Hukum aksi massa dan representasi grafis

Hukum dasar kesetimbangan kimia dirumuskan pada tahun 1864 oleh dua bersaudara ipar Norwegia, teoritikus Cato Guldberg dan experi-mentalist Peter Waage, dan disempurnakan oleh mereka dan orang lain dalam dekade berikutnya; sekarang dikenal sebagai Guldberg-Waage atau hukum aksi massa. Ini telah cukup dikonfirmasi dalam waktu sejak ditemukan, dan dapat dipahami dalam hal termodinamika; di sini kita hanya akan menyatakan dan menggunakannya. Ketika spesies kimia yang terlibat dalam keseimbangan bentuk

aA bB cC ... pP qq rr ... (4,1-1)

maka hukum aksi massa menetapkan bahwa ada hubungan tetap antara konsentrasi sesuai [A], [B], [C], ..., [P], [Q], [R], ..., dan koefisien FFI stoikiometri mereka koefisien a, b, c, ..., p, q, r, ..., yaitu rasio

[P] p [Q] q [R] r ... (4,1-2)

[A] a [B] b [C] c ...

(Atau kebalikannya) adalah konstan. Rasio tersebut disebut konstanta kesetimbangan, karena menentukan hubungan antara konsentrasi berbagai bahan kimia yang berpartisipasi pada kesetimbangan. Sejauh bahan kimia yang terlibat yang bersangkutan, itu adalah sewenang-wenang apakah kita merumuskan keseimbangan seperti seperti pada (4,1-1) atau sebaliknya, sebagai p [P] q [Q] r [R] ... a [A] b [B ] c [C] ..., karena bahan kimia tidak tahu dan tidak peduli bagaimana kita menulis keseimbangan mereka. Di sisi lain, dengan cara tertentu penulisan mungkin memiliki nilai mnemonic bagi kita, manusia. Hal ini di sini bahwa konvensi masuk. Untuk kesetimbangan asam-basa dalam larutan air, daerah yang kita akan kebanyakan khawatir dalam bab ini, adalah kebiasaan untuk menentukan keseimbangan dalam hal asam dissocia-tion, dimana asam kehilangan satu atau lebih proton. Sesuai con-stants disebut konstanta disosiasi. Misalnya, untuk disosiasi asam monoprotik lemah kita menulis

HA HA (4,1-3)

Ka [H] [A] (4,1-4)

[HA]

dimana Ka memiliki dimensi konsentrasi, yaitu, dengan unit M. Dimana logaritma yang diambil, seperti pH atau pKa, dimensi selalu dihapus, tetapi dimensi standar yang tersirat; dengan kata lain, properti diperkirakan akan dibagi dengan properti yang sama di negara standar, dengan nilai numerik dari 1.

Sebaliknya, untuk kesetimbangan yang melibatkan pembentukan kompleks, kami typi-Cally menentukan kesetimbangan dalam hal pembentukan kompleks tersebut, dalam hal konstanta yang terlibat disebut konstanta pembentukan. Berikut contoh yang khas akan

AgCl- AgCl (4,1-5)

Ks 0 [AgCl] (4,1-6)

[Ag] [Cl]

Dengan konvensi, solvasi biasanya tersisa dari ekspresi tersebut, dengan asumsi (berguna untuk larutan encer, tetapi belum tentu berlaku untuk concen-basisnya yang) bahwa konsentrasi pelarut begitu besar bahwa pada dasarnya konstan, dan karena itu dapat dimasukkan dalam nilai numerik dari konstanta equi-Librium. Di sini kita akan mengikuti konvensi ini, dan solu-tions berair kita akan karena itu tidak membedakan secara formal antara H2CO3 dan CO2, atau antara NH3 dan NH4OH. Demikian juga, proton terhidrasi akan Repre-sented hanya dengan H. Mungkin contoh yang paling jelas dari konvensi ini adalah autoprotolysis air,

H2O HOH (4,1-7)

di mana, dengan asumsi [H2O] menjadi dasarnya konstan, keseimbangan expres-sion Ka [H] [OH] / [H2O] secara konvensional disederhanakan

Kw [H] [OH] (4,1-8)

Dalam banyak situasi eksperimental, salah satu kontrol total analitis con-sentrasi, C, yaitu, jumlah konsentrasi dari berbagai bentuk yang mungkin hadir. Sebagai contoh, kita mungkin berat sejumlah asam asetat dan / atau natrium asetat, dan larutkan dalam jumlah tertentu air, dalam hal ini kita tahu total analitis konsentrasi C [HAC] [Ac]. Dalam situa-tions seperti itu sering berguna untuk menentukan fraksi konsentrasi spesies par-TERTENTU dalam campuran. Untuk asam monoprotik sederhana didefinisikan dalam (4,1-3) kita

[HA] [H]

(4,1-9)

[HA] [A]

