IChO 1973 · Theory problem 3
Ionisation of acetic and hypochlorous acids in a mixture
Equal volumes (\(10\ \mathrm{cm^3}\)) of 0.01-molar solutions of \(\ce{CH3COOH}\) and \(\ce{HClO}\) were mixed and then diluted to a total volume of \(100\ \mathrm{cm^3}\). Ionisation constant of \(\ce{CH3COOH}\) is equal to \(1.8\times10^{-5}\) and that for \(\ce{HClO}\) is \(3{,}7\times10^{-8}\).
Problems:
Calculate:
3.1 degree of ionisation for each of the acids in the solution,
3.2 degree of ionisation of \(\ce{HClO}\) if the diluted solution would not contain \(\ce{CH3COOH}\),
3.3 pH value for the solution containing at the same time \(\ce{CH3COOH}\) and \(\ce{HClO}\).
Official English text of the problem.
Answers
- 3.1 In the mixture:
- Acetic acid,
CC(=O)O: \(\alpha=0.125\), or \(12.5\%\). - Hypochlorous acid,
OCl: \(\alpha=2.94\times10^{-4}\), or \(0.0294\%\). - 3.2 Hypochlorous acid alone: \(\alpha=6.06\times10^{-3}\), or \(0.606\%\).
- 3.3 The mixture has \(\mathrm{pH}=3.90\).
Solution
We use concentrations in place of activities and neglect water’s self-ionisation. Besides the two acids named above, the species involved are water, O; hydronium ion, [OH3+]; acetate ion, CC(=O)[O-]; and hypochlorite ion, [O-]Cl.
3.1 Degree of ionisation of each acid in the mixture
Dilution gives the same analytical concentration for each acid:
\[ C=(0.01\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) \frac{10\ \mathrm{cm^3}}{100\ \mathrm{cm^3}} =1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
The ionisation equilibria are
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}, \]
\[ \ce{HClO + H2O <=> ClO- + H3O+}. \]
Both equilibria share the same hydronium-ion concentration,
\[ h=[\ce{H3O+}]. \]
Let \(\alpha_1\) and \(\alpha_2\) be the degrees of ionisation of acetic acid and hypochlorous acid, respectively. Their equilibrium concentrations are
\[ \begin{aligned} [\ce{CH3COO-}]&=C\alpha_1, & [\ce{CH3COOH}]&=C(1-\alpha_1),\\ [\ce{ClO-}]&=C\alpha_2, & [\ce{HClO}]&=C(1-\alpha_2). \end{aligned} \]
Consequently,
\[ K_1=\frac{h\alpha_1}{1-\alpha_1}, \qquad K_2=\frac{h\alpha_2}{1-\alpha_2}, \]
so that
\[ \alpha_1=\frac{K_1}{h+K_1}, \qquad \alpha_2=\frac{K_2}{h+K_2}. \]
Here and below, concentrations entering the equilibrium expressions are expressed in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
Electrical neutrality requires
\[ h=[\ce{CH3COO-}]+[\ce{ClO-}] =C(\alpha_1+\alpha_2). \]
Thus \(h\) satisfies
\[ h=C\left(\frac{K_1}{h+K_1} +\frac{K_2}{h+K_2}\right). \]
Substituting \(C=1.0\times10^{-3}\), \(K_1=1.8\times10^{-5}\), and \(K_2=3.7\times10^{-8}\), the positive solution is
\[ h=1.25623\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Therefore,
\[ \alpha_1 =\frac{1.8\times10^{-5}} {1.25623\times10^{-4}+1.8\times10^{-5}} =0.125328 \approx\boxed{12.5\%}, \]
\[ \alpha_2 =\frac{3.7\times10^{-8}} {1.25623\times10^{-4}+3.7\times10^{-8}} =2.94446\times10^{-4} \approx\boxed{0.0294\%}. \]
Acetic acid is sufficiently ionised that retaining its depletion, through the factor \(1-\alpha_1\), improves the calculation appreciably.
3.2 Degree of ionisation of hypochlorous acid alone
Its analytical concentration remains
\[ C=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
With no acetic acid present, let
\[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{ClO-}]. \]
Then \([\ce{HClO}]=C-x\), giving
\[ K_2=\frac{x^2}{C-x}. \]
Rearranging and taking the positive root,
\[ x^2+K_2x-K_2C=0, \]
\[ x=\frac{\sqrt{K_2^2+4K_2C}-K_2}{2} =6.06429\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Hence
\[ \alpha=\frac{x}{C} =6.06429\times10^{-3} \approx\boxed{0.606\%}. \]
The greater ionisation in this case illustrates the common-ion effect: hydronium ions supplied by acetic acid suppress the ionisation of hypochlorous acid in the mixture.
