laske kalsiumoksalaatin liukoisuustulo. b) Strontiumfluoridin SrF liukoisuus on 8,0 10 4 /l. 1) Mikä on fluoridi-ionien konsentraatio kylläisessä liuoksessa? ) Laske strontiumfluoridin liukoisuustulo. Ratkaisut a) CaCO4(s):n liukoisuus on 4,8 10 5 /l Kertoimet reaktioyhtälössä liukenee 4,8 10 5 /l konsentraatio /l CaCO4(s) Ca + (aq) + CO4 (aq) 1 1 kiinteää +4,8 10 5 +4,8 10 5 4,8 10 5 4,8 10 5 Ks = [Ca + ] [CO4 ] = 4,8 10 5 /l 4,8 10 5 /l =,04 10 9 (/l), 10 9 ( ) Tässä tapauksessa tuloksen voi tarkistaa myös taulukkokirjasta. Siellä CaCO4(s):n liukoisuustulo Ks =, 10 9. b) SrF(s):n liukoisuus on 8,0 10 4 /l
Kertoimet reaktioyhtälössä liukenee 8,0 10 4 /l konsentraatio /l SrF(s) Sr + (aq) + F (aq) 1 kiinteää +8,0 10 4 + 8,0 10 4 8,0 10 4 16,0 10 4 1. Fluoridi-ionien konsentraatio kylläisessä liuoksessa on 16,0 10 4.. Ks = [Sr + ] [F ] = 8,0 10 4 /l (16,0 10 4 /l) =,048 10 9 (/l),0 10 9 ( ) Vastaukset a) Kalsiumoksalaatin liukoisuustulo on Ks =, 10 9 M. b) Fluoridi-ionien konsentraatio kylläisessä liuoksessa on 16,0 10 4. Strontiumfluoridin liukoisuustulo on Ks =,0 10 9 M. 160. Pb -ionien konsentraatio kylläisessä PbBr -liuoksessa on 1,18 10 /l. a) Laske lyijy(ii)bromidin liukoisuustulo. b) Laske lyijy(ii)bromidin liukoisuus yksikössä g/l. Ratkaisut PbBr(s) Pb + (aq) + Br (aq) Kylläisessä liuoksessa [Pb + ] = 1,18 10 n muutos, PbBr(s) Pb + (aq) + Br (aq) kiinteää 0 0 liukenee 1,18 10 1,18 10 1,18 10 kiinteää 1,18 10 1,18 10
a) Ks = [Pb + ] [Br ] = 1,18 10 1,18 10 dm 6 = 6,571... 10 dm 6 6,57 10 dm b) Liukoisuus yksikössä g/l dm ( ) 1,18 10 07, + 79,90 m n M g g = = = 4,06 4, V V 1l l l g Vastaus a) Lyijy(II)bromidin liukoisuustulo on Ks = 6,57 10 6 ( ). b) Lyijy(II)bromidin liukoisuus on 4, g/l. 161. Kylläisen kalsiumhydroksidiliuoksen ph = 1,0. Laske Ca(OH):n liukoisuustulo. Ratkaisu Kylläinen Ca(OH) liuos, jonka ph = 1,0 poh = 14,00 1,0 = 1,70 [OH ] = 10 poh = 10 1,70 n muutos, Ca(OH)(s) Ca + (aq) + OH (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x = ½ 10 x = 10 1,70 1,70 Ks = [Ca + ] [OH ] 1 1,70 1,70 = 10 10 dm dm = 9,976... 10 1,995... 10 dm dm 6 =,9716... 10 dm 6 4,0 10 dm Taulukkokirjan arvo 5,0 10 6 ei merkittävästi poikkea nyt saadusta.
Vastaus Kalsiumhydroksidin liukoisuustulo on Ks = 4,0 10 6 ( ). 16. 1,000 litraa kylläistä juuri valmistettua kalsiumhydroksidiliuosta haihdutettiin kuiviin. Haihdutusjäännöksen massa oli 798 mg. Laske kalsiumhydroksidin liukoisuustulo. Ratkaisu V = 1,000 l m(ca(oh)) = 798 mg Ks =? m 798 10 g n(ca(oh) ) = = = 0,010769... M g 40,08 + ( 16,00 + 1,008 ) n 0,010769... c(ca(oh) ) = = = 0,010769... V 1,000 dm dm n muutos, Ca(OH)(s) Ca + (aq) + OH (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää 0,010769 0,010769 Ks = [Ca + ] [OH ] = 0,010769... 0,010769... dm dm 6 = 4,99671... 10 6 5,00 10 dm dm Vastaus Kalsiumhydroksidin liukoisuustulo on Ks = 5,0 10 6 ( ).
16. Laske a) Fe(OH):n b) Fe(OH):n liukoisuus veteen yksiköissä /l ja mg/l. Ratkaisut liukoisuus veteen, /l ja mg/l a) Fe(OH) Taulukkokirjasta Ks = 4,9 10 17 yksikkö ( ) n muutos, Fe(OH)(s) Fe + (aq) + OH (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x Ks = [Fe + ] [OH ] 17 4,9 10 = x ( x) 4,9 10 = x 4x 17 4,9 10 = 4x x = 17 4,9 10 4 17 =,05... 10 6 6, 10 l liukoisuus mg/l on m n M = = V V =,0658...10 mg 0,1 l ( ) 6,05... 10 55,58 + 16,00 + 1,008 4 g l dm 1l g
b) Fe(OH) Taulukkokirjasta Ks =,8 10 9 yksikkö ( ) 4 n muutos, Fe(OH)(s) Fe + (aq) + OH (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x Ks = [Fe + ] [OH ] 9,8 10 = x 4 ( x),8 10 = x 7x 9,8 10 = 7x x = ± 9 4,8 10 7 9 = 1,0091... 10 10 1,0 10 l liukoisuus mg/l on m n M = = V V = 1,07577...10 1,1 10 5 10 ( ) 10 1,0091... 10 55,58 + 16,00 + 1,008 mg l 8 g l dm 1l g Vastaus Fe(OH):n liukoisuus veteen on, 10 6 /l = 0,07 mg/l. Fe(OH):n liukoisuus veteen on 1,0 10 10 /l = 1,1 10 5 mg/l.
164. Kumman liukoisuus on suurempi: a) CaF:n (Ks =,5 10 11 M ) vai BaF:n (Ks =,4 10 5 M ) b) Ca(PO4):n (Ks =,1 10 M 5 ) vai FePO4:n (Ks =1,0 10 M )? Ratkaisut a)caf(s) Ca + (aq) + F (aq) Ks = [Ca + ] [F ],5 10 11 M = [Ca + ] [F ] BaF(s) Ba + (aq) + F (aq) Ks = [Ba + ] [F ],4 10 5 M = [Ba + ] [F ] Molempien liukoisuutta kuvaava reaktioyhtälö on samaa muotoa, kalsium ja barium ovat emmat maa-alkalimetalleja ja liukoisuustulojen lausekkeet ovat samanlaiset, siten liukoisuusvertailu voidaan tehdä nyt suoraan liukoisuustulojen lukuarvojen perusteella. BaF:n liukoisuustulon arvo on suurempi, joten se on liukoisempi. b) Ca(PO4)(s) Ca + (aq) + PO4 (aq) Ks = [Ca + ] [PO4 ] ja FePO4(s) Fe + (aq) + PO4 (aq) Ks = [Fe + ] [PO4 ] Liukoisuustulojen lausekkeet ovat erilaisia, joten nyt liukoisuutta ei voida päätellä pelkkien liukoisuustulojen lukuarvojen perusteella. Ca(PO4) (s) Ca + (aq) + PO4 (aq) n muutos, kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x
Ks = [Ca + ] [PO4 ] ( x) ( x),1 10 =,1 10 = 7x 4x 5,1 10 = 108x x = 5,1 10 108 = 1,144... 10 7 1,1 10 dm 7 n muutos, FePO4(s) Fe + (aq) + PO4 (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x Ks = [Fe + ] [PO4 ] 1,0 10 = x x 1,0 10 = x x = ± 1,0 10 = 1,0 10 < 1,1 10 dm dm 11 7 Vastaus a) Bariumfluoridin liukoisuus on suurempi. b) Kalsiumfosfaatin liukoisuus on suurempi.
