IChO 1992 · Theory problem 7
Determination of chloride in Chesapeake Bay water
When the fresh-water rivers that run into the Chesapeake Bay flood after heavy rains in the spring, the increase in fresh water in the Bay causes a decrease in the salinity in the areas where oysters grow. The minimum concentration of chloride ions needed in oyster beds for normal growth is 8 ppm (\(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)).
After one week of heavy rain, the following analysis is done on water from the bay. To a \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) sample of bay water a few drops of a \(\ce{K2CrO4}\) solution are added. The sample is then titrated with \(16.16\ \mathrm{cm^3}\) of a 0.00164 M \(\ce{AgNO3}\) solution. After \(\ce{AgNO3}\) solution has been added to the sample a bright red-orange precipitate forms.
7.1 What is the molar concentration of chloride in the sample?
7.2 Does the water contain sufficient chloride for the normal growth of oysters? Show your calculation.
7.3 Write a balanced equation for the reaction of the analyte with the titrant.
7.4 Write a balanced net-ionic equation that describes the reaction responsible for the colour change at the endpoint of the titration. Which compound produces the brick-red colour?
7.5 The concentration of chromate at the endpoint is 0.020 M. Calculate the concentration of chloride ions in the solution when the red precipitate forms.
7.6 For this titration to work most effectively, the solution being titrated must be neutral or slightly basic. Write a balanced equation for the competing reaction that would occur in acidic medium that would influence the observed endpoint of this titration.
Typically, a buffer is added to the solution being titrated to control the pH if the initial sample is acidic. Suppose the pH of the sample of bay water was 5.10, thus too acidic to perform the analysis accurately.
7.7 Select a buffer from the list that would enable you to establish and maintain a pH of 7.20 in aqueous medium. Show the calculations which lead to your choice.
| Buffer systems | \(K_\mathrm{a}\) of weak acid | |
|---|---|---|
| 1. | 0.10 M lactic acid / 0.10 M sodium lactate | \(1.4\times10^{-4}\) |
| 2. | 0.10 M acetic acid / 0.10 M sodium acetate | \(1.8\times10^{-5}\) |
| 3. | 0.10 M sodium dihydrogen phosphate / / 0.10 M sodium hydrogen phosphate |
\(6.2\times10^{-8}\) |
| 4. | 0.10 M ammonium chloride / 0.10 M ammonia | \(5.6\times10^{-10}\) |
7.8 Using the selected buffer system, calculate the mass (in g) of weak acid and of conjugated base you would need to dissolve in distilled water to prepare \(500\ \mathrm{cm^3}\) of a stock solution buffered at a pH of 7.2.
7.9 The chloride concentration in another \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) sample of bay water was determined by the Volhard method. In this method an excess of \(\ce{AgNO3}\) is added to the sample. The excess \(\ce{Ag+}\) is titrated with standardized \(\ce{KSCN}\), forming a precipitate of \(\ce{AgSCN}\). The endpoint is signalled by the formation of the reddish-brown \(\ce{FeSCN^2+}\) complex that forms when \(\ce{Ag+}\) is depleted. If the excess \(\ce{Ag+}\) from the addition of \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) of 0.00129 M \(\ce{AgNO3}\) to the water sample required \(27.46\ \mathrm{cm^3}\) of \(1.41\,10^{-3}\) M \(\ce{KSCN}\) for titration, calculate the concentration of chloride in the bay water sample.
In natural waters with much higher concentration of \(\ce{Cl-}\), the \(\ce{Cl-}\) can be determined gravimetrically by precipitating the \(\ce{Cl-}\) as \(\ce{AgCl}\). A complicating feature of this method is the fact that \(\ce{AgCl}\) is susceptible to photodecomposition as shown by the reaction:

Furthermore, if this photodecomposition occurs in the presence of excess \(\ce{Ag+}\), the following additional reaction occurs:

If 0.010 g of a 3.000 g sample of \(\ce{AgCl}\) contaminated with excess \(\ce{Ag+}\) undergoes photodecomposition by the above equations
7.10 Will the apparent weight of \(\ce{AgCl}\) be too high or too low? Explain your answer showing by how many grams the two values will differ.
Data:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl})=1.78\times10^{-10} \]
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})=1.00\times10^{-12} \]
Official English text of the problem.
Answers
- 7.1 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), using the usual stoichiometric endpoint approximation.