3.3 pH of the mixture
Using the hydronium-ion concentration obtained in part 3.1,
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}} \right) =-\log_{10}(1.25623\times10^{-4}) =3.90093. \]
Thus,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=3.90}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1973 · Theorieaufgabe 3
Dissoziation von Essigsäure und hypochloriger Säure in einem Gemisch
Gleiche Volumina (\(10\ \mathrm{cm^3}\)) 0.01-molarer Lösungen von \(\ce{CH3COOH}\) und \(\ce{HClO}\) wurden gemischt und anschließend auf ein Gesamtvolumen von \(100\ \mathrm{cm^3}\) verdünnt. Die Dissoziationskonstante von \(\ce{CH3COOH}\) beträgt \(1.8\times10^{-5}\), die von \(\ce{HClO}\) beträgt \(3{,}7\times10^{-8}\).
Aufgaben:
Berechnen Sie:
3.1 den Dissoziationsgrad jeder der beiden Säuren in der Lösung,
3.2 den Dissoziationsgrad von \(\ce{HClO}\), wenn die verdünnte Lösung kein \(\ce{CH3COOH}\) enthalten würde,
3.3 den pH-Wert der Lösung, die gleichzeitig \(\ce{CH3COOH}\) und \(\ce{HClO}\) enthält.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 3.1 Im Gemisch:
- Essigsäure,
CC(=O)O: \(\alpha=0.125\), also \(12.5\%\). - Hypochlorige Säure,
OCl: \(\alpha=2.94\times10^{-4}\), also \(0.0294\%\). - 3.2 Hypochlorige Säure allein: \(\alpha=6.06\times10^{-3}\), also \(0.606\%\).
- 3.3 Das Gemisch hat einen pH-Wert von \(\mathrm{pH}=3.90\).
Lösung
Wir verwenden Konzentrationen anstelle von Aktivitäten und vernachlässigen die Autoprotolyse des Wassers. Neben den beiden oben genannten Säuren sind folgende Spezies beteiligt: Wasser, O; Oxoniumion, [OH3+]; Acetation, CC(=O)[O-]; und Hypochlorition, [O-]Cl.
3.1 Dissoziationsgrad jeder Säure im Gemisch
Durch die Verdünnung ergibt sich für beide Säuren dieselbe analytische Konzentration:
\[ C=(0.01\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) \frac{10\ \mathrm{cm^3}}{100\ \mathrm{cm^3}} =1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Die Dissoziationsgleichgewichte lauten
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}, \]
\[ \ce{HClO + H2O <=> ClO- + H3O+}. \]
Für beide Gleichgewichte gilt dieselbe Oxoniumionenkonzentration,
\[ h=[\ce{H3O+}]. \]
Es seien \(\alpha_1\) und \(\alpha_2\) die Dissoziationsgrade der Essigsäure bzw. der hypochlorigen Säure. Ihre Gleichgewichtskonzentrationen sind
\[ \begin{aligned} [\ce{CH3COO-}]&=C\alpha_1, & [\ce{CH3COOH}]&=C(1-\alpha_1),\\ [\ce{ClO-}]&=C\alpha_2, & [\ce{HClO}]&=C(1-\alpha_2). \end{aligned} \]
Folglich gilt
\[ K_1=\frac{h\alpha_1}{1-\alpha_1}, \qquad K_2=\frac{h\alpha_2}{1-\alpha_2}, \]
sodass
\[ \alpha_1=\frac{K_1}{h+K_1}, \qquad \alpha_2=\frac{K_2}{h+K_2}. \]
Hier und im Folgenden werden die in die Gleichgewichtsausdrücke eingehenden Konzentrationen in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) angegeben.
Die Elektroneutralität erfordert
\[ h=[\ce{CH3COO-}]+[\ce{ClO-}] =C(\alpha_1+\alpha_2). \]
Damit erfüllt \(h\) die Gleichung
\[ h=C\left(\frac{K_1}{h+K_1} +\frac{K_2}{h+K_2}\right). \]
Setzt man \(C=1.0\times10^{-3}\), \(K_1=1.8\times10^{-5}\) und \(K_2=3.7\times10^{-8}\) ein, erhält man als positive Lösung
\[ h=1.25623\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Daher gilt
\[ \alpha_1 =\frac{1.8\times10^{-5}} {1.25623\times10^{-4}+1.8\times10^{-5}} =0.125328 \approx\boxed{12.5\%}, \]
\[ \alpha_2 =\frac{3.7\times10^{-8}} {1.25623\times10^{-4}+3.7\times10^{-8}} =2.94446\times10^{-4} \approx\boxed{0.0294\%}. \]
Essigsäure ist so weit dissoziiert, dass die Berücksichtigung der Abnahme ihrer Konzentration durch den Faktor \(1-\alpha_1\) die Genauigkeit der Berechnung merklich verbessert.