165. Kuinka paljon (grammoina) marmoria, CaCO, liukenee uima-altaaseen, jonka vesikerroksen mitat ovat 10 m x 7m x m. Karbonaatti-ionin emäksisyydestä aiheutuvia sivureaktioita ei huomioida. Ratkaisu m(caco) =? V = 10 m 7 m m = 140 m Taulukkokirjasta Ks =,4 10 9 yksikkö ( ) n muutos, CaCO(s) Ca + (aq) + CO (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x Ks = [Ca + ] [CO ] 9,4 10 = x x,4 10 = x 9 x = ±,4 10 = 9 5 5,8095... 10 dm 140 m :n uima-altaaseen liukenee 5 m(caco ) = c V M = 5,8095... 10 140 10 dm 40,08 + 1,01+ 16,00 dm = 8,17067... 10 g 80 g Vastaus Kalsiumkarbonaattia liukenee uima-altaaseen 80 g. ( ) 166. Mahalaukun ja suoliston röntgenkuvaukseen menevälle potilaalle juotetaan varjoaineena bariumvelliä. Se on valmistettu bariumsulfaatista, BaSO4. a) Laske 100 ml:sta bariumvelliä liukenevien, ihmiselle myrkyllisten bariumionien, Ba +, massa. b) Montako prosenttia a-kohdassa saatu massa on bariumionien tappavasta annoksesta, joka ihmiselle on noin 1, g Ba + -ioneja? Ks(BaSO4) = 1,1 10 10 /dm 6. (Valintakoetehtävä 004) g
Ratkaisut Ks(BaSO4) = 1,1 10 10 /dm 6 Bariumvellin liukeneminen n muutos, Ks = [Ba + ] [SO4 ] 10 1,1 10 = x x 1,1 10 = x 10 x = ± 1,1 10 = BaSO4(s) Ba + (aq) + SO4 (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x 10 5 1,0488... 10 dm a) 100 ml:sta bariumvelliä liukenee Ba + -ioneja + 5 g m(ba ) = n M = c V M = 1,0488... 10 0,100 dm 17, dm 4 = 1,440... 10 g 0,14 mg b) Bariumionien tappava annos ihmiselle on noin 1, g Ba + -ioneja. a-kohdan annos on siis 0,14mg 0,14 10 g 100% = 100% = 0,01076...% 0,011% 1,g 1,g Vastaus Bariumioneja liukenee potilaaseen 0,14 mg ja se on 0,011% tappavasta annoksesta.
167. Missä ph:ssa Al + -ionit alkavat saostua hydroksidina, kun alumiini-ionien tasapainokonsentraatio liuoksessa on 0,10 M? Ks(Al(OH)) = 1, 10 ( ) 4. Ratkaisu [Al + ] = 0,10 M Ks(Al(OH)) = 1, 10 ( ) 4 Al(OH)(s) Al + (aq) + OH (aq) Ks = [Al + ] [OH ] 1, 10 = 0,10 [OH ] OH = 1, 10 0,10 =,51... 10 poh = 10,686... 11 dm ph = 14,00 poh = 14,00 10,686...,7 Vastaus Alumiini-ionit alkavat saostua, kun ph on suurempi kuin,7. 168. Kun 10,0 ml strontiumhydroksidin kylläistä vesiliuosta titrattiin 0,14 M HCl-liuoksella, saatiin oheisen kuvion mukainen titrauskäyrä. Kuinka monta milligrammaa strontiumia liuos sisälsi? Laske myös strontiumhydroksidin liukoisuustulon arvo.(yo k1994) Ratkaisu a) Nettoreaktioyhtälö: Sr(OH)(aq) + HCl(aq) Sr + (aq) + Cl (aq) + HO(l) Luetaan kaaviosta titrauskäyrän jyrkän ph-muutoksen kohdalta, muutoksen korkeuden puolivälistä ekvivalenttipisteen kohdalta happokulutus. Kaikki emäs on neutraloitu, kun happoa on kulunut V(HCl) = 6,0 ml.
Reaktioyhtälöstä päätellään, että n(sr(oh) = ½ n(hcl) c( HCl) V ( HCl 0,14 6,0 10 dm ) 4 ( Sr ( OH) dm n ) = = = 4,9 10 + n Sr OH = n Sr ( ( )) ( ) ( ) ( ) ( ) m n M g + 4 Sr = Sr Sr = 4,9 10 87,6 = 0,0758...g 8mg b) Liuenneen Sr(OH):n konsentraatio: 4 n 4,9 10 c = = = 0,049 V 10,0 10 dm dm Liukoisuustulo: n muutos, Sr(OH)(s) Sr + (aq) + OH (aq) kiinteää 0 0 liukenee 0,049 + 0,049 + 0,049 Kiinteää 0,049 0,0858 K s + = Sr OH = 0,049 0,0858 dm dm 4 =,15814... 10 4, 10 dm dm Vastaus: a) Strontiumia on 8 mg. b) Liukoisuustulo on Ks=, 10 4 M.