- 7.2 Yes. The chloride concentration is \(\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\), exceeding \(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.3 \(\boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}\).
- 7.4 \(\boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}\). Silver chromate produces the brick-red colour.
- 7.5 \(\boxed{[\ce{Cl-}]\approx2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 7.6 \(\boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}\).
- 7.7 Buffer 3, the dihydrogen phosphate/hydrogen phosphate pair: \[ \boxed{pK_\mathrm{a}=7.208,\qquad \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]}=0.983}. \]
- 7.8 For anhydrous salts, fixing the acid component at \(0.100\ \mathrm M\), use approximately \(\boxed{6.00\ \mathrm g\ \ce{NaH2PO4}}\) and \(\boxed{6.97\ \mathrm g\ \ce{Na2HPO4}}\), diluted to \(500\ \mathrm{cm^3}\). The nominal equal-\(0.10\ \mathrm M\) recipe uses \(6.00\ \mathrm g\) and \(7.10\ \mathrm g\), respectively, and gives pH \(7.208\approx7.2\).
- 7.9 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), equivalent to \(18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.10 The apparent mass is too high, by \(\boxed{0.0059\ \mathrm g}\); the measured solid has mass approximately \(\boxed{3.006\ \mathrm g}\).
Solution
Dot-disconnected SMILES below specify the ionic composition of salts. Their crystal lattices are not represented by these strings. Oxyanion SMILES give one formal bond and charge representation; the actual bonding includes resonance delocalization.
7.1
The chloride ion, [Cl-], reacts with the silver(I) ion, [Ag+], in a \(1:1\) molar ratio. Using the usual approximation that the observed endpoint represents stoichiometric equivalence,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cl-}) &=n(\ce{Ag+})\\ &=(0.00164\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (16.16\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.65024\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
The original sample volume is \(50.00\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3}\), so
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.65024\times10^{-5}} {50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
7.2
Using \(M(\ce{Cl})=35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \rho(\ce{Cl-}) &=(5.30048\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=0.0187902\ \mathrm{g\,dm^{-3}}\\ &=\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Since \(18.8>8\), the sample contains sufficient chloride for normal oyster growth under the criterion stated in the problem.
7.3
The analyte is chloride, and the reacting titrant species is silver(I). They form insoluble silver chloride, [Ag+].[Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}. \]
This net-ionic equation applies irrespective of the counterions originally accompanying chloride in the sample.
7.4
The indicator supplies chromate ions, [O-][Cr](=O)(=O)[O-]. Chromate has an approximately tetrahedral arrangement of oxygen atoms around chromium.
As the free silver(I) concentration rises, silver chromate precipitates:
\[ \boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}. \]
The brick-red solid is silver chromate, [Ag+].[Ag+].[O-][Cr](=O)(=O)[O-].
7.5
At the onset of silver chromate precipitation,
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4}) =[\ce{Ag+}]^2[\ce{CrO4^2-}]. \]
Consequently,
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{1.00\times10^{-12}}{0.020}} =7.071\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Solid silver chloride is also present, so its solubility equilibrium requires
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl}) =[\ce{Ag+}][\ce{Cl-}]. \]
Thus,
\[ \begin{aligned} [\ce{Cl-}] &=\frac{1.78\times10^{-10}}{7.071\times10^{-6}}\\ &=2.517\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
This is the dissolved chloride concentration in the titration mixture when the red precipitate first forms.
7.6
Acid converts chromate into dichromate:
\[ \boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}. \]
The species introduced here are the hydrogen ion (proton), [H+]; water, O; and the dichromate ion, [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr](=O)(=O)[O-]. Dichromate consists of two chromium–oxygen tetrahedra sharing one oxygen atom.
Increasing acidity shifts this equilibrium to the right, lowering the chromate concentration. Since precipitation requires
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})} {[\ce{CrO4^2-}]}}, \]
less chromate means that a higher silver(I) concentration is needed to produce the indicator precipitate. The endpoint is therefore delayed.
7.7
A buffer works most effectively when its acid and conjugate-base concentrations are comparable, so its \(pK_\mathrm a\) should be close to the desired pH.