3.2 Dissoziationsgrad der hypochlorigen Säure allein
Ihre analytische Konzentration bleibt
\[ C=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Wenn keine Essigsäure vorhanden ist, setzen wir
\[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{ClO-}]. \]
Dann gilt \([\ce{HClO}]=C-x\), woraus folgt:
\[ K_2=\frac{x^2}{C-x}. \]
Durch Umstellen und Wahl der positiven Lösung ergibt sich
\[ x^2+K_2x-K_2C=0, \]
\[ x=\frac{\sqrt{K_2^2+4K_2C}-K_2}{2} =6.06429\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Somit gilt
\[ \alpha=\frac{x}{C} =6.06429\times10^{-3} \approx\boxed{0.606\%}. \]
Der höhere Dissoziationsgrad in diesem Fall veranschaulicht den gleichionigen Effekt: Die von der Essigsäure gelieferten Oxoniumionen unterdrücken die Dissoziation der hypochlorigen Säure im Gemisch.
3.3 pH-Wert des Gemischs
Mit der in Teil 3.1 ermittelten Oxoniumionenkonzentration erhält man
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}} \right) =-\log_{10}(1.25623\times10^{-4}) =3.90093. \]
Damit gilt
\[ \boxed{\mathrm{pH}=3.90}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1973 · Teori sorusu 3
Bir karışımda asetik ve hipokloröz asitlerin iyonlaşması
\(\ce{CH3COOH}\) ve \(\ce{HClO}\) bileşiklerinin 0.01 molarlık çözeltilerinden eşit hacimler (\(10\ \mathrm{cm^3}\)) karıştırılmış ve ardından toplam hacim \(100\ \mathrm{cm^3}\) olacak şekilde seyreltilmiştir. \(\ce{CH3COOH}\) bileşiğinin iyonlaşma sabiti \(1.8\times10^{-5}\), \(\ce{HClO}\) bileşiğininki ise \(3{,}7\times10^{-8}\) değerindedir.
Sorular:
Hesaplayınız:
3.1 çözeltideki asitlerin her birinin iyonlaşma derecesini,
3.2 seyreltilmiş çözelti \(\ce{CH3COOH}\) içermeseydi \(\ce{HClO}\) bileşiğinin iyonlaşma derecesini,
3.3 aynı anda hem \(\ce{CH3COOH}\) hem de \(\ce{HClO}\) içeren çözeltinin pH değerini.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 3.1 Karışımda:
- Asetik asit,
CC(=O)O: \(\alpha=0.125\), yani \(12.5\%\). - Hipokloröz asit,
OCl: \(\alpha=2.94\times10^{-4}\), yani \(0.0294\%\). - 3.2 Yalnızca hipokloröz asit: \(\alpha=6.06\times10^{-3}\), yani \(0.606\%\).
- 3.3 Karışımın pH değeri \(\mathrm{pH}=3.90\) olur.
Çözüm
Aktiviteler yerine derişimleri kullanıyor ve suyun kendi kendine iyonlaşmasını ihmal ediyoruz. Yukarıda adı geçen iki asidin yanı sıra sistemde bulunan türler su, O; hidronyum iyonu, [OH3+]; asetat iyonu, CC(=O)[O-]; ve hipoklorit iyonu, [O-]Cl şeklindedir.
3.1 Karışımdaki her bir asidin iyonlaşma derecesi
Seyreltme sonucunda her iki asit için de aynı analitik derişim elde edilir:
\[ C=(0.01\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) \frac{10\ \mathrm{cm^3}}{100\ \mathrm{cm^3}} =1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
İyonlaşma dengeleri şöyledir:
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}, \]
\[ \ce{HClO + H2O <=> ClO- + H3O+}. \]
Her iki denge için de hidronyum iyonu derişimi aynıdır:
\[ h=[\ce{H3O+}]. \]
\(\alpha_1\) ve \(\alpha_2\), sırasıyla asetik asidin ve hipokloröz asidin iyonlaşma dereceleri olsun. Denge derişimleri şöyledir:
\[ \begin{aligned} [\ce{CH3COO-}]&=C\alpha_1, & [\ce{CH3COOH}]&=C(1-\alpha_1),\\ [\ce{ClO-}]&=C\alpha_2, & [\ce{HClO}]&=C(1-\alpha_2). \end{aligned} \]
Dolayısıyla,
\[ K_1=\frac{h\alpha_1}{1-\alpha_1}, \qquad K_2=\frac{h\alpha_2}{1-\alpha_2}, \]
buradan
\[ \alpha_1=\frac{K_1}{h+K_1}, \qquad \alpha_2=\frac{K_2}{h+K_2}. \]
Burada ve bundan sonraki denge ifadelerinde yer alan derişimler \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) cinsinden ifade edilmektedir.
