IChO 1977 · Theory problem 5
Solubility of two copper(I) salts in a buffer
Two copper(I) salts of the organic acids \(\ce{HA}\) and \(\ce{HB}\), slightly soluble in water, form a saturated solution in buffer of a given pH.
Problems:
5.1 What will be the concentration of \(\ce{Cu+}\) cations in the solution if the solubility products of the two salts are \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})\) and \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})\) and the ionisation constants of the acids are \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})\) and \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})\)?
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \sqrt{ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) }} \] Here \(h=[\ce{H+}]=10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) in the ideal-solution approximation, with equilibrium constants expressed in concentration form.
Solution
5.1
Let \(c=[\ce{Cu+}]\), the concentration of the copper(I) ion ([Cu+]), and \(h=[\ce{H+}]\), the concentration of the hydrogen ion, or proton ([H+]).
The structures of the organic acids \(\ce{HA}\) and \(\ce{HB}\), their conjugate-base anions \(\ce{A-}\) and \(\ce{B-}\), and their salts are unspecified, so unique names and SMILES cannot be assigned to them.
We use the intended equilibrium model: the solution is saturated with respect to both salts, the buffer fixes the pH without supplying either acid residue, and copper remains as free \(\ce{Cu+}\).
The dissolution equilibria are \[ \ce{CuA(s) <=> Cu+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{CuB(s) <=> Cu+(aq) + B-(aq)}. \] Consequently, \[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})=c[\ce{A-}], \qquad K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})=c[\ce{B-}], \] and hence \[ [\ce{A-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c}, \qquad [\ce{B-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c}. \]
The acid dissociation equilibria are \[ \ce{HA(aq) <=> H+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{HB(aq) <=> H+(aq) + B-(aq)}. \] Their constants give \[ [\ce{HA}]=\frac{h[\ce{A-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}, \qquad [\ce{HB}]=\frac{h[\ce{B-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}. \]
Every mole of either salt dissolved supplies one mole of copper and one mole of the corresponding acid residue. Protonation preserves the total amount of each residue. Thus the material balance is \[ c=[\ce{A-}]+[\ce{HA}]+[\ce{B-}]+[\ce{HB}]. \] Substituting the equilibrium expressions, \[ c= \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right). \] Multiplying by \(c\) and taking the positive square root yields \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \left[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) \right]^{1/2} }. \]
In concentration form, \(h/K_{\mathrm{a}}\) is dimensionless and each \(K_{\mathrm{s}}\) has units \(\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\), giving the required concentration in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\). No numerical values are supplied.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1977 · Theorieaufgabe 5
Löslichkeit zweier Kupfer(I)-Salze in einer Pufferlösung
Zwei in Wasser schwer lösliche Kupfer(I)-Salze der organischen Säuren \(\ce{HA}\) und \(\ce{HB}\) bilden in einer Pufferlösung mit einem vorgegebenen pH-Wert eine gesättigte Lösung.
Aufgaben:
5.1 Wie hoch ist die Konzentration der \(\ce{Cu+}\)-Kationen in der Lösung, wenn die Löslichkeitsprodukte der beiden Salze \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})\) und \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})\) und die Säurekonstanten der Säuren \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})\) und \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})\) sind?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \sqrt{ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) }} \] Hier gilt in der Näherung einer idealen Lösung \(h=[\ce{H+}]=10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), wobei die Gleichgewichtskonstanten in Konzentrationsform ausgedrückt werden.
Lösung
5.1
Es sei \(c=[\ce{Cu+}]\) die Konzentration des Kupfer(I)-Ions ([Cu+]) und \(h=[\ce{H+}]\) die Konzentration des Wasserstoffions oder Protons ([H+]).
Die Strukturen der organischen Säuren \(\ce{HA}\) und \(\ce{HB}\), ihrer konjugierten Basen, der Anionen \(\ce{A-}\) und \(\ce{B-}\), sowie ihrer Salze sind nicht angegeben, sodass ihnen keine eindeutigen Namen und SMILES zugeordnet werden können.
Wir verwenden das der Aufgabe zugrunde liegende Gleichgewichtsmodell: Die Lösung ist bezüglich beider Salze gesättigt, der Puffer hält den pH-Wert fest, ohne einen der beiden Säurereste einzubringen, und Kupfer liegt weiterhin als freies \(\ce{Cu+}\) vor.