From \(pK_\mathrm a=-\log_{10}K_\mathrm a\):
| Buffer number | \(pK_\mathrm a\) | Required base/acid ratio at pH 7.20 |
|---|---|---|
| 1 | 3.854 | \(2.22\times10^3\) |
| 2 | 4.745 | \(2.85\times10^2\) |
| 3 | 7.208 | \(0.983\) |
| 4 | 9.252 | \(8.88\times10^{-3}\) |
The ratios follow from the Henderson–Hasselbalch equation,
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+ \log_{10}\frac{[\text{conjugate base}]}{[\text{weak acid}]}. \]
Therefore, select buffer 3. Its weak acid is the dihydrogen phosphate ion, O=P(O)(O)[O-], and its conjugate base is the hydrogen phosphate ion, O=P(O)([O-])[O-]. Both have approximately tetrahedral coordination around phosphorus.
Their equilibrium is
\[ \ce{H2PO4-(aq) <=> H+(aq) + HPO4^2-(aq)}. \]
At pH 7.20,
\[ \begin{aligned} \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]} &=\frac{K_\mathrm a}{[\ce{H+}]}\\ &=\frac{6.2\times10^{-8}}{10^{-7.20}}\\ &=\boxed{0.9826\approx0.983}. \end{aligned} \]
The nearly equal amounts provide effective buffering. The base component neutralizes added acid through
\[ \ce{HPO4^2-(aq) + H+(aq) -> H2PO4-(aq)}. \]
7.8
Assume anhydrous salts:
- Sodium dihydrogen phosphate, \(\ce{NaH2PO4}\),
[Na+].O=P(O)(O)[O-], with \(M=119.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). - Disodium hydrogen phosphate, \(\ce{Na2HPO4}\),
[Na+].[Na+].O=P(O)([O-])[O-], with \(M=141.96\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Take the acid concentration as \(0.100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\), following the nominal concentration in the table. For \(500\ \mathrm{cm^3}=0.500\ \mathrm{dm^3}\),
\[ n(\ce{NaH2PO4}) =(0.100)(0.500)=0.0500\ \mathrm{mol}. \]
The required base amount is
\[ n(\ce{Na2HPO4}) =0.9826(0.0500) =0.04913\ \mathrm{mol}. \]
Therefore,
\[ m(\ce{NaH2PO4}) =(0.0500)(119.98) \approx\boxed{6.00\ \mathrm g}, \]
\[ m(\ce{Na2HPO4}) =(0.04913)(141.96) \approx\boxed{6.97\ \mathrm g}. \]
Dissolve both salts in distilled water and dilute to a final solution volume of \(500\ \mathrm{cm^3}\).
If the tabulated \(0.10\ \mathrm M/0.10\ \mathrm M\) composition is used directly, each component requires \(0.0500\ \mathrm{mol}\). The corresponding masses are \(6.00\ \mathrm g\) and \(7.10\ \mathrm g\), and
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+\log_{10}1=7.208\approx7.2. \]
Thus this nominal recipe also meets the pH stated to one decimal place in 7.8.
7.9
Thiocyanate ion, [S-]C#N, precipitates excess silver(I) as silver thiocyanate, [Ag+].[S-]C#N:
\[ \ce{Ag+(aq) + SCN-(aq) -> AgSCN(s)}. \]
Both the chloride precipitation and this back-titration have \(1:1\) stoichiometry. Hence,
\[ n(\ce{Cl-}) =n(\text{silver added})-n(\text{silver remaining}). \]
The amount of silver added is
\[ n_\mathrm{added} =(50.00\times10^{-3})(0.00129) =6.450\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
The thiocyanate titration measures
\[ n_\mathrm{remaining} =(27.46\times10^{-3})(1.41\times10^{-3}) =3.87186\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Therefore,
\[ n(\ce{Cl-}) =6.450\times10^{-5}-3.87186\times10^{-5} =2.57814\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Using the original water-sample volume,
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.57814\times10^{-5}}{50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
The corresponding mass concentration is
\[ (5.15628\times10^{-4})(35.45)(10^3) =\boxed{18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \]
7.10
Photodecomposition produces metallic silver, represented atomically by [Ag], and chlorine, ClCl:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)}. \]
The chlorine then reacts with excess silver(I):
\[ \ce{3Cl2(g) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
The soluble chlorine-containing product is chlorate ion, [O-][Cl](=O)=O.
For every six moles of silver chloride photodecomposed, three moles of chlorine form. These generate five moles of new silver chloride. The combined bookkeeping equation is
\[ \ce{6AgCl(s) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 6Ag(s) + 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Both metallic silver and newly precipitated silver chloride remain in the weighed solid.