Elektriksel nötrlük koşulu şunu gerektirir:
\[ h=[\ce{CH3COO-}]+[\ce{ClO-}] =C(\alpha_1+\alpha_2). \]
Böylece \(h\), şu denklemi sağlar:
\[ h=C\left(\frac{K_1}{h+K_1} +\frac{K_2}{h+K_2}\right). \]
\(C=1.0\times10^{-3}\), \(K_1=1.8\times10^{-5}\) ve \(K_2=3.7\times10^{-8}\) değerleri yerine konulduğunda pozitif çözüm şöyledir:
\[ h=1.25623\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Buna göre,
\[ \alpha_1 =\frac{1.8\times10^{-5}} {1.25623\times10^{-4}+1.8\times10^{-5}} =0.125328 \approx\boxed{12.5\%}, \]
\[ \alpha_2 =\frac{3.7\times10^{-8}} {1.25623\times10^{-4}+3.7\times10^{-8}} =2.94446\times10^{-4} \approx\boxed{0.0294\%}. \]
Asetik asidin iyonlaşma derecesi yeterince yüksek olduğundan, iyonlaşma nedeniyle derişimindeki azalmanın \(1-\alpha_1\) çarpanı aracılığıyla hesaba katılması, hesaplamanın doğruluğunu belirgin ölçüde artırır.
3.2 Yalnızca hipokloröz asit bulunduğunda iyonlaşma derecesi
Analitik derişimi aynı kalır:
\[ C=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Asetik asit bulunmadığında,
\[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{ClO-}]. \]
olarak tanımlayalım. Bu durumda \([\ce{HClO}]=C-x\) olur ve şu ifade elde edilir:
\[ K_2=\frac{x^2}{C-x}. \]
Denklem yeniden düzenlenip pozitif kök alındığında,
\[ x^2+K_2x-K_2C=0, \]
\[ x=\frac{\sqrt{K_2^2+4K_2C}-K_2}{2} =6.06429\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Böylece
\[ \alpha=\frac{x}{C} =6.06429\times10^{-3} \approx\boxed{0.606\%}. \]
Bu durumda iyonlaşmanın daha fazla olması ortak iyon etkisini gösterir: asetik asidin sağladığı hidronyum iyonları, karışımdaki hipokloröz asidin iyonlaşmasını baskılar.
3.3 Karışımın pH değeri
3.1 bölümünde elde edilen hidronyum iyonu derişimi kullanılarak,
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}} \right) =-\log_{10}(1.25623\times10^{-4}) =3.90093. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=3.90}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1973 · Problema teórico 3
Ionización de los ácidos acético e hipocloroso en una mezcla
Se mezclaron volúmenes iguales (\(10\ \mathrm{cm^3}\)) de disoluciones 0.01-molares de \(\ce{CH3COOH}\) y \(\ce{HClO}\) y luego se diluyeron hasta un volumen total de \(100\ \mathrm{cm^3}\). La constante de ionización del \(\ce{CH3COOH}\) es igual a \(1.8\times10^{-5}\) y la del \(\ce{HClO}\) es \(3{,}7\times10^{-8}\).
Cuestiones:
Calcule:
3.1 el grado de ionización de cada uno de los ácidos en la disolución,
3.2 el grado de ionización del \(\ce{HClO}\) si la disolución diluida no contuviera \(\ce{CH3COOH}\),
3.3 el valor del pH de la disolución que contiene simultáneamente \(\ce{CH3COOH}\) y \(\ce{HClO}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 3.1 En la mezcla:
- Ácido acético,
CC(=O)O: \(\alpha=0.125\), es decir, \(12.5\%\). - Ácido hipocloroso,
OCl: \(\alpha=2.94\times10^{-4}\), es decir, \(0.0294\%\). - 3.2 Ácido hipocloroso solo: \(\alpha=6.06\times10^{-3}\), es decir, \(0.606\%\).
- 3.3 La mezcla tiene un \(\mathrm{pH}=3.90\).
Solución
Utilizamos concentraciones en lugar de actividades y despreciamos la autoionización del agua. Además de los dos ácidos mencionados anteriormente, las especies que intervienen son el agua, O; el ion hidronio, [OH3+]; el ion acetato, CC(=O)[O-]; y el ion hipoclorito, [O-]Cl.