HA 1 [H] KaA -0 [A] Ka (4,1-10) [HA] [A [H] Ka]

di mana bentuk kanan persamaan diperoleh setelah mengganti definisi (4,1-4) dari konstanta disosiasi, dan di mana kita telah memperkenalkan formalisme label fraksi konsentrasi dengan jumlah terpasang, proton tukar: 1 untuk HA, 0 untuk A-. Konsentrasi HA dan A- kemudian ikuti sebagai

[HA] C Ca [H] (4,1-11)

[H] Ka

1

dan

[A] C Ca Ka (4,1-12)

[H] Ka

0

Hal ini mudah untuk mengobati basis seolah-olah mereka asam. Akibatnya, bukannya menggambarkan NH3, atau bentuk NH4OH terhidrasi, seperti memisahkan ke NH4 OH, kami mempertimbangkan NH4 sebagai asam, memisahkan ke H NH3. Untuk mono-protik basis B seperti amonia maka kami menulis

HBHB (4,1-13)

Ka [H] [B] (4,1-14) [HB] [HB] [H] [HB] [B] [H] K (4,1-15) HB 1 a [B] Ka (4,1-16) [HB ] [B] [H] Ka B 0

Di bawah ini kita akan menunjukkan bagaimana kesetimbangan tersebut dapat divisualisasikan dalam diagram konsentrasi logaritmik. Spreadsheet yang sesuai sering sangat berguna untuk perhitungan pH.

Petunjuk untuk latihan 4.1

1 Buka spreadsheet Excel baru.

2 Dalam sel A1 masukkan label C, dan dalam sel A2 nilai numerik yang sesuai, seperti 0.1. Juga menyimpan, dalam sel A4, label Ka, dan nilai yang sesuai di A5, seperti 10 ^ 4.76, Ka asam asetat. Nama isi sel A2 dan A5 (tapi menggunakan Ca, konsentrasi, atau beberapa nama lain, bukan nama yang tidak valid C).

3 Pada baris 11, dimulai dengan A11 sel (dan dengan demikian meninggalkan ruang di dekat bagian atas penyebaran-lembar untuk diagram kecil), masukkan pH label, [H], log [H], [OH], log [OH], HA, log [HA], A, dan log [A]. Untuk mengetik simbol, ketik a, sorot, kemudian pilih dan masukkan font simbol dalam kotak huruf di sebelah kiri toolbar format.

4 Dalam sel A13 deposit nilai 0, dalam sel A14 nilai 0,1, kemudian menyoroti, dan drag umum ke A153 sel. Atau, di A14 sel menyimpan instruksi A13 0.1, lalu copy ini ke baris 153.

5 Pada kolom B menghitung nilai yang sesuai untuk [H] (yaitu, di B13 sel menghitung 10 ^ A13), dan pada kolom C menghitung nilai log [H], misalnya, A13 di C13 sel.

6 Demikian juga, dalam kolom D, menghitung nilai sesuai [OH], misalnya, di D13 baik sebagai 10 ^ (A13 14) atau (10 ^ 14) / B13, dan pada kolom E menghitung bersesuaian-ing logaritma, log [ OH] pH 14.

7 Gunakan (4,1-9) untuk menghitung 1 dari Ka dan nilai dari [H].

8 Dalam kolom log G menghitung [HA], mengingat bahwa [HA] C HA C 1.

9 Pada kolom H dan saya juga menghitung nilai yang sesuai untuk A dan log [A-] atas dasar (4,1-10).

10 Sekarang kita akan membuat dua grafik yang biasa digunakan dalam mempertimbangkan kesetimbangan ion. Yang pertama adalah diagram distribusi, di mana kita plot fraksi konsentrasi sebagai fungsi dari pH. (. Dalam masalah asam-basa, pH akan sering variabel dependen kami, yaitu, akan menjadi kami x-axis) Diagram distribusi mudah dibuat dengan memplot kolom A, F dan H. (Ingat: untuk menyoroti non kolom bersebelahan di Excel, pertama menyorot kolom pertama, kemudian lepaskan tombol shift dan menekan tombol Ctrl, memindahkan kursor ke kolom berikutnya yang akan disorot, beralih ke tombol Shift, sorot kolom kedua, dll)

11 Jangkar grafik di sel B1, dan menentukan plot xy. Label grafik sebagai diagram distribusi, dan label sumbu sebagai pH (dengan rentang 0-14) dan alpha (kisaran: 0 sampai 1). Tempatkan grafik ini pada spreadsheet menggunakan daerah lain ditempati oleh sel B1: E10. (Jika Anda begitu suka, membuatnya pada grafik terpisah, atau melakukan keduanya.) Grafik menunjukkan daerah di mana masing-masing spesies dominan. Pada pH pKa, spesies dominan adalah HA, sedangkan A- memiliki konsentrasi yang lebih tinggi pada pH pKa.