Die Lösungsgleichgewichte lauten \[ \ce{CuA(s) <=> Cu+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{CuB(s) <=> Cu+(aq) + B-(aq)}. \] Folglich gilt \[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})=c[\ce{A-}], \qquad K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})=c[\ce{B-}], \] und damit \[ [\ce{A-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c}, \qquad [\ce{B-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c}. \]
Die Dissoziationsgleichgewichte der Säuren lauten \[ \ce{HA(aq) <=> H+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{HB(aq) <=> H+(aq) + B-(aq)}. \] Aus ihren Gleichgewichtskonstanten folgt \[ [\ce{HA}]=\frac{h[\ce{A-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}, \qquad [\ce{HB}]=\frac{h[\ce{B-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}. \]
Jedes Mol eines der beiden Salze, das sich löst, liefert ein Mol Kupfer und ein Mol des entsprechenden Säurerests. Bei der Protonierung bleibt die Gesamtstoffmenge jedes Säurerests erhalten. Somit lautet die Stoffbilanz \[ c=[\ce{A-}]+[\ce{HA}]+[\ce{B-}]+[\ce{HB}]. \] Durch Einsetzen der Gleichgewichtsausdrücke erhält man \[ c= \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right). \] Multiplikation mit \(c\) und Ziehen der positiven Quadratwurzel ergibt \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \left[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) \right]^{1/2} }. \]
In Konzentrationsform ist \(h/K_{\mathrm{a}}\) dimensionslos, und jedes \(K_{\mathrm{s}}\) hat die Einheit \(\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\), sodass sich die gesuchte Konzentration in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) ergibt. Es sind keine Zahlenwerte angegeben.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1977 · Teori sorusu 5
İki bakır(I) tuzunun tampon çözeltideki çözünürlüğü
Organik asitler \(\ce{HA}\) ve \(\ce{HB}\)'nin suda az çözünen iki bakır(I) tuzu, belirli bir pH değerine sahip tampon çözeltide doygun bir çözelti oluşturur.
Sorular:
5.1 İki tuzun çözünürlük çarpımları \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})\) ve \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})\), asitlerin iyonlaşma sabitleri ise \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})\) ve \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})\) olduğuna göre, çözeltideki \(\ce{Cu+}\) katyonlarının derişimi ne olur?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \sqrt{ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) }} \] Burada, ideal çözelti yaklaşımında ve denge sabitleri derişimler cinsinden ifade edildiğinde, \(h=[\ce{H+}]=10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) olur.
Çözüm
5.1
Bakır(I) iyonunun ([Cu+]) derişimini \(c=[\ce{Cu+}]\), hidrojen iyonunun, diğer adıyla protonun ([H+]), derişimini ise \(h=[\ce{H+}]\) olarak tanımlayalım.
Organik asitler \(\ce{HA}\) ve \(\ce{HB}\)'nin, bunların eşlenik baz anyonları \(\ce{A-}\) ve \(\ce{B-}\)'nin ve tuzlarının yapıları belirtilmediğinden, bunlara özgü adlar ve SMILES gösterimleri atanamaz.
Soruda amaçlanan denge modelini kullanıyoruz: çözelti her iki tuz açısından da doygundur, tampon çözelti asit köklerinden herhangi birini sağlamadan pH değerini sabit tutar ve bakır serbest \(\ce{Cu+}\) hâlinde kalır.
Çözünme dengeleri şöyledir: \[ \ce{CuA(s) <=> Cu+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{CuB(s) <=> Cu+(aq) + B-(aq)}. \] Buna göre, \[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})=c[\ce{A-}], \qquad K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})=c[\ce{B-}], \] ve dolayısıyla \[ [\ce{A-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c}, \qquad [\ce{B-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c}. \]
Asitlerin ayrışma dengeleri şöyledir: \[ \ce{HA(aq) <=> H+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{HB(aq) <=> H+(aq) + B-(aq)}. \] Bu dengelerin sabitlerinden aşağıdaki ifadeler elde edilir: \[ [\ce{HA}]=\frac{h[\ce{A-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}, \qquad [\ce{HB}]=\frac{h[\ce{B-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}. \]
Tuzlardan hangisi çözünürse çözünsün, çözünen her bir mol tuz bir mol bakır ve bir mol ilgili asit kökü sağlar. Protonlanma, her bir asit kökünün toplam miktarını korur. Bu nedenle madde denkliği şöyledir: \[ c=[\ce{A-}]+[\ce{HA}]+[\ce{B-}]+[\ce{HB}]. \] Denge ifadeleri yerine konulduğunda, \[ c= \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right). \] Her iki taraf \(c\) ile çarpılıp pozitif karekök alındığında şu sonuç elde edilir: \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \left[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) \right]^{1/2} }. \]
Derişimler cinsinden ifade edildiğinde, \(h/K_{\mathrm{a}}\) boyutsuzdur ve her bir \(K_{\mathrm{s}}\)'nin birimi \(\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\) olduğundan, istenen derişim \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) biriminde elde edilir. Sayısal değer verilmemiştir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1977 · Problema teórico 5
Solubilidad de dos sales de cobre(I) en una disolución tampón
Dos sales de cobre(I) de los ácidos orgánicos \(\ce{HA}\) y \(\ce{HB}\), poco solubles en agua, forman una disolución saturada en una disolución tampón de pH dado.