3.1 Grado de ionización de cada ácido en la mezcla
La dilución da la misma concentración analítica para cada ácido:
\[ C=(0.01\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) \frac{10\ \mathrm{cm^3}}{100\ \mathrm{cm^3}} =1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Los equilibrios de ionización son
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}, \]
\[ \ce{HClO + H2O <=> ClO- + H3O+}. \]
Ambos equilibrios comparten la misma concentración de iones hidronio,
\[ h=[\ce{H3O+}]. \]
Sean \(\alpha_1\) y \(\alpha_2\) los grados de ionización del ácido acético y del ácido hipocloroso, respectivamente. Sus concentraciones en el equilibrio son
\[ \begin{aligned} [\ce{CH3COO-}]&=C\alpha_1, & [\ce{CH3COOH}]&=C(1-\alpha_1),\\ [\ce{ClO-}]&=C\alpha_2, & [\ce{HClO}]&=C(1-\alpha_2). \end{aligned} \]
Por consiguiente,
\[ K_1=\frac{h\alpha_1}{1-\alpha_1}, \qquad K_2=\frac{h\alpha_2}{1-\alpha_2}, \]
de modo que
\[ \alpha_1=\frac{K_1}{h+K_1}, \qquad \alpha_2=\frac{K_2}{h+K_2}. \]
Aquí y en lo que sigue, las concentraciones que aparecen en las expresiones de equilibrio se expresan en \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
La electroneutralidad exige que
\[ h=[\ce{CH3COO-}]+[\ce{ClO-}] =C(\alpha_1+\alpha_2). \]
Así, \(h\) satisface
\[ h=C\left(\frac{K_1}{h+K_1} +\frac{K_2}{h+K_2}\right). \]
Sustituyendo \(C=1.0\times10^{-3}\), \(K_1=1.8\times10^{-5}\) y \(K_2=3.7\times10^{-8}\), la solución positiva es
\[ h=1.25623\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Por tanto,
\[ \alpha_1 =\frac{1.8\times10^{-5}} {1.25623\times10^{-4}+1.8\times10^{-5}} =0.125328 \approx\boxed{12.5\%}, \]
\[ \alpha_2 =\frac{3.7\times10^{-8}} {1.25623\times10^{-4}+3.7\times10^{-8}} =2.94446\times10^{-4} \approx\boxed{0.0294\%}. \]
El ácido acético está suficientemente ionizado como para que tener en cuenta la disminución de su concentración mediante el factor \(1-\alpha_1\) mejore apreciablemente el cálculo.
3.2 Grado de ionización del ácido hipocloroso solo
Su concentración analítica sigue siendo
\[ C=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
En ausencia de ácido acético, sea
\[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{ClO-}]. \]
Entonces \([\ce{HClO}]=C-x\), lo que da
\[ K_2=\frac{x^2}{C-x}. \]
Reordenando y tomando la raíz positiva,
\[ x^2+K_2x-K_2C=0, \]
\[ x=\frac{\sqrt{K_2^2+4K_2C}-K_2}{2} =6.06429\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Por ello,
\[ \alpha=\frac{x}{C} =6.06429\times10^{-3} \approx\boxed{0.606\%}. \]
La mayor ionización en este caso ilustra el efecto del ion común: los iones hidronio aportados por el ácido acético inhiben la ionización del ácido hipocloroso en la mezcla.
3.3 pH de la mezcla
Utilizando la concentración de iones hidronio obtenida en el apartado 3.1,
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}} \right) =-\log_{10}(1.25623\times10^{-4}) =3.90093. \]
Así,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=3.90}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1973 · 理论题 3
混合溶液中乙酸和次氯酸的电离
将等体积(\(10\ \mathrm{cm^3}\))的 0.01 摩尔每升的 \(\ce{CH3COOH}\) 溶液和 \(\ce{HClO}\) 溶液混合,然后稀释至总体积为 \(100\ \mathrm{cm^3}\)。\(\ce{CH3COOH}\) 的电离常数为 \(1.8\times10^{-5}\),\(\ce{HClO}\) 的电离常数为 \(3{,}7\times10^{-8}\)。
问题:
计算:
3.1 溶液中每种酸的电离度,
3.2 若稀释后的溶液中不含 \(\ce{CH3COOH}\),\(\ce{HClO}\) 的电离度,
3.3 同时含有 \(\ce{CH3COOH}\) 和 \(\ce{HClO}\) 的溶液的 pH 值。
题目译自官方英文原文。
答案
- 3.1 在混合溶液中:
- 乙酸,
CC(=O)O:\(\alpha=0.125\),即 \(12.5\%\)。 - 次氯酸,