12 Dengan mengubah nilai numerik di A2 dan A5 Anda dapat menjelajahi bagaimana diagram distribusi tergantung pada dua parameter ini. Seperti juga dapat dilihat dari (4,1-9) dan (4.1- 10), fraksi konsentrasi independen dari total konsentrasi analitis, tetapi mereka sangat bergantung pada nilai Ka. Bahkan, titik di mana kedua kurva berpotongan didefinisikan oleh pH pKa; dua 's ada memiliki nilai 0,5. Tabel 4.1 daftar beberapa asam dan basa, dan pKa mereka.

13 grafik lainnya adalah diagram konsentrasi logaritmik. Maknanya awalnya mungkin agak kurang intuitif, karena menggunakan skala ganda logaritma, tetapi biasanya lebih informatif karena menunjukkan minor serta konsentrasi utama; Selain itu, ia memiliki membatasi lereng yang sangat sederhana. Diagram konsentrasi logaritmik diperoleh dengan memplot kolom A, C, E, G, dan I. (Dalam rangka untuk menentukan jangkauan, mulai dengan menyoroti A31 sel, kemudian menggunakan Shift Akhir ke sel 153, lepaskan tombol Shift dan menekan Ctrl, menggunakan mouse untuk memindahkan kursor ke sel C153, melepaskan Ctrl dan menekan Shift, lalu naik dengan Shift Akhir , rilis Pergeseran mendukung Ctrl, pindah ke sel E13, beralih kembali ke Shift, lalu Shift Akhir ke sel E153, dan seterusnya, sampai Anda telah menyoroti lima kolom.

14 Pergi ke Sisipkan Bagan dll untuk membuat grafik xy. Menggunakan mouse dan vertikal slide-bar di sebelah kanan spreadsheet, memindahkan kursor ke bagian atas lembaran, dan deposito simbol grafik di F1 sel. Plot (vertikal) skala log c dari 10 (di bagian bawah) dengan 0 (di atas), (horisontal) skala pH dari 0 sampai 14. Atau Anda dapat menggunakan c skala log pc dengan mengklik pada sumbu vertikal, kemudian pada Format Axis, dan memilih Skala Minimum: 0, Maksimum: 10, dan check-tanda Nilai dalam urutan terbalik.

15 Jika Anda ingin angka-angka pada skala pH menunjukkan bawah grafik, klik dua kali pada gambar, kemudian pada salah satu dari angka-angka ini, kemudian klik kanan pada Format Axis. Pada kotak dialog corre-sponding, pada Pola halaman, pilih untuk memiliki Tick-Mark Label rendah untuk skala c log, tinggi untuk log pc c.

16 Cetak halaman pertama dari spreadsheet yang berisi grafik (seharusnya terlihat mirip dengan Gambar. 4.1) atau, ketika Anda membuat grafik pada lembar terpisah, mencetak ini. Bila Anda menggunakan on-lembar grafik, Anda mungkin ingin mengurangi lebar semua kolom untuk mencetak semua pada satu lembar kertas. Anda dapat melakukannya sebagai berikut. Pertama memilih seluruh lembar, dengan mengklik persegi panjang abu-abu di mana baris dengan label kolom ABCDEFG ... memenuhi kolom dengan nomor baris 1234567 ... Kemudian gunakan Format Kolom Lebar dan memasukkan nilai numerik yang sesuai untuk Kolom Lebar.

17 Sekali lagi beragam nilai-nilai numerik dari C dan Ka melihat e ff ects mereka. Perhatikan bahwa C bergerak beberapa (meskipun tidak semua) kurva naik atau turun, sementara Ka menggantikan kurva yang sama menyamping. Menggunakan order-of-besarnya perubahan, karena perubahan kecil hampir tidak menunjukkan dalam skala logaritmik. Mengidentifikasi (dan menjelaskannya seperti) empat kurva ditampilkan sebagai menggambarkan loga-rithms dari konsentrasi H, OH, HA dan A masing-masing.

18 Garis mewakili [H] dan [OH] lurus, sedangkan untuk HA dan A yang bengkok namun mengandung dua asymptotes lurus. Verifikasi matematis (menggunakan (4,1-9) dan (4,1-10)) dan numerik (dari data dalam spreadsheet, atau dengan memplot asimtot sesuai) bahwa, untuk log [HA], asymptotes ini logC dan log (C [ H] / Ka) logC logKa pH, sedangkan orang-orang untuk [A-] adalah log (CKA / [H]) logC logKa pH, dan logC masing-masing. Kebetulan, mereka asimtot membentuk dasar dari diagram, yang mudah untuk membuat sketsa, dan sangat nyaman untuk perkiraan pH cepat-dan-kotor ketika Anda tidak memiliki komputer yang berguna, atau ketika jawaban perkiraan adalah semua yang Anda butuhkan.

19 Simpan spreadsheet sebagai Asam monoprotik.