Problemas:
5.1 ¿Cuál será la concentración de cationes \(\ce{Cu+}\) en la disolución si los productos de solubilidad de las dos sales son \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})\) y \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})\) y las constantes de ionización de los ácidos son \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})\) y \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})\)?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \sqrt{ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) }} \] Aquí \(h=[\ce{H+}]=10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) en la aproximación de disolución ideal, con las constantes de equilibrio expresadas en términos de concentraciones.
Solución
5.1
Sean \(c=[\ce{Cu+}]\), la concentración del ion cobre(I) ([Cu+]), y \(h=[\ce{H+}]\), la concentración del ion hidrógeno, o protón ([H+]).
No se especifican las estructuras de los ácidos orgánicos \(\ce{HA}\) y \(\ce{HB}\), de los aniones de sus bases conjugadas \(\ce{A-}\) y \(\ce{B-}\), ni de sus sales, por lo que no se les pueden asignar nombres ni SMILES unívocos.
Utilizamos el modelo de equilibrio previsto: la disolución está saturada con respecto a ambas sales, la disolución tampón fija el pH sin aportar ninguno de los dos residuos ácidos y el cobre permanece como \(\ce{Cu+}\) libre.
Los equilibrios de disolución son \[ \ce{CuA(s) <=> Cu+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{CuB(s) <=> Cu+(aq) + B-(aq)}. \] Por consiguiente, \[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})=c[\ce{A-}], \qquad K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})=c[\ce{B-}], \] y, por tanto, \[ [\ce{A-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c}, \qquad [\ce{B-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c}. \]
Los equilibrios de disociación de los ácidos son \[ \ce{HA(aq) <=> H+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{HB(aq) <=> H+(aq) + B-(aq)}. \] A partir de sus constantes se obtiene \[ [\ce{HA}]=\frac{h[\ce{A-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}, \qquad [\ce{HB}]=\frac{h[\ce{B-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}. \]
Cada mol disuelto de cualquiera de las dos sales aporta un mol de cobre y un mol del residuo ácido correspondiente. La protonación conserva la cantidad total de cada residuo. Así, el balance de materia es \[ c=[\ce{A-}]+[\ce{HA}]+[\ce{B-}]+[\ce{HB}]. \] Al sustituir las expresiones de equilibrio, \[ c= \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right). \] Al multiplicar por \(c\) y tomar la raíz cuadrada positiva, se obtiene \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \left[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) \right]^{1/2} }. \]
En términos de concentraciones, \(h/K_{\mathrm{a}}\) es adimensional y cada \(K_{\mathrm{s}}\) tiene unidades de \(\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\), lo que da la concentración requerida en \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\). No se proporcionan valores numéricos.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1977 · 理论题 5
两种铜(I)盐在缓冲溶液中的溶解度
有机酸 \(\ce{HA}\) 和 \(\ce{HB}\) 的两种铜(I)盐均微溶于水,在给定 pH 的缓冲溶液中形成饱和溶液。
问题:
5.1 若这两种盐的溶度积分别为 \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})\) 和 \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})\),两种酸的电离常数分别为 \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})\) 和 \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})\),则溶液中 \(\ce{Cu+}\) 阳离子的浓度是多少?