Using
\[ M(\ce{AgCl})=107.87+35.45=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
the amount initially photodecomposed is
\[ n_\mathrm{decomp} =\frac{0.010}{143.32} =6.98\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
The retained metallic silver has mass
\[ m(\ce{Ag}) =\frac{0.010}{143.32}(107.87) =0.00753\ \mathrm g. \]
The newly formed silver chloride has mass
\[ m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} =\frac56\left(\frac{0.010}{143.32}\right)(143.32) =0.00833\ \mathrm g. \]
Thus the mass change is
\[ \begin{aligned} \Delta m &=m(\ce{Ag})+m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} -m(\ce{AgCl})_\mathrm{decomposed}\\ &=0.007526+0.008333-0.010\\ &=+0.00586\ \mathrm g. \end{aligned} \]
The apparent mass is therefore too high by approximately \(0.0059\ \mathrm g\):
\[ m_\mathrm{apparent} =3.000+0.00586 =3.00586\ \mathrm g \approx\boxed{3.006\ \mathrm g}. \]
The gain occurs because additional silver from solution becomes incorporated into the collected solid.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1992 · Theorieaufgabe 7
Bestimmung von Chlorid im Wasser der Chesapeake Bay
Wenn die Süßwasserflüsse, die in die Chesapeake Bay münden, nach starken Regenfällen im Frühjahr Hochwasser führen, bewirkt die Zunahme des Süßwasseranteils in der Bucht eine Abnahme des Salzgehalts in den Gebieten, in denen Austern wachsen. Die für ein normales Wachstum in Austernbänken erforderliche Mindestkonzentration an Chloridionen beträgt 8 ppm (\(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)).
Nach einer Woche mit starken Regenfällen wird Wasser aus der Bucht wie folgt analysiert. Zu einer \(50.00\ \mathrm{cm^3}\)-Probe des Wassers aus der Bucht werden einige Tropfen einer \(\ce{K2CrO4}\)-Lösung gegeben. Anschließend wird die Probe mit \(16.16\ \mathrm{cm^3}\) einer 0.00164 M \(\ce{AgNO3}\)-Lösung titriert. Nach der Zugabe der \(\ce{AgNO3}\)-Lösung zur Probe bildet sich ein leuchtend rotorangefarbener Niederschlag.
7.1 Wie groß ist die Stoffmengenkonzentration von Chlorid in der Probe?
7.2 Enthält das Wasser ausreichend Chlorid für das normale Wachstum von Austern? Zeigen Sie Ihre Berechnung.
7.3 Geben Sie eine ausgeglichene Gleichung für die Reaktion des Analyten mit dem Titrationsmittel an.
7.4 Geben Sie eine ausgeglichene Netto-Ionengleichung für die Reaktion an, die für den Farbumschlag am Endpunkt der Titration verantwortlich ist. Welche Verbindung erzeugt die ziegelrote Farbe?
7.5 Die Chromatkonzentration am Endpunkt beträgt 0.020 M. Berechnen Sie die Konzentration der Chloridionen in der Lösung zum Zeitpunkt der Bildung des roten Niederschlags.
7.6 Damit diese Titration optimal funktioniert, muss die zu titrierende Lösung neutral oder leicht basisch sein. Geben Sie eine ausgeglichene Gleichung für die konkurrierende Reaktion an, die in saurem Medium auftreten und den beobachteten Endpunkt dieser Titration beeinflussen würde.
Ist die ursprüngliche Probe sauer, wird der zu titrierenden Lösung üblicherweise ein Puffer zugesetzt, um den pH-Wert zu kontrollieren. Angenommen, der pH-Wert der Wasserprobe aus der Bucht betrug 5.10; sie war damit zu sauer, um die Analyse genau durchführen zu können.