169. a) Kylläisessä liuoksessa vallitsee dynaaminen tasapaino kiinteän aineen ja liuoksen välillä. Selvitä, mitä tällä dynaamisella tasapainolla tarkoitetaan. b) Miten lyijy(ii)kloridin liukeneminen veteen eroaa kemiallisesti jodin liukenemisesta? Vastaa kuvion avulla seuraaviin kysymyksiin: c) Liukeneeko 0, grammaa lyijy(ii)kloridia 50 millilitraan vettä lämpötilassa 0 C? d) Lämpeneekö liuos vai jäähtyykö se, kun jodi liukenee veteen? e) Mikä on lyijy(ii)kloridin liukoisuustulon arvo lämpötilassa 50 C? (Yo k1996) Ratkaisut a) Kylläisessä liuoksessa on yhtä aikaa läsnä kiinteää suolaa ja liuosta, johon suolaa on liuennut maksimimäärä. Systeemissä vallitsee heterogeeninen kemiallinen tasapaino. Tällöin kiinteää ainetta liukenee liuokseen täsmälleen samalla nopeudella kuin sitä saostuu takaisin liuoksesta kiinteäksi aineeksi. Kun tasapainoseoksen liuososasta otetaan näyte eri ajanhetkillä, havaitaan, että liuenneen aineen konsentraatio on näytteissä aina sama. Kun halutaan erityisesti korostaa sitä, että vakiokoostumuksesta huolimatta liukenemisreaktio ja saostumisreaktio eivät ole tasapainon vallitessa pysähtyneet, käytetään termiä dynaaminen. Nykyisin suositaan muotoa kemiallinen tasapaino on dynaaminen. b) Liukeneminen veteen: PbCl(s) Pb + (aq) + Cl (aq) Lyijy(II)kloridi on ionisidoksellinen yhdiste. Liukenemisen aikana ioniyhdisteen hilarakenne sortuu ionisidosten katketessa ja yhdiste liukenee kationeina ja anioneina, joihin vesiekyylit liittyvät ioni-dipolisidoksin. H O(l) I(s) I(aq) Jodi on epämetalli, joka muodostaa kaksiatomisen ekyylin. Siinä atomeja pitää yhdessä kovalenttinen sidos. Liukenemisen aikana ekyyliyhdisteen sisäinen rakenne ei muutu eli jodi liukenee ekyyleinä.(tässä esimerkissä vesi on poolinen yhdiste ja jodi pooliton, joten ne eivät juuri liukene toisiinsa. Vesiekyylit tunkeutuvat jodiekyylien väliin ja aiheuttavat niihin dispersiovoiman lisäksi hetkellisen dipolin syntymisen. Vesi- ja jodiekyylit sitoutuvat toisiinsa dipoli- (indusoitu)dipolisidoksin. Nämä sidokset ovat heikompia kuin edellisessä lyijykloridin tapauksessa ioni-dipolisidokset.)
c) Kaaviosta luetaan lämpötilan ja liukoisuuskäyrän leikkauskohdasta y-akselilta PbCl:n liukoisuuden lukuarvo. Se on 0,8 g/100 g vettä. Siten liukoisuus 50 millilitraan = 50 grammaan vettä on: 0,8g 50 g = 0,19g. 100g Kun 0, g PbCl:a lisätään 50 ml:aan vettä vain 0,19 g suolasta liukenee ja loppu jää liukenematta eli syntyy kylläinen liuos. d) Lämpötilan vaikutus jodin liukenemiseen on hyvin pieni, joten tämä liukeneminen ei ole ainakaan voimakkaasti eksoterminen. Jodi on pooliton, kiinteä ekyyliyhdiste, jonka liuetessa ensin jodiekyylien välisten heikkojen sidosten on katkettava. Vesi on poolinen liuotin, joten jodia liukenee siihen vain vähän. Liukenemisessa vesiekyylien välisten vetysidosten, dipoli-dipolisidosten ja dispersiovoimien on purkauduttava, jotta liuenneen aineen ekyylien ja liuotinekyylien välille syntyy uusia vuorovaikutuksia. Kuvan perusteella ei voi varmasti sanoa onko liukeneminen hyvin heikosti eksoterminen vai endoterminen. Jos liukeneminen on endoterminen liuos jäähtyy. Ylikurssia: Systeemi pyrkii energiaminimiin ja liukenemislämmön (endo-/eksoterminen) ohella systeemin entropianmuutoksella on huomattava merkitys liukenemistapahtumaan. e) t = 50 C. PbCl :n liukoisuus on 0,70 g/100 g vettä = 7,0 g/1000 g vettä = 7,0 g/1 dm vettä c ( PbCl liuennut ) Liukoisuustulo: n muutos, n m = = = V M V,5170... 10 dm = 7,0g g 07, + 5,45 1dm ( ) PbCl(s) Pb + (aq) + Cl (aq) kiinteää 0 0 liukenee 0,05170 +0,05170 + 0,05170 kiinteää 0,05170 0,05170
K s + = Pb Cl = 0,05170... 0,05170... dm dm 5 = 6,789... 10 5 6 10 dm Vastaukset c) kaikki ei liukene e) 6 10 5 M dm 170. Oheisessa kuvassa on esitetty lyijy(ii)kloridin liukoisuus grammoina 100 grammaan vettä eri lämpötiloissa. 0,75 grammaa lyijy(ii)kloridia sekoitetaan 100 millilitraan vettä. a) Kuinka paljon PbCl jää liukenematta lämpötilassa 0 C? b) Kuinka korkeaksi tulee lämpötila nostaa, jotta kaikki PbCl liukenisi? Laske kuvan avulla myös c) lyijy(ii)kloridin liukoisuus (/l) lämpötilassa 5 C, d) lyijy(ii)kloridin liukoisuustulon arvo lämpötilassa 0 C. Ratkaisut a) 0 C PbCl liukenee 0,9 g/100 g vettä eli liukenematta jää (0,75 0,9)g = 0,6 g (tai 0,40 g/100 g vettä, jolloin liukenematta jää 0,5 g). b) Lämpötilan on nostettava 55 C:een, jotta 0,75 g P bcl liukenisi. c) Lämpötilassa 5 C PbCl liukenee 0,55 g/100g vettä. n m 0,55g c( PbCl ) = V = M V = g ( 07, + 5,45) 0,1dm = 0,01977... 0,00M dm
d) Kun lämpötila on 0 C PbCl liukenee 0,40 g/100 g vettä. Liukoisuustuloon tarvitaan konsentraatio. Veden tiheys 0 C on 0,9980 g/cm (taulukkokirjasta) m = ρ V, josta 1 dm :n massa on g m = ρ V = 0,9980 1dm = 998,0 g 1 10 dm Tähän liukenee PbCl:a 0,40 g 998,0 g =,998 g 100 g eli m,998g n ( PbCl ) = = = 0,0145... M g ( 07, + 5,45) n muutos, PbCl(s) Pb + (aq) + Cl (aq) kiinteää 0 0 Liukenee 0,0145 +0,0145 + 0,0145 Kiinteää 0,0145 0,0145 a) Ks = [Pb + ] [Cl ] = 0,0145... 0,0145... dm dm = 1,188... 10 5 5 1, 10 dm Kommentti: Veden tiheyden voidaan olettaa olevan 1,00 g/cm. Jos liukoisuudeksi 0 C:ssa luetaan 0,9 g/100 g vettä, niin liukoisuust uloksi tulee 1,1 10 5 ( ). Vastaus a) PbCl jää liukenematta 0,6 g. b) Lämpötila on nostettava 55 C:een. c) PbCl:n liukoisuus on 0,00M. d) PbCl:n liukoisuustulo on 1, 10 5 ( ) tai 1,1 10 5 ( ).