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \sqrt{ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) }} \] 这里,在理想溶液近似下,\(h=[\ce{H+}]=10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),平衡常数均以浓度形式表示。
解答
5.1
设 \(c=[\ce{Cu+}]\) 为铜(I)离子([Cu+])的浓度,\(h=[\ce{H+}]\) 为氢离子,即质子([H+])的浓度。
题目未指明有机酸 \(\ce{HA}\) 和 \(\ce{HB}\)、它们的共轭碱阴离子 \(\ce{A-}\) 和 \(\ce{B-}\) 及其盐的结构,因此无法为它们指定唯一的名称和 SMILES。
我们采用题目所预期的平衡模型:溶液对两种盐均达到饱和,缓冲溶液固定 pH 而不提供任何一种酸根,且铜以游离的 \(\ce{Cu+}\) 形式存在。
溶解平衡为 \[ \ce{CuA(s) <=> Cu+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{CuB(s) <=> Cu+(aq) + B-(aq)}. \] 因此, \[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})=c[\ce{A-}], \qquad K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})=c[\ce{B-}], \] 从而 \[ [\ce{A-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c}, \qquad [\ce{B-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c}. \]
酸的电离平衡为 \[ \ce{HA(aq) <=> H+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{HB(aq) <=> H+(aq) + B-(aq)}. \] 由其电离常数可得 \[ [\ce{HA}]=\frac{h[\ce{A-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}, \qquad [\ce{HB}]=\frac{h[\ce{B-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}. \]
任一种盐每溶解一摩尔,都会提供一摩尔铜和一摩尔相应的酸根。质子化不改变每种酸根的总量。因此,物料衡算关系为 \[ c=[\ce{A-}]+[\ce{HA}]+[\ce{B-}]+[\ce{HB}]. \] 代入上述平衡关系式,得 \[ c= \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right). \] 两边乘以 \(c\),再取正平方根,得 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \left[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) \right]^{1/2} }. \]
以浓度形式表示时,\(h/K_{\mathrm{a}}\) 是无量纲的,而每个 \(K_{\mathrm{s}}\) 的单位均为 \(\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\),因此所得浓度的单位为所要求的 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)。题目未提供数值。
解答已与官方解答核对。
IChO 1977 · Теоретическая задача 5
Растворимость двух солей меди(I) в буферном растворе
Две малорастворимые в воде соли меди(I) органических кислот \(\ce{HA}\) и \(\ce{HB}\) образуют насыщенный раствор в буферном растворе с заданным pH.
Вопросы:
5.1 Какова будет концентрация катионов \(\ce{Cu+}\) в растворе, если произведения растворимости этих двух солей равны \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})\) и \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})\), а константы ионизации кислот — \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})\) и \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})\)?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \sqrt{ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) }} \] Здесь \(h=[\ce{H+}]=10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) в приближении идеального раствора, причём константы равновесия выражены через концентрации.
Решение
5.1
Пусть \(c=[\ce{Cu+}]\) — концентрация иона меди(I) ([Cu+]), а \(h=[\ce{H+}]\) — концентрация иона водорода, или протона ([H+]).
Структуры органических кислот \(\ce{HA}\) и \(\ce{HB}\), анионов сопряжённых с ними оснований \(\ce{A-}\) и \(\ce{B-}\), а также их солей не указаны, поэтому им нельзя однозначно присвоить названия и записи SMILES.
Используем подразумеваемую модель равновесия: раствор насыщен по отношению к обеим солям, буфер поддерживает постоянный pH, не внося ни одного из кислотных остатков, а медь остаётся в виде свободных ионов \(\ce{Cu+}\).