7.7 Wählen Sie aus der Liste einen Puffer aus, mit dem Sie in wässrigem Medium einen pH-Wert von 7.20 einstellen und aufrechterhalten können. Zeigen Sie die Berechnungen, die zu Ihrer Wahl führen.
| Puffersysteme | \(K_\mathrm{a}\) der schwachen Säure | |
|---|---|---|
| 1. | 0.10 M Milchsäure / 0.10 M Natriumlactat | \(1.4\times10^{-4}\) |
| 2. | 0.10 M Essigsäure / 0.10 M Natriumacetat | \(1.8\times10^{-5}\) |
| 3. | 0.10 M Natriumdihydrogenphosphat / / 0.10 M Natriumhydrogenphosphat |
\(6.2\times10^{-8}\) |
| 4. | 0.10 M Ammoniumchlorid / 0.10 M Ammoniak | \(5.6\times10^{-10}\) |
7.8 Berechnen Sie für das ausgewählte Puffersystem die Massen (in g) der schwachen Säure und der konjugierten Base, die Sie in destilliertem Wasser lösen müssten, um \(500\ \mathrm{cm^3}\) einer auf einen pH-Wert von 7.2 gepufferten Stammlösung herzustellen.
7.9 Die Chloridkonzentration in einer weiteren \(50.00\ \mathrm{cm^3}\)-Probe des Wassers aus der Bucht wurde nach der Volhard-Methode bestimmt. Bei dieser Methode wird der Probe ein Überschuss an \(\ce{AgNO3}\) zugesetzt. Das überschüssige \(\ce{Ag+}\) wird mit einer eingestellten \(\ce{KSCN}\)-Maßlösung titriert, wobei sich ein Niederschlag von \(\ce{AgSCN}\) bildet. Der Endpunkt wird durch die Bildung des rotbraunen \(\ce{FeSCN^2+}\)-Komplexes angezeigt, der entsteht, wenn \(\ce{Ag+}\) verbraucht ist. Wenn zur Titration des überschüssigen \(\ce{Ag+}\) nach der Zugabe von \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.00129 M \(\ce{AgNO3}\) zur Wasserprobe \(27.46\ \mathrm{cm^3}\) einer \(1.41\,10^{-3}\) M \(\ce{KSCN}\)-Lösung benötigt wurden, berechnen Sie die Chloridkonzentration in der Wasserprobe aus der Bucht.
In natürlichen Gewässern mit wesentlich höherer \(\ce{Cl-}\)-Konzentration kann \(\ce{Cl-}\) gravimetrisch bestimmt werden, indem es als \(\ce{AgCl}\) gefällt wird. Eine Schwierigkeit dieser Methode besteht darin, dass \(\ce{AgCl}\) zur photochemischen Zersetzung neigt, wie die folgende Reaktion zeigt:

Findet diese photochemische Zersetzung in Gegenwart von überschüssigem \(\ce{Ag+}\) statt, läuft außerdem die folgende Reaktion ab:

Wenn 0.010 g einer 3.000 g schweren, mit überschüssigem \(\ce{Ag+}\) verunreinigten \(\ce{AgCl}\)-Probe gemäß den obigen Gleichungen photochemisch zersetzt werden,
7.10 wird die scheinbare Masse von \(\ce{AgCl}\) zu hoch oder zu niedrig sein? Erläutern Sie Ihre Antwort und zeigen Sie, um wie viele Gramm sich die beiden Werte unterscheiden.
Gegebene Daten:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl})=1.78\times10^{-10} \]
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})=1.00\times10^{-12} \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 7.1 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), unter Verwendung der üblichen Näherung eines stöchiometrischen Endpunkts.
- 7.2 Ja. Die Chloridkonzentration beträgt \(\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) und liegt damit über \(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.3 \(\boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}\).
- 7.4 \(\boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}\). Silberchromat erzeugt die ziegelrote Farbe.
- 7.5 \(\boxed{[\ce{Cl-}]\approx2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 7.6 \(\boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}\).
- 7.7 Puffer 3, das Dihydrogenphosphat/Hydrogenphosphat-Paar: \[ \boxed{pK_\mathrm{a}=7.208,\qquad \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]}=0.983}. \]
- 7.8 Bei Verwendung wasserfreier Salze und Festlegung der Säurekomponente auf \(0.100\ \mathrm M\) werden etwa \(\boxed{6.00\ \mathrm g\ \ce{NaH2PO4}}\) und \(\boxed{6.97\ \mathrm g\ \ce{Na2HPO4}}\) eingesetzt und auf \(500\ \mathrm{cm^3}\) verdünnt. Die nominelle Rezeptur mit gleichen Konzentrationen von jeweils \(0.10\ \mathrm M\) verwendet \(6.00\ \mathrm g\) bzw. \(7.10\ \mathrm g\) und ergibt einen pH-Wert von \(7.208\approx7.2\).