OCl:\(\alpha=2.94\times10^{-4}\),即 \(0.0294\%\)。 - 3.2 仅含次氯酸时:\(\alpha=6.06\times10^{-3}\),即 \(0.606\%\)。
- 3.3 混合溶液的 \(\mathrm{pH}=3.90\)。
解答
我们用浓度代替活度,并忽略水的自电离。除上述两种酸外,涉及的物种还有水,O;水合氢离子,[OH3+];乙酸根离子,CC(=O)[O-];以及次氯酸根离子,[O-]Cl。
3.1 混合溶液中每种酸的电离度
稀释后,两种酸的分析浓度相同:
\[ C=(0.01\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) \frac{10\ \mathrm{cm^3}}{100\ \mathrm{cm^3}} =1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
电离平衡为
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}, \]
\[ \ce{HClO + H2O <=> ClO- + H3O+}. \]
两个平衡中的水合氢离子浓度相同,
\[ h=[\ce{H3O+}]. \]
设 \(\alpha_1\) 和 \(\alpha_2\) 分别为乙酸和次氯酸的电离度。它们的平衡浓度为
\[ \begin{aligned} [\ce{CH3COO-}]&=C\alpha_1, & [\ce{CH3COOH}]&=C(1-\alpha_1),\\ [\ce{ClO-}]&=C\alpha_2, & [\ce{HClO}]&=C(1-\alpha_2). \end{aligned} \]
因此,
\[ K_1=\frac{h\alpha_1}{1-\alpha_1}, \qquad K_2=\frac{h\alpha_2}{1-\alpha_2}, \]
从而
\[ \alpha_1=\frac{K_1}{h+K_1}, \qquad \alpha_2=\frac{K_2}{h+K_2}. \]
这里及下文中,代入平衡表达式的浓度均以 \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) 为单位。
根据电中性条件,
\[ h=[\ce{CH3COO-}]+[\ce{ClO-}] =C(\alpha_1+\alpha_2). \]
因此,\(h\) 满足
\[ h=C\left(\frac{K_1}{h+K_1} +\frac{K_2}{h+K_2}\right). \]
代入 \(C=1.0\times10^{-3}\)、\(K_1=1.8\times10^{-5}\) 和 \(K_2=3.7\times10^{-8}\),得到正解
\[ h=1.25623\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
因此,
\[ \alpha_1 =\frac{1.8\times10^{-5}} {1.25623\times10^{-4}+1.8\times10^{-5}} =0.125328 \approx\boxed{12.5\%}, \]
\[ \alpha_2 =\frac{3.7\times10^{-8}} {1.25623\times10^{-4}+3.7\times10^{-8}} =2.94446\times10^{-4} \approx\boxed{0.0294\%}. \]
乙酸的电离程度较大,因此通过保留因子 \(1-\alpha_1\) 来考虑其因电离而减少的浓度,可显著提高计算的准确性。
3.2 仅含次氯酸时的电离度
其分析浓度仍为
\[ C=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
在不含乙酸的情况下,设
\[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{ClO-}]. \]
则 \([\ce{HClO}]=C-x\),由此得到
\[ K_2=\frac{x^2}{C-x}. \]
整理并取正根,
\[ x^2+K_2x-K_2C=0, \]
\[ x=\frac{\sqrt{K_2^2+4K_2C}-K_2}{2} =6.06429\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
因此
\[ \alpha=\frac{x}{C} =6.06429\times10^{-3} \approx\boxed{0.606\%}. \]
此时电离程度更大,说明了同离子效应:在混合溶液中,乙酸提供的水合氢离子抑制了次氯酸的电离。
3.3 混合溶液的 pH
利用第 3.1 部分得到的水合氢离子浓度,
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}} \right) =-\log_{10}(1.25623\times10^{-4}) =3.90093. \]
因此,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=3.90}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1973 · Теоретическая задача 3
Диссоциация уксусной и хлорноватистой кислот в смеси
Равные объёмы (\(10\ \mathrm{cm^3}\)) 0.01-молярных растворов \(\ce{CH3COOH}\) и \(\ce{HClO}\) смешали, а затем разбавили до общего объёма \(100\ \mathrm{cm^3}\). Константа диссоциации \(\ce{CH3COOH}\) равна \(1.8\times10^{-5}\), а для \(\ce{HClO}\) она составляет \(3{,}7\times10^{-8}\).
Задания:
Рассчитайте:
3.1 степень диссоциации каждой из кислот в растворе,
3.2 степень диссоциации \(\ce{HClO}\), если бы разбавленный раствор не содержал \(\ce{CH3COOH}\),
3.3 значение pH раствора, содержащего одновременно \(\ce{CH3COOH}\) и \(\ce{HClO}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 3.1 В смеси:
- Уксусная кислота,
CC(=O)O: \(\alpha=0.125\), или \(12.5\%\). - Хлорноватистая кислота,
OCl: \(\alpha=2.94\times10^{-4}\), или \(0.0294\%\). - 3.2 Хлорноватистая кислота в отсутствие уксусной кислоты: \(\alpha=6.06\times10^{-3}\), или \(0.606\%\).
- 3.3 Для смеси \(\mathrm{pH}=3.90\).
Решение
Используем концентрации вместо активностей и пренебрегаем автопротолизом воды. Помимо двух названных выше кислот, в системе присутствуют вода, O; ион гидроксония, [OH3+]; ацетат-ион, CC(=O)[O-]; и гипохлорит-ион, [O-]Cl.