Равновесия растворения имеют вид \[ \ce{CuA(s) <=> Cu+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{CuB(s) <=> Cu+(aq) + B-(aq)}. \] Следовательно, \[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})=c[\ce{A-}], \qquad K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})=c[\ce{B-}], \] и отсюда \[ [\ce{A-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c}, \qquad [\ce{B-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c}. \]
Равновесия диссоциации кислот имеют вид \[ \ce{HA(aq) <=> H+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{HB(aq) <=> H+(aq) + B-(aq)}. \] Из выражений для их констант следует \[ [\ce{HA}]=\frac{h[\ce{A-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}, \qquad [\ce{HB}]=\frac{h[\ce{B-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}. \]
При растворении каждого моля любой из солей в раствор поступают один моль меди и один моль соответствующего кислотного остатка. Протонирование сохраняет общее количество каждого остатка. Таким образом, материальный баланс имеет вид \[ c=[\ce{A-}]+[\ce{HA}]+[\ce{B-}]+[\ce{HB}]. \] Подставляя равновесные выражения, получаем \[ c= \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right). \] Умножая на \(c\) и извлекая положительный квадратный корень, получаем \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \left[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) \right]^{1/2} }. \]
При выражении констант через концентрации отношение \(h/K_{\mathrm{a}}\) безразмерно, а каждое произведение растворимости \(K_{\mathrm{s}}\) имеет единицы измерения \(\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\), что даёт искомую концентрацию в \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\). Численные значения не приведены.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1977 · مسألة نظرية 5
ذوبانية ملحين للنحاس(I) في محلول منظم
يشكّل ملحان للنحاس(I) من الحمضين العضويين \(\ce{HA}\) و\(\ce{HB}\)، قليلا الذوبان في الماء، محلولًا مشبعًا في محلول منظم ذي أس هيدروجيني محدد.
المطلوب:
5.1 ما تركيز كاتيونات \(\ce{Cu+}\) في المحلول إذا كان حاصلا الإذابة للملحين هما \(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})\) و\(K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})\)، وكان ثابتا تأين الحمضين هما \(K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})\) و\(K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})\)؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1 \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \sqrt{ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) }} \] هنا \(h=[\ce{H+}]=10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) في تقريب المحلول المثالي، مع التعبير عن ثوابت الاتزان بدلالة التراكيز.
الحل
5.1
ليكن \(c=[\ce{Cu+}]\) تركيز أيون النحاس(I) ([Cu+])، و\(h=[\ce{H+}]\) تركيز أيون الهيدروجين، أو البروتون ([H+]).
لم تُحدَّد بُنى الحمضين العضويين \(\ce{HA}\) و\(\ce{HB}\)، ولا أنيوني قاعدتيهما المترافقتين \(\ce{A-}\) و\(\ce{B-}\)، ولا أملاحهما، لذا لا يمكن تعيين أسماء أو تمثيلات SMILES فريدة لها.
نستخدم نموذج الاتزان المقصود: المحلول مشبع بالنسبة إلى كلا الملحين، ويثبّت المحلول المنظم الأس الهيدروجيني دون أن يزوّد المحلول بأيٍّ من الشقين الحمضيين، ويبقى النحاس على هيئة \(\ce{Cu+}\) حر.
اتزانا الذوبان هما \[ \ce{CuA(s) <=> Cu+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{CuB(s) <=> Cu+(aq) + B-(aq)}. \] وبالتالي، \[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})=c[\ce{A-}], \qquad K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})=c[\ce{B-}], \] ومن ثم \[ [\ce{A-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c}, \qquad [\ce{B-}]=\frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c}. \]
اتزانا تفكك الحمضين هما \[ \ce{HA(aq) <=> H+(aq) + A-(aq)}, \qquad \ce{HB(aq) <=> H+(aq) + B-(aq)}. \] ومن ثابتيهما نحصل على \[ [\ce{HA}]=\frac{h[\ce{A-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}, \qquad [\ce{HB}]=\frac{h[\ce{B-}]}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}. \]
كل مول يذوب من أيٍّ من الملحين يزوّد المحلول بمول واحد من النحاس ومول واحد من الشق الحمضي المقابل. وتحافظ البروتنة على الكمية الكلية لكل شق. لذا فإن موازنة المادة هي \[ c=[\ce{A-}]+[\ce{HA}]+[\ce{B-}]+[\ce{HB}]. \] بالتعويض بتعابير الاتزان، \[ c= \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + \frac{K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB})}{c} \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right). \] بالضرب في \(c\) وأخذ الجذر التربيعي الموجب نحصل على \[ \boxed{ [\ce{Cu+}] = \left[ K_{\mathrm{s}}(\ce{CuA}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HA})}\right) + K_{\mathrm{s}}(\ce{CuB}) \left(1+\frac{h}{K_{\mathrm{a}}(\ce{HB})}\right) \right]^{1/2} }. \]
عند التعبير بدلالة التراكيز، تكون النسبة \(h/K_{\mathrm{a}}\) عديمة الأبعاد، وتكون وحدات كل \(K_{\mathrm{s}}\) هي \(\mathrm{mol^2\,L^{-2}}\)، مما يعطي التركيز المطلوب بوحدة \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\). لم تُعطَ أي قيم عددية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.