- 7.9 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), entsprechend \(18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.10 Die scheinbare Masse ist um \(\boxed{0.0059\ \mathrm g}\) zu hoch; der gewogene Feststoff hat eine Masse von etwa \(\boxed{3.006\ \mathrm g}\).
Lösung
Die unten angegebenen, durch Punkte getrennten SMILES beschreiben die ionische Zusammensetzung von Salzen. Ihre Kristallgitter werden durch diese Zeichenfolgen nicht dargestellt. Die SMILES der Oxoanionen geben jeweils eine formale Darstellung der Bindungen und Ladungen wieder; die tatsächlichen Bindungsverhältnisse umfassen eine mesomere Delokalisierung.
7.1
Das Chloridion, [Cl-], reagiert mit dem Silber(I)-Ion, [Ag+], im Stoffmengenverhältnis \(1:1\). Unter der üblichen Näherung, dass der beobachtete Endpunkt der stöchiometrischen Äquivalenz entspricht, gilt
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cl-}) &=n(\ce{Ag+})\\ &=(0.00164\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (16.16\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.65024\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Das ursprüngliche Probenvolumen beträgt \(50.00\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3}\), daher gilt
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.65024\times10^{-5}} {50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
7.2
Mit \(M(\ce{Cl})=35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ergibt sich
\[ \begin{aligned} \rho(\ce{Cl-}) &=(5.30048\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=0.0187902\ \mathrm{g\,dm^{-3}}\\ &=\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Da \(18.8>8\) ist, enthält die Probe nach dem in der Aufgabe angegebenen Kriterium ausreichend Chlorid für ein normales Austernwachstum.
7.3
Der Analyt ist Chlorid, und die reagierende Spezies des Titrationsmittels ist Silber(I). Sie bilden schwerlösliches Silberchlorid, [Ag+].[Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}. \]
Diese Netto-Ionengleichung gilt unabhängig von den Gegenionen, die ursprünglich zusammen mit Chlorid in der Probe vorliegen.
7.4
Der Indikator liefert Chromationen, [O-][Cr](=O)(=O)[O-]. Im Chromat sind die Sauerstoffatome annähernd tetraedrisch um das Chromatom angeordnet.
Mit steigender Konzentration an freiem Silber(I) fällt Silberchromat aus:
\[ \boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}. \]
Der ziegelrote Feststoff ist Silberchromat, [Ag+].[Ag+].[O-][Cr](=O)(=O)[O-].
7.5
Beim Einsetzen der Silberchromatfällung gilt
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4}) =[\ce{Ag+}]^2[\ce{CrO4^2-}]. \]
Daraus folgt
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{1.00\times10^{-12}}{0.020}} =7.071\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Da auch festes Silberchlorid vorliegt, muss gemäß seinem Löslichkeitsgleichgewicht gelten
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl}) =[\ce{Ag+}][\ce{Cl-}]. \]
Somit ergibt sich
\[ \begin{aligned} [\ce{Cl-}] &=\frac{1.78\times10^{-10}}{7.071\times10^{-6}}\\ &=2.517\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Dies ist die Konzentration des gelösten Chlorids im Titrationsgemisch, wenn sich der rote Niederschlag erstmals bildet.
7.6
Säure wandelt Chromat in Dichromat um:
\[ \boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}. \]
Die hier eingeführten Spezies sind das Wasserstoffion (Proton), [H+]; Wasser, O; und das Dichromation, [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr](=O)(=O)[O-]. Dichromat besteht aus zwei Chrom-Sauerstoff-Tetraedern, die ein Sauerstoffatom gemeinsam haben.
Eine zunehmende Acidität verschiebt dieses Gleichgewicht nach rechts und verringert dadurch die Chromatkonzentration. Da die Fällung die Bedingung
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})} {[\ce{CrO4^2-}]}}, \]
erfordert, bedeutet weniger Chromat, dass eine höhere Silber(I)-Konzentration benötigt wird, um den Indikatorniederschlag zu erzeugen. Der Endpunkt wird daher verzögert erreicht.
7.7
Ein Puffer wirkt am besten, wenn die Konzentrationen seiner Säure und seiner konjugierten Base vergleichbar sind; sein \(pK_\mathrm a\)-Wert sollte daher nahe beim gewünschten pH-Wert liegen.