4. Liukoisuuteen vaikuttaminen 171. a) Laske hopeakloridin AgCl liukoisuus 0,0 M NaCl-liuokseen? (Ks(AgCl) = 1,8 10 10 M ). b) Selitä, miksi hopeakloridin liukoisuus veteen on suurempi kuin NaCl-liuokseen. Ratkaisut a) c(nacl) = 0,0 M Ks(AgCl) = 1,8 10 10 M Taulukkokirja: NaCl on veteen helposti liukeneva (l). NaCl(s) Na + (aq) + Cl (aq) 0,0 0 0,kun 0 0,0 0,0 liuennut, AgCl liukenee edelliseen n muutos, AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) kiinteää 0 0,0 liukenee x + x + x kiinteää x 0,0 + x Ks = [Ag + ] [Cl ] 10 1,8 10 = x 0,0 + x = 0,0x + x x ( ) + 0,0x 1,8 10 = 0 10 10 9,00 10 dm ( ) 0,0 ± 0,0 4 1 1,8 10 x = 1 x = 10 ( x = 0,00... ) dm Negatiivinen x ei ole kemiallisesti mahdollinen.
b) Liukoisuus veteen n muutos, AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x Ks = [Ag + ] [Cl ] 10 1,8 10 = x x x = ± 1,8 10 = ± 10 5 1,416... 10 dm Negatiivinen x ei ole kemiallisesti mahdollinen. Koska liukoisuustulon on pysyttävä tietyssä lämpötilassa vakiona (=samana), yhteinen ioni pienentää liukoisuutta. Vastaus a) Hopeakloridia liukenee 0,0 M NaCl-liuokseen 9,0 10 10. b) Yhteinen ioni pienentää liukoisuutta. 17. Hopeakromaatin liukoisuustulo, Ks(AgCrO4), on 5 C:ssa 1, 10 1 ( ). Laske hopeakromaatin liukoisuus (mg/dm ) a) puhtaaseen veteen b) 0,010 AgNO-liuokseen. (Insinööriosastojen valintakoe 004) Ratkaisut a) Liukoisuus puhtaaseen veteen n muutos, AgCrO4(s) Ag + (aq) + CrO4 (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x +x kiinteää x x
Ks = [Ag + ] [CrO4 ] s ( ) K = x x 1, 10 4 = 4x x = 1 = x 1, 10 4 = 1 x 5 6,875... 10 dm 1 dm :iin liukenee m = c V M = dm + + =,80... 10 g ( ) 5 6,875... 10 1dm 107,87 5,00 4 16,00 mg Eli liukoisuus puhtaaseen veteen on mg/dm. b) Liukoisuus 0,010 AgNO-liuokseen Taulukkokirja: AgNO on veteen helposti liukeneva (l). AgNO(s) Ag + (aq) + NO (aq) 0,010 0 0,kun 0 0,010 0,010 liuennut, MgF liukenee edelliseen g n muutos, AgCrO4(s) Ag + (aq) + CrO4 (aq) kiinteää 0,010 0 liukenee x + x +x kiinteää 0,010 + x x
Ks = [Ag + ] [CrO4 ] ( x) 1 1, 10 0,010 = + x ( 4 0,040 0,010 ) = x + x + x = 4 + 0,040 + 1 10 4 x x x x x x 4 1 4 + 0,040 + 1 10 1, 10 = 0 Yhtälön voi ratkaista laskimen poly tominnolla tai yksinkertaistuksen avulla. Koska Ks on pieni, voidaan olettaa, että (0,010 + x) ~ 0,010, jolloin yhtälö sievenee muotoon 1 1, 10 = (0,010) x 1 1, 10 8 1, 10 x = = 0,010 dm eli oletus (0,010 + x) ~ 0,010 toimii. 1 dm :iin liukenee m = c V M = + + dm 6 = 4,16 10 g ( ) 8 1, 10 1dm 107,87 5,00 4 16,00 0,004mg eli liukoisuus 0,010 AgNO-liuokseen on 0,004 mg/dm. Vastaus a) Liukoisuus puhtaaseen veteen on mg/dm. b) Liukoisuus 0,010 AgNO-liuokseen on 0,004 mg/dm. 17. Magnesiumfluoridin liukoisuus puhtaaseen veteen on 1, 10. Laske magnesiumfluoridin liukoisuus natriumfluoridiliuokseen, jonka konsentraatio on 0,10? Ratkaisu c(naf) = 0,10 M Taulukkokirja: NaF on veteen helposti liukeneva (l). NaF(s) Na + (aq) + F (aq) 0,10 0 0,kun 0 0,10 0,10 liuennut, g
MgF liukenee edelliseen n muutos, MgF(s) Mg + (aq) + F (aq) kiinteää 0 0,10 liukenee x + x + x kiinteää x 0,10 + x Ks = [Mg + ] [F ] ( x) 9 6,4 10 = x 0,10 + ( 0,01 0,4 4 ) = x + x + x 9 4 + 0,40 + 0,01 6,4 10 = 0 x x x Yhtälön voi ratkaista laskimen poly tominnolla tai yksinkertaistuksen avulla. Koska a-kohdassa laskettu Ks on pieni, voidaan olettaa, että (0,10 + x) ~ 0,10, jolloin yhtälö sievenee muotoon 9 6,4 10 = x 0,10 x = = 0,10 dm 9 6,4 10 7 6,4 10 eli oletus (0,10 + x) ~ 0,10 toimii. Vastaus Magnesiumfluoridin liukoisuus 0,10 M natriumfluoridiliuokseen on 6,4 10 7 M.
174. Laske rauta(ii)hydroksidin liukoisuus (µg/l) puskuriliuokseen, jonka ph on 11,00? Ratkaisu Puskuriliuoksen ph = 11,00 poh = pkw ph = 14,00 11,00 =,00 Taulukkokirjasta Ks(Fe(OH)) = 4,9 10 17 M n muutos, Fe(OH)(s) Fe + (aq) + OH (aq) kiinteää 0 10,00 liukenee x + x 10,00 * kiinteää x 10,00 * Koska liukoisuustulo on pieni, eivät liukenemisen tuottamat OH -ionit muuta puskuriliuoksen ph:ta. Ks = [Fe + ] [OH ] 4,9 10 = x 10 4,9 10 x =,00 ( 10 ) ( ) 17,00 17 11 = 4,9 10 dm 1 dm :iin liukenee m = n M = c V M = + + dm 9 = 4,404... 10 g ( ) 11 4,9 10 1dm 55,85 16,00 1,008 eli Fe(OH):n liukoisuus puskuriliuokseen on 0,0044 µg/l. Vastaus Rauta(II)hydroksidia liukenee puskuriliuokseen 0,0044 µg/l. g
175. Juomavettä fluorattaessa katsotaan, että sopiva fluoridi-ionipitoisuus vedessä on 1 ppm (= yksi miljoonasosa). Magnesiumfluoridin liukoisuustulon arvo on 6,4 10 9 (/l). a) Laske magnesiumfluoridin liukoisuus (/l) puhtaaseen veteen. b) Voidaanko magnesiumfluoridia liukoisuutensa perusteella käyttää juomaveden fluoraukseen? Perustele vastauksesi. (Valintakoetehtävä 005) Ratkaisut 1 ppm miljoonasosa, Reaktio 1 -kirjan sivu 4. Ks(MgF) =6,4 10 9 ( ) a) MgF:n liukoisuus (/l) puhtaaseen veteen n muutos, MgF(s) Mg + (aq) + F (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x Ks = [Mg + ] [F ] 9 6,4 10 x = x 4x = 4x x = ± = 6,4 10 4 = ± ( x) 9 1,1696... 10 dm (Negatiivinen juuri hylätään, koska liukoisuus ei voi olla negatiivinen.) MgF:n liukoisuus puhtaaseen veteen on 1, 10 /l.