3.1 Степень диссоциации каждой кислоты в смеси
После разбавления аналитическая концентрация каждой кислоты одинакова:
\[ C=(0.01\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) \frac{10\ \mathrm{cm^3}}{100\ \mathrm{cm^3}} =1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Равновесия диссоциации имеют вид
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}, \]
\[ \ce{HClO + H2O <=> ClO- + H3O+}. \]
В обоих равновесиях концентрация ионов гидроксония одна и та же:
\[ h=[\ce{H3O+}]. \]
Пусть \(\alpha_1\) и \(\alpha_2\) — степени диссоциации уксусной и хлорноватистой кислот соответственно. Их равновесные концентрации равны
\[ \begin{aligned} [\ce{CH3COO-}]&=C\alpha_1, & [\ce{CH3COOH}]&=C(1-\alpha_1),\\ [\ce{ClO-}]&=C\alpha_2, & [\ce{HClO}]&=C(1-\alpha_2). \end{aligned} \]
Следовательно,
\[ K_1=\frac{h\alpha_1}{1-\alpha_1}, \qquad K_2=\frac{h\alpha_2}{1-\alpha_2}, \]
откуда
\[ \alpha_1=\frac{K_1}{h+K_1}, \qquad \alpha_2=\frac{K_2}{h+K_2}. \]
Здесь и далее концентрации, входящие в выражения для констант равновесия, выражены в \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
Условие электронейтральности требует
\[ h=[\ce{CH3COO-}]+[\ce{ClO-}] =C(\alpha_1+\alpha_2). \]
Таким образом, \(h\) удовлетворяет уравнению
\[ h=C\left(\frac{K_1}{h+K_1} +\frac{K_2}{h+K_2}\right). \]
Подставляя \(C=1.0\times10^{-3}\), \(K_1=1.8\times10^{-5}\) и \(K_2=3.7\times10^{-8}\), получаем положительное решение
\[ h=1.25623\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Следовательно,
\[ \alpha_1 =\frac{1.8\times10^{-5}} {1.25623\times10^{-4}+1.8\times10^{-5}} =0.125328 \approx\boxed{12.5\%}, \]
\[ \alpha_2 =\frac{3.7\times10^{-8}} {1.25623\times10^{-4}+3.7\times10^{-8}} =2.94446\times10^{-4} \approx\boxed{0.0294\%}. \]
Уксусная кислота диссоциирует в достаточной степени, поэтому учёт уменьшения её концентрации с помощью множителя \(1-\alpha_1\) заметно повышает точность расчёта.
3.2 Степень диссоциации хлорноватистой кислоты в отсутствие уксусной кислоты
Её аналитическая концентрация остаётся равной
\[ C=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
В отсутствие уксусной кислоты положим
\[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{ClO-}]. \]
Тогда \([\ce{HClO}]=C-x\), откуда
\[ K_2=\frac{x^2}{C-x}. \]
Преобразуя уравнение и выбирая положительный корень, получаем
\[ x^2+K_2x-K_2C=0, \]
\[ x=\frac{\sqrt{K_2^2+4K_2C}-K_2}{2} =6.06429\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Отсюда
\[ \alpha=\frac{x}{C} =6.06429\times10^{-3} \approx\boxed{0.606\%}. \]
Более высокая степень диссоциации в этом случае иллюстрирует влияние общего иона: ионы гидроксония, образующиеся при диссоциации уксусной кислоты, подавляют диссоциацию хлорноватистой кислоты в смеси.
3.3 pH смеси
Используя концентрацию ионов гидроксония, полученную в пункте 3.1, находим
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}} \right) =-\log_{10}(1.25623\times10^{-4}) =3.90093. \]
Таким образом,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=3.90}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1973 · مسألة نظرية 3
تأين حمضي الأسيتيك والهيبوكلوروز في مزيج
مُزج حجمان متساويان (\(10\ \mathrm{cm^3}\)) من محلولين تركيز كل منهما 0.01 مولاري، أحدهما من \(\ce{CH3COOH}\) والآخر من \(\ce{HClO}\)، ثم خُفّف المزيج إلى حجم كلي قدره \(100\ \mathrm{cm^3}\). ثابت تأين \(\ce{CH3COOH}\) يساوي \(1.8\times10^{-5}\)، وثابت تأين \(\ce{HClO}\) هو \(3{,}7\times10^{-8}\).
المطلوب:
احسب:
3.1 درجة تأين كل من الحمضين في المحلول،
3.2 درجة تأين \(\ce{HClO}\) لو لم يحتوِ المحلول المخفف على \(\ce{CH3COOH}\)،
3.3 قيمة الأس الهيدروجيني للمحلول الذي يحتوي في الوقت نفسه على \(\ce{CH3COOH}\) و\(\ce{HClO}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 3.1 في المزيج:
- حمض الأسيتيك،
CC(=O)O: \(\alpha=0.125\)، أي \(12.5\%\). - حمض الهيبوكلوروز،
OCl: \(\alpha=2.94\times10^{-4}\)، أي \(0.0294\%\). - 3.2 حمض الهيبوكلوروز وحده: \(\alpha=6.06\times10^{-3}\)، أي \(0.606\%\).