b) Voidaanko MgF:a käyttää juomaveden fluoraukseen? g m( F ) = n M = 1,1696... 10 19,00 dm = 4,444... 10 g + ( Mg ) m ppm = 10 m(liuos) = 1000g 4,444... 10 g 10 6 = 44,44...ppm 44ppm > 1ppm 6 MgF on siis riittävän liukoinen käytettäväksi juomaveden fluoraukseen. Vastaus a) MgF:n liukoisuus puhtaaseen veteen on 1, 10 /l. b) MgF on siis riittävän liukoinen käytettäväksi juomaveden fluoraukseen. 176. Minkä aineen liukoisuus kasvaa, kun liuos muuttuu happamammaksi eli liuoksen ph laskee? Kirjoita reaktioyhtälö, jolla liukoisuuden kasvu voidaan kuvata. Aineet ovat a) CaSO4 (Ks = 4,9 10 5 ( ) ) b) PbCl (Ks = 1,7 10 5 ( ) ) c) AgPO4 (Ks = 8,9 10 17 ( ) 4. Ratkaisut a) CaSO4 (Ks = 4,9 10 5 ( ) ) CaSO4(s) Ca + (aq) + SO4 (aq) neutraali vahvahkon hapon kationi anioni, käytännössä neutraali (Ka=9, 10 1 /l) ph:n laskeminen ei vaikuta liukoisuuteen. b) PbCl (Ks = 1,7 10 5 ( ) ) PbCl(s) Pb + (aq) + Cl (aq) siirtymämetallikationi vahvan hapon anioni, neutraali ph:n laskeminen ei vaikuta liukoisuuteen.
c) AgPO4 (Ks = 8,9 10 17 ( ) 4 AgPO4(s) Ag + (aq) + PO4 (aq) siirtymä- heikon hapon metallikationi vastinemäs, voi sitoa protonin/protoneja PO4 (aq) + HO + (aq) HPO4 (aq) + HO + (aq) HPO4 (aq) + HO + (aq) HPO4 (aq) + HO(l) HPO4 (aq) + HO(l) HPO4(aq) + HO(l) ph:n laskeminen kasvattaa liukoisuutta, koska fosfaatti-ionit reagoivat liuoksen protonien kanssa. Ks = [Ag + ] [PO4 ] säilyttävä vakiona tätä poistuu, joten suolaa on liuettava lisää. 177. Vaikuttaako liuoksen ph seuraavien aineiden liukoisuuteen? Jos vaikuttaa, miten? a) AgF b) AgBr c) Fe(OH) d) FeS e) Sr(NO) f) Sr(NO). Ratkaisut a) AgF(s) Ag + (aq) + F (aq) neutraali F (aq) + HO + (aq) HF(aq) + HO(l) ph:n laskiessa liukoisuus kasvaa heikon hapon vastinemäs, reagoi edelleen b) AgBr(s) Ag + (aq) + Br (aq) neutraali vahvan hapon anioni, neutraali ph ei vaikuta liukoisuuteen.
c) Fe(OH)(s) Fe + (aq) + OH (aq) siirtymämetallikationi emäs OH -ioni reagoi happamassa liuoksessa: HO + (aq) + OH (aq) HO(l) ph:n laskiessa liukoisuus kasvaa d) FeS(s) Fe + (aq) + S (aq) siirtymämetallikationi heikon hapon vastinemäs S (aq) + HO + (aq) HS (aq) + HO(l) HS (aq) + HO + (aq) HS(aq) + HO(l) ph:n laskiessa liukoisuus kasvaa e) Sr(NO)(s) Sr + (aq) + NO ph ei vaikuta liukoisuuteen neutraali (aq) vahvan hapon anioni, neutraali f) Sr(NO)(s) Sr + (aq) + NO (aq) neutraali heikon hapon vastinemäs NO (aq) + HO + (aq) HNO(aq) + HO(l) ph:n laskiessa liukoisuus kasvaa
178. a) Laske kylläisen magnesiumhydroksidiliuoksen ph, kun magnesiumhydroksidin liukoisuustulo on Ks = 5,6 10 1 (/l). b) Liukeneeko magnesiumhydroksidia suolahappoliuokseen enemmän vai vähemmän kuin puhtaaseen veteen? Perustele vastauksesi. Ratkaisut Mg(OH) (Ks = 5,6 10 1 ( ) ) a) ph =? n muutos, Ks = [Mg + ] [OH ] 1 5,6 10 = x = x 4x = 4x x = 5,6 10 4 = 1 Mg(OH)(s) Mg + (aq) + OH (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x ( x) 4 1,1186... 10 dm w OH = x = 1,1186... 10 poh =,650... ph = pk poh = 14,00,650... = 10,49... 10,5 4 b) Ks = [Mg + ] [OH ] Säilyttävä vakiona tätä poistuu, joten suolaa on liuettava lisää. OH -ioni reagoi happamassa liuoksessa: HO + (aq) + OH (aq) HO(l) ph:n laskiessa Mg(OH):n liukoisuus kasvaa eli sitä liukenee enemmän suolahappoon kuin puhtaaseen veteen. Vastaus a) Kylläisen magnesiumhydroksidiliuoksen ph on 10,5 b) Magnesiumhydroksidia liukenee enemmän suolahappoon kuin puhtaaseen veteen.
4.4 Syntyykö liuokseen saostuma 179. Kirjoita tasapainotettu nettoreaktioyhtälö olomuotomerkintöineen, kun a) fosforihappoliuokseen lisätään kaliumhydroksidiliuosta b) natriumvetysulfaattiliuokseen lisätään natriumhydroksidiliuosta c) rauta(iii)kloridiliuokseen lisätään ammoniakkiliuosta d) natriumhydroksidiliuokseen puhalletaan pillillä uloshengitysilmaa e) kylläiseen kalsiumhydroksidiliuokseen puhalletaan pillillä uloshengitysilmaa. Ratkaisut a) Tasapainotettu nettoreaktioyhtälö: HPO4(aq) + KOH(aq) K + (aq) + PO4 - (aq) + HO(l) a) Pohdintaa, mitä tapahtuu fosforihappo HPO4(aq) HO + (aq) + PO4 (aq) kaliumhydroksidi KOH(aq) K + (aq) + OH (aq) Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot: HO + (aq) PO4 (aq) K + (aq) emmat kationeja, l eivät reagoi keskenään + OH (aq) neutraloituminen emmat anioneja, eivät reagoi keskenään Yksi fosforihappoekyyli tuottaa kolme oksoniumionia. HO + (aq) + OH (aq) 6 HO(l) eli lyhemmin: HO + (aq) + OH (aq) HO(l) b) Tasapainotettu nettoreaktioyhtälö: NaHSO4(aq) + NaOH(aq) Na + (aq) + SO4 - (aq) + HO(l) b) Pohdintaa, mitä tapahtuu natriumvetysulfaatti NaHSO4(aq) Na + (aq) + HSO4 (aq) Na + (aq) + HO + (aq) +SO4 (aq) natriumhydroksidi NaOH(aq) Na + (aq) + OH (aq) Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot: Na + (aq) HO + (aq) SO4 (aq) Na + (aq) emmat kationeja, emmat l eivät reagoi kationeja, eivät keskenään reagoi keskenään + OH (aq) l neutraloituminen emmat anioneja, eivät reagoi keskenään HO + (aq) + OH (aq) HO(l)
c) Tasapainotettu nettoreaktioyhtälö: FeCl(aq) + NH4 + (aq) + OH (aq) Fe(OH)(s) + Cl (aq) + NH4 + (aq) tai FeCl(aq) + NH(aq) + HO(l) Fe(OH)(s) + Cl (aq) + NH4 + (aq) c) Pohdintaa, mitä tapahtuu rauta(iii)kloridi FeCl(aq) Fe + (aq) + Cl (aq) ammoniakki NH(aq) + HO(l) NH4 + (aq) + OH (aq) Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot: Fe + (aq) Cl (aq) NH4 + (aq) eivät reagoi keskenään l + OH (aq) Fe(OH) Taulukkokirjasta Ks =,8 10 9 yksikkö ( ) 4 eivät reagoi keskenään Fe + (aq) + OH (aq) Fe(OH)(s) tai FeCl(aq) + NH(aq) + HO(l) Fe(OH)(s) + Cl (aq) + NH4 + (aq) d) Tasapainotettu nettoreaktioyhtälö: NaOH(aq) + CO(g) Na + (aq) + CO (aq) + HO(l) d) Pohdintaa, mitä tapahtuu natriumhydroksidi NaOH(aq) Na + (aq) + OH (aq) uloshengitysilman hiilidioksidi CO(g) CO(aq) HCO(aq) HO + (aq) + CO (aq) Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot: Na + (aq) OH (aq) HO + (aq) eivät reagoi keskenään neutraloituminen CO (aq) l eivät reagoi keskenään HO + (aq) + OH (aq) HO(l)
e) Tasapainotettu nettoreaktioyhtälö: Ca(OH)(aq) + CO(g) CaCO(s) + HO(l) e) Pohdintaa, mitä tapahtuu kylläiseen kalsiumhydroksidiliuokseen Ca(OH)(s) Ca + (aq) + OH (aq) uloshengitysilman hiilidioksidi CO(g) CO(aq) HCO(aq) HO + (aq) + CO (aq) Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot: Ca + (aq) OH (aq) HO + (aq) eivät reagoi keskenään neutraloituminen CO (aq) v eivät reagoi keskenään Ca + (aq) + OH (aq) + CO(aq) CaCO(s) + HO(l) 180. Syntyykö saostuma, jos 75,0 ml 0,00 M BaCl-liuosta ja 15,0 ml 0,040 M NaSO4-liuosta yhdistetään? Sulfaatti-ionin protonoitumista ei tarvitse huomioida. Ratkaisu 75,0 ml 0,00 M BaCl-liuosta + 15,0 ml 0,040 M NaSO4-liuosta Suolat liukenevat BaCl(s) Ba + (aq) + Cl (aq) NaSO4(s) Na + (aq) + SO4 (aq). Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot Ba + Cl Na + - l SO4 h, Ks = 1,1 10 10 - BaSO4(s) Ba + (aq) + SO4 (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat 75,0 ml 0,00 M = = 75,0+15,0 ml + Ba 0,0075M ( ) 15,0 ml 0,040 M SO 4 = = 0,05M ( 75,0+15,0 ) ml Muodostetaan ionitulon lauseke ja sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot Q + = Ba SO 4 = 0,0075 M 0,05 M = 1,875 10 M 1,9 10 M 4 4
Q > Ks, joten bariumsulfaattia saostuu, kunnes Q = Ks. Vastaus Bariumsulfaattia saostuu. 181. Syntyykö bariumfluoridisaostuma, kun 100,0 ml 0,0010 M Ba(NO)-liuosta ja 00,0 ml 0,0010 M KF-liuosta yhdistetään? Fluoridi-ionin protonoitumista ei huomioida. Ks(BaF) = 1,7 10 6 ( ) Ratkaisu 100,0 ml 0,0010 M Ba(NO)-liuosta + 00,0 ml 0,0010 M KF-liuosta Ks(BaF) = 1,7 10 6 ( ) Suolat liukenevat Ba(NO) (s) Ba + (aq) + NO (aq) KF(s) K + (aq) + F (aq). Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot Ba + NO K + - l F h, Ks = 1,7 10 6 - ( ) BaF(s) Ba + (aq) + F (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat + 100,0ml 0,0010M 4 Ba = =,... 10 M 100,0+00,0 ml ( ) 00,0ml 0,0010M = = 100,0+00,0 ml 4 F 6,6666... 10 M ( ) Muodostetaan ionitulon lauseke ja sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot + Q = Ba F ( ) = 4 4,... 10 M 6,6666... 10 M = 1,4814... 10 M 10 10 1,5 10 M Q < Ks, joten bariumfluoridia ei saostu. Vastaus Bariumfluoridia ei saostu.
18. 0 pisaraa vesiliuosta on likimain 1 ml. Muodostuuko saostuma, kun yksi pisara 0,010 M NaCl(aq) lisätään 10,0 ml:aan a) 0,0040 M AgNO(aq) b) 0,0040 M Pb(NO)(aq)? Ratkaisut 0 pisaraa = 1 ml 1 pisara = 0,05 ml lisätään 1 pisara = 0,05 ml 0,010 M NaCl(aq) a) 10,0 ml 0,0040 M AgNO(aq) Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot Na + Cl Ag + - h, Ks = 1,8 10 10 M NO l - AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat 10,0ml 0,0040M = = 10,0 0,05 ml + Ag,9800... 10 M ( + ) 0,05ml 0,010M = = 10,0 0,05 ml 5 Cl 4,9751... 10 M ( + ) Muodostetaan ionitulon lauseke ja sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot + - Q = Ag Cl = 5,9800... 10 M 4,9751... 10 M = 1,9801... 10 M,0 10 M 7 7 Q > Ks, joten hopeakloridia saostuu kunnes Q = Ks.