- 3.3 الأس الهيدروجيني للمزيج هو \(\mathrm{pH}=3.90\).
الحل
نستخدم التراكيز بدلًا من الفعاليات ونهمل التأين الذاتي للماء. وإلى جانب الحمضين المذكورين أعلاه، تشمل الأنواع الكيميائية المعنية الماء، O؛ وأيون الهيدرونيوم، [OH3+]؛ وأيون الأسيتات، CC(=O)[O-]؛ وأيون الهيبوكلوريت، [O-]Cl.
3.1 درجة تأين كل حمض في المزيج
ينتج عن التخفيف التركيز التحليلي نفسه لكل حمض:
\[ C=(0.01\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) \frac{10\ \mathrm{cm^3}}{100\ \mathrm{cm^3}} =1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
اتزانا التأين هما
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+}, \]
\[ \ce{HClO + H2O <=> ClO- + H3O+}. \]
يشترك كلا الاتزانين في تركيز أيونات الهيدرونيوم نفسه،
\[ h=[\ce{H3O+}]. \]
لتكن \(\alpha_1\) و\(\alpha_2\) درجتي تأين حمض الأسيتيك وحمض الهيبوكلوروز، على الترتيب. تراكيز الأنواع عند الاتزان هي
\[ \begin{aligned} [\ce{CH3COO-}]&=C\alpha_1, & [\ce{CH3COOH}]&=C(1-\alpha_1),\\ [\ce{ClO-}]&=C\alpha_2, & [\ce{HClO}]&=C(1-\alpha_2). \end{aligned} \]
وبناءً على ذلك،
\[ K_1=\frac{h\alpha_1}{1-\alpha_1}, \qquad K_2=\frac{h\alpha_2}{1-\alpha_2}, \]
ومن ثم
\[ \alpha_1=\frac{K_1}{h+K_1}, \qquad \alpha_2=\frac{K_2}{h+K_2}. \]
هنا وفيما يلي، يُعبَّر عن التراكيز الواردة في عبارات الاتزان بوحدة \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
يقتضي التعادل الكهربائي أن يكون
\[ h=[\ce{CH3COO-}]+[\ce{ClO-}] =C(\alpha_1+\alpha_2). \]
إذن يحقق \(h\) المعادلة
\[ h=C\left(\frac{K_1}{h+K_1} +\frac{K_2}{h+K_2}\right). \]
بالتعويض بالقيم \(C=1.0\times10^{-3}\)، و\(K_1=1.8\times10^{-5}\)، و\(K_2=3.7\times10^{-8}\)، يكون الحل الموجب
\[ h=1.25623\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
وعليه،
\[ \alpha_1 =\frac{1.8\times10^{-5}} {1.25623\times10^{-4}+1.8\times10^{-5}} =0.125328 \approx\boxed{12.5\%}, \]
\[ \alpha_2 =\frac{3.7\times10^{-8}} {1.25623\times10^{-4}+3.7\times10^{-8}} =2.94446\times10^{-4} \approx\boxed{0.0294\%}. \]
يتأين حمض الأسيتيك بدرجة كبيرة بما يكفي لجعل أخذ تناقص تركيزه في الحسبان، من خلال العامل \(1-\alpha_1\)، يحسّن دقة الحساب تحسّنًا ملحوظًا.
3.2 درجة تأين حمض الهيبوكلوروز وحده
يبقى تركيزه التحليلي
\[ C=1.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
في غياب حمض الأسيتيك، لنضع
\[ x=[\ce{H3O+}]=[\ce{ClO-}]. \]
عندئذٍ يكون \([\ce{HClO}]=C-x\)، مما يعطي
\[ K_2=\frac{x^2}{C-x}. \]
بإعادة الترتيب وأخذ الجذر الموجب،
\[ x^2+K_2x-K_2C=0, \]
\[ x=\frac{\sqrt{K_2^2+4K_2C}-K_2}{2} =6.06429\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
ومن ثم
\[ \alpha=\frac{x}{C} =6.06429\times10^{-3} \approx\boxed{0.606\%}. \]
توضح زيادة التأين في هذه الحالة تأثير الأيون المشترك: فأيونات الهيدرونيوم التي يزوّد بها حمض الأسيتيك المحلول تثبط تأين حمض الهيبوكلوروز في المزيج.
3.3 الأس الهيدروجيني للمزيج
باستخدام تركيز أيونات الهيدرونيوم الذي حُسب في الجزء 3.1،
\[ \mathrm{pH} =-\log_{10}\left( \frac{[\ce{H3O+}]}{1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}} \right) =-\log_{10}(1.25623\times10^{-4}) =3.90093. \]
إذن،
\[ \boxed{\mathrm{pH}=3.90}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.