b) 10,0 ml 0,0040 M Pb(NO)(aq) Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot Na + Cl Pb + - h, Ks = 1,7 10 5 M NO l - PbCl(s) Pb + (aq) + Cl (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat 10,0 ml 0,0040 M = = 10,0 + 0,05 ml + Pb,9800... 10 M ( ) 0,05ml 0,010M = = 10,0 0,05 ml 5 Cl 4,9751... 10 M ( + ) Muodostetaan ionitulon lauseke ja sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot Q + = Pb Cl ( ) = 5,9800... 10 M 4,9751... 10 M = 9,8514... 10 M 9,9 10 M 1 1 Q < Ks, joten lyijykloridia ei saostu. 18. Vesiliuos sisältää 0,010 M Ag + -ioneja ja 0,00 M Pb + -ioneja. Kun tähän liuokseen lisätään Cl -ioneja, sekä AgCl:a että PbCl:a saostuu. a) Mikä pitää Cl -ionien konsentraation olla, että 1) AgCl ) PbCl alkaa juuri ja juuri saostua? b) Kumpi, AgCl vai PbCl, saostuu ensin? Ratkaisut 0,010 M Ag + -ioneja + 0,00 M Pb + -ioneja + Cl -ioneja AgCl Ks = 1,8 10 10 M PbCl Ks = 1,7 10 5 M
1) AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) Saostuu juuri ja juuri, kun Q = Ks. Huom! Muista ionitulossa hetkelliset konsentraatiot. Q = K s + Ag Cl = K 0,010M Cl = 1,8 10 M 1,8 10 M Cl = 0,010M = 8 1,8 10 M s 10 10 ) PbCl(s) Pb + (aq) + Cl (aq) Saostuu juuri ja juuri, kun Q = Ks. Huom! Muista ionitulossa hetkelliset konsentraatiot. Q = K s + Pb Cl = 0,00M Cl = 1,7 10 M Cl = ± 1,7 10 M 0,00M 5 5,9154... 10 M (liuokoisuus ei voi olla negatiivinen) = = 0,09M K s b) AgCl saostuu ensin, koska silloin [Cl ] on pienempi. Vastaukset a) Cl -ionikonsentraation on oltava 1,8 10 8 M, jotta AgCl juuri ja juuri saostuu ja 0,09 M, jotta PbCl juuri ja juuri saostuu. b) AgCl saostuu ensin, koska silloin [Cl ] on pienempi. 184. Yhtä suuret tilavuudet 1,0 10 M kalsiumkloridin ja,0 10 4 M hopeafluoridin vesiliuoksia yhdistetään. Muodostuuko saostumaa? Jos muodostuu, mitä se on? Fluoridi-ionin protonoitumista ei huomioida. Liukoisuustuloja: Ks(CaF) =,5 10 11 ( ) ja Ks(AgCl) = 1,8 10 10 ( ). Ratkaisu Sama tilavuus V empia liuoksia. V dm 1,0 10 M kalsiumkloridin + V dm,0 10 4 M hopeafluoridin vesiliuosta CaCl(s) Ca + (aq) + Cl (aq) AgF(s) Ag + (aq) + F (aq). Mahdolliset saostumat Ks(CaF) =,5 10 11 ( )
Ks(AgCl) = 1,8 10 10 ( ). Koska liukoisuustulojen lauseilla on eri muoto, saostumista ei voi päätellä pelkkien lukuarvojen perusteella. Tutkitaan ensin kalsiumfluoridin saostuminen. CaF(s) Ca + (aq) + F (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat + Vdm 1,0 10 M Ca 0,00050M = = + dm ( V V) 4 Vdm,0 10 M 4 F 1,0 10 M = = + dm ( V V) Muodostetaan ionitulon lauseke ja sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot Q + = Ca F 1 4 ( ) = 0,00050M 1,0 10 M = 5,0 10 M Q < Ks, joten kalsiumfluoridia ei saostu. Tutkitaan sitten hopeakloridin saostuminen. AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat 4 + Vdm,0 10 M 4 Ag = = 1,0 10 M + dm ( V V) Vdm 1,0 10 M Cl [ CaCl ] 1,0 10 M = = = + dm ( V V) Muodostetaan ionitulon lauseke ja sijoitetaan hetkelliset konsentraatiot Q + = Ag Cl = 4 1,0 10 M 1,0 10 M = 1,0 10 M 7 Q > Ks, joten hopeakloridia saostuu, kunnes Q = Ks. Vastaus Seoksesta saostuu hopeakloridia.
185. 15 millilitraan 0,0010 M hopeanitraattiliuosta lisättiin 15 ml 0,0010 M natriumkloridiliuosta. a) Osoita, että astiaan saostuu hopeakloridia. ( p.) b) Laske hopeaionin konsentraatio liuoksessa, kun tasapaino on asettunut. (4 p.) Hopeakloridin liukoisuustulo on Ks(AgCl) = 1,8 10 10 (/l). (Yo k006) Ratkaisut 15 ml 0,0010 M AgNO-liuos + 15 ml 0,0010 M NaCl-liuos Suolat liukenevat AgNO(s) Ag + (aq) + NO (aq) NaCl(s) Na + (aq) + Cl (aq). Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot Na + Cl Ag + - h, Ks = 1,8 10 10 M NO l - AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat + 15ml 0,0010M Ag = = 0,00050 M 15 + 15 ml ( ) 15ml 0,0010M Cl = = 0,00050 M 15 15 ml ( + ) a) Saostuminen tutkitaan muodostamalla ionitulon lauseke ja sijoittamalla siihen hetkelliset konsentraatiot + Q = Ag Cl = 0,00050M 0,00050M =,5 10 M 7 Q > Ks, joten hopeakloridia saostuu kunnes Q = Ks.
b) Tasapainossa [Ag + ] =? Tapa 1: Koska Ks tunnetaan n muutos, AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) kiinteää 0 0 liukenee x + x + x kiinteää x x Ks = [Ag + ] [Cl ] 10 1,8 10 = x x x = ± 1,8 10 = 10 5 1,416... 10 dm = 5 1, 10 dm Tasapainossa [Ag + ] = x = 1, 10 5. Tapa : n muutos, AgCl(s) Ag + (aq) + Cl (aq) kiinteää 0,00050 0,00050 saostuu x - x - x kiinteää 0,00050 - x 0,00050 - x Ks = [Ag + ] [Cl ]
( x)( x) 10 1,8 10 0,00050 0,00050 =,5 10 1,0 10 x + x x = 7 1,0 10 x +,498 10 = 0 7 ( ) ( ) 7 1,0 10 ± 1,0 10 4 1,498 10 x = 1 x = 4 4,86585 10 dm 4 ( x = 5,1416 10 ) dm Jälkimmäinen x johtaa negatiiviseen tasapainokonsentraatioon (0,0005-x), joten juuri ei ole kemiallisesti mahdollinen. Tasapainossa [Ag + ] = 0,00050 x = (0,00050 4,86585 10 4 ) = 1,416 10 5 ~1, 10 5 Tasapainossa [Ag + ] = 1, 10 5. Vastaukset a) Q > Ks, joten hopeakloridia saostuu kunnes Q = Ks. b) Tasapainossa [Ag + ] = 1, 10 5. 186. Vesilaitos tuottaa kovaa vettä, jonka Ca + -pitoisuus on,0 10 /l. Vesi fluorataan lisäämällä siihen, g natriumfluoridia, NaF, tuhatta vesilitraa kohti. Saostuuko putkistossa kalsiumfluoridia, CaF? Ks(CaF) =,5 10 11 (/l). Ratkaisu [Ca + ] =,0 10 /l +, g NaF/1000 l vettä saostuuko CaF? Ks =,5 10 (/l) n m,g 5 c( NaF) = = = = 5,9... 10 V M V g l (,99 + 19,00) 1000l Taulukkokirja: NaF on veteen helposti liukeneva (l). NaF(s) Na + (aq) + F (aq) 5,9 10 5 0 0,kun 0 5,9 10 5 5,9 10 5 liuennut,
CaF:n saostuminen tutkitaan muodostamalla ionitulo CaF(s) Ca + (aq) + F (aq) kiinteää,0 10 5,9 10 5 Q = [Ca + ] [F ] ( ) =,0 10 5,9... 10 = 5,490... 10 5 1 1 5,5 10 l Q = 5,5 10 1 (/l) < Ks =,5 10 11 (/l), joten CaF ei saostu. Vastaus Q < Ks, joten CaF ei saostu. 187. Magnesiumin valmistuksessa tarvittavaa lähtöainetta, magnesiumhydroksidia, saadaan merivedestä saostamalla se hydroksidina. Oletetaan, että saostus tehdään lisäämällä meriveteen kiinteää natriumhydroksidia. Merivesi sisältää kuitenkin kalsium-ioneja, jotka saattavat myös saostua natriumhydroksidia lisättäessä. Meriveden Mg + -ionikonsentraatio on 0,050 /l ja Ca + -ionikonsentraatio 0,010 /l. a) Mikä pitää meriveden OH -ionikonsentraation olla, että 1) kalsiumhydroksidi ) magnesiumhydroksidi alkaa juuri ja juuri saostua? b) Mikä pitää meriveden ph:n olla, että 1) kalsiumhydroksidi ) magnesiumhydroksidi alkaa juuri ja juuri saostua? c) Kummat, Ca + - vai Mg + -ionit, alkavat saostua ensin? Ks(Mg(OH)) = 5,6 10 1 (/l) ja Ks(Ca(OH)) = 5,0 10 6 (/l). Oletetaan, että kiinteän NaOH:n lisääminen ei muuta liuoksen tilavuutta ja että saostukset tehdään olosuhteissa, joissa ilman hiilidioksidia ei ole läsnä. Ratkaisut NaOH(s):n lisääminen ei muuta tilavuutta. Meriveden Mg + -ionikonsentraatio on 0,050 /l ja Ca + -ionikonsentraatio 0,010 /l. a) [OH ] =?, jotta saostuvat juuri ja juuri 1) Ks(Ca(OH)) = 5,0 10 6 (/l) Ca(OH)(s) Ca + (aq) + OH (aq) Saostuu juuri ja juuri, kun Q = Ks. Huom! Muista ionitulossa hetkelliset konsentraatiot.
Q = K s + Ca OH = 0,010M OH = 5,0 10 M OH = ±,60... 10 M = = 0,0M K s 5,0 10 M 0,010M 6 6 ) Ks(Mg(OH)) = 5,6 10 1 (/l) Mg(OH)(s) Mg + (aq) + OH (aq) Saostuu juuri ja juuri, kun Q = Ks. Huom! Muista ionitulossa hetkelliset konsentraatiot. Q = K s + Mg OH = 0,050M OH = 5,6 10 M OH = ± = 5 1,058... 10 M 5 1,1 10 M K s 5,6 10 M 0,050M 1 1 b) ph =?, jotta juuri ja juuri saostuu 1) Kalsiumhydroksidi: a-kohdasta [OH ] =,60 10 M, joten poh = 1,6505 ja ph = pkw poh = 14,00 1,6505 = 1,5 ) Magnesiumhydroksidi: a-kohdasta [OH ] = 1,058 10 5 M, joten poh = 4,975 ja ph = pkw poh = 14,00 4,975 = 9,0 c) Mg(OH) saostuu ensin, koska a-kohdan perusteella siihen tarvitaan pienempi OH konsentraatio ja siten pienempi NaOH lisäys. Suora päättely liukoisuustulon lukuarvosta ei toimi, koska vapaita metalli-ioneja on jo liuoksissa ja niitä on eri määrä.
188. Sekoitetaan 5,0 ml 0,00 M natriumsulfaattiliuosta ja 5,0 ml 0,05 M lyijy(ii)nitraattiliuosta. Kuinka monta prosenttia Pb + -ioneista jää saostumatta? Ratkaisu 5,0 ml 0,00 M natriumsulfaattiliuosta + 5,0 ml 0,05 M lyijy(ii)nitraattiliuosta Suolat liukenevat Na(SO4) (s) Na + (aq) + SO4 (aq) Pb(NO)(s) Pb + (aq) + NO (aq). Tutkitaan taulukkokirjasta ionien mahdolliset reaktiot Na + SO4 Pb + - h, Ks =,5 10 8 ( ) NO l - PbSO4(s) Pb + (aq) + SO4 (aq) Liuosten yhdistämisen jälkeen hetkelliset konsentraatiot ovat 5,0ml 0,05M = = 5,0 5,0 ml + Pb 0,015M ( + ) 5,0ml 0,00M SO 4 = = 0,015M 5,0 5,0 ml ( + ) Ionitulo Q on + Q = Pb SO 4 = 0,015M 0,015M = 1,875 10 M - 4 Q > Ks, joten PbSO4 saostuu kunnes Q = Ks. n muutos, PbSO4(s) Pb + (aq) + SO (aq) kiinteää 0,015 0,015 saostuu x - x - x kiinteää 0,015 - x 0,015 - x
Tasapainossa: Ks = [Pb + ] [SO4 ] 8,5 10 = 0,015 x 0,015 x x ( )( x) 0,075x + 1,875 10,5 10 = 0 4 8 0,075x + 1,87475 10 = 0 4 ( ) ( ) 4 0,075 ± 0,075 4 1 1,87475 10 x = 1 x = 0,01490... dm ( x = 0,015009... ) dm Jälkimmäinen ratkaisu johtaa negatiiviseen tasapainokonsentraatioon (0,015 0,015009 )M, joten ratkaisu ei ole kemiallisesti mahdollinen. Lyijyioneja jää saostumatta ( ) ( hetkellinen ) ( ) + Pb saostumatta 0,015 0,01490... M 100% 100% + = Pb 0,015M = 0,07968...% 0,080% Vastaus Lyijyioneja jää saostumatta 0,080 %. 189. Koulun kemian laboratoriossa tutkittiin pohjaveden kloridi-ionipitoisuutta. Tätä varten pohjavedestä otettu 5,0 litran näyte haihdutettiin noin 50 ml:n tilavuuteen. Väkevöityyn liuokseen lisättiin hopeanitraattia, jolloin kloridi-ionit saostuivat niukkaliukoisena hopeakloridina. Saostuma suodatettiin nesteestä, kuivattiin ja punnittiin. Hopeakloridin massaksi saatiin 4 mg. a) Laske pohjaveden kloridi-ionipitoisuus (mg/l). b) Mitkä virhelähteet saattoivat vaikuttaa tuloksen luotettavuuteen? c) Miksi jouduttiin ottamaan verrattain paljon näytettä ja haihduttamaan se pieneen tilavuuteen? d) Miksi väkevöidyn liuoksen tilavuutta ei tarvitse tuntea tarkasti? (Yo k1999)
Ratkaisut haihdutus 5,0 l näyte m(agcl) = 4 mg 50 ml a) [Cl ] =? n(cl ) = n(agcl) m(cl ) = n(cl ) M(Cl ) = n(agcl) M(Cl ) ( ) ( AgCl ) m = ( ) = = M g ( 107,87 + 5,45) mg m ( Cl ) 6,010... 10 g g mg c Cl, = = = 1,01... 10 = 1 l V 5,0l l l AgCl 4 10 g g m Cl 5,45 6,010... 10 g b) Virhelähteet esim. * edustaako näyte tutkittavaa vettä kokonaisuutena * miten tarkasti näytteen tilavuus 5,0 l on mitattu? * haihdutuksen on oltava niin hidasta, että roiskeita ei synny * onko tarkistettu saostuiko kaikki kloridi ja saostuuko muita ioneja? * jäikö kaikki AgCl suodattimeen vai menikö osa siitä läpi * oliko kuivaus riittävän hidas, ettei roiskunut * oliko kuivauslämpötila sopiva, liian kuumassa AgCl hajoaa. * oliko tyhjä suodatin kuumennettu ja punnittu samoin kuin suodatin + AgCl? c) 5,0 l vesinäytteestä hopeakloridia saostui 4 mg. Tarkkaa määritystä varten punnittavan massan tulisi olla 100 00 mg eli 5,0 litran näytemäärä pienempi näyte ei riitä suureen tarkkuuteen kloridimäärityksessä. d) Alkuperäisen 5,0 litran näytteen tilavuus on tunnettava tarkkaan. Tämä näyte haihdutettiin, jolloin se sisälsi kaikki alkuperäisen näytteen kloridi-ionit. Kaikki nämä kloridi-ionit ionit saostettiin hopeanitraatilla. Näin haihdutetun liuoksen tarkalla tilavuudella ei ole merkitystä.