Aus \(pK_\mathrm a=-\log_{10}K_\mathrm a\) ergibt sich:
| Puffernummer | \(pK_\mathrm a\) | Erforderliches Base/Säure-Verhältnis bei pH 7.20 |
|---|---|---|
| 1 | 3.854 | \(2.22\times10^3\) |
| 2 | 4.745 | \(2.85\times10^2\) |
| 3 | 7.208 | \(0.983\) |
| 4 | 9.252 | \(8.88\times10^{-3}\) |
Die Verhältnisse ergeben sich aus der Henderson–Hasselbalch-Gleichung,
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+ \log_{10}\frac{[\text{konjugierte Base}]}{[\text{schwache Säure}]}. \]
Daher wird Puffer 3 gewählt. Seine schwache Säure ist das Dihydrogenphosphation, O=P(O)(O)[O-], und seine konjugierte Base ist das Hydrogenphosphation, O=P(O)([O-])[O-]. Bei beiden ist die Koordination um das Phosphoratom annähernd tetraedrisch.
Ihr Gleichgewicht lautet
\[ \ce{H2PO4-(aq) <=> H+(aq) + HPO4^2-(aq)}. \]
Bei pH 7.20 gilt
\[ \begin{aligned} \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]} &=\frac{K_\mathrm a}{[\ce{H+}]}\\ &=\frac{6.2\times10^{-8}}{10^{-7.20}}\\ &=\boxed{0.9826\approx0.983}. \end{aligned} \]
Die nahezu gleichen Mengen sorgen für eine wirksame Pufferung. Die Basenkomponente neutralisiert zugesetzte Säure gemäß
\[ \ce{HPO4^2-(aq) + H+(aq) -> H2PO4-(aq)}. \]
7.8
Es werden wasserfreie Salze angenommen:
- Natriumdihydrogenphosphat, \(\ce{NaH2PO4}\),
[Na+].O=P(O)(O)[O-], mit \(M=119.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). - Dinatriumhydrogenphosphat, \(\ce{Na2HPO4}\),
[Na+].[Na+].O=P(O)([O-])[O-], mit \(M=141.96\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Die Säurekonzentration wird entsprechend der nominellen Konzentration in der Tabelle auf \(0.100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) festgelegt. Für \(500\ \mathrm{cm^3}=0.500\ \mathrm{dm^3}\) gilt
\[ n(\ce{NaH2PO4}) =(0.100)(0.500)=0.0500\ \mathrm{mol}. \]
Die erforderliche Stoffmenge der Base beträgt
\[ n(\ce{Na2HPO4}) =0.9826(0.0500) =0.04913\ \mathrm{mol}. \]
Daraus folgt
\[ m(\ce{NaH2PO4}) =(0.0500)(119.98) \approx\boxed{6.00\ \mathrm g}, \]
\[ m(\ce{Na2HPO4}) =(0.04913)(141.96) \approx\boxed{6.97\ \mathrm g}. \]
Beide Salze werden in destilliertem Wasser gelöst, und die Lösung wird auf ein Endvolumen von \(500\ \mathrm{cm^3}\) aufgefüllt.
Wird die in der Tabelle angegebene Zusammensetzung \(0.10\ \mathrm M/0.10\ \mathrm M\) direkt verwendet, werden von jeder Komponente \(0.0500\ \mathrm{mol}\) benötigt. Die entsprechenden Massen betragen \(6.00\ \mathrm g\) und \(7.10\ \mathrm g\), und es gilt
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+\log_{10}1=7.208\approx7.2. \]
Somit entspricht auch diese nominelle Rezeptur dem in 7.8 mit einer Nachkommastelle angegebenen pH-Wert.
7.9
Das Thiocyanation, [S-]C#N, fällt überschüssiges Silber(I) als Silberthiocyanat, [Ag+].[S-]C#N:
\[ \ce{Ag+(aq) + SCN-(aq) -> AgSCN(s)}. \]
Sowohl die Chloridfällung als auch diese Rücktitration weisen eine \(1:1\)-Stöchiometrie auf. Daher gilt
\[ n(\ce{Cl-}) =n(\text{zugesetztes Silber})-n(\text{verbleibendes Silber}). \]
Die Stoffmenge des zugesetzten Silbers beträgt
\[ n_\mathrm{added} =(50.00\times10^{-3})(0.00129) =6.450\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Mit der Thiocyanattitration wird folgende Stoffmenge bestimmt:
\[ n_\mathrm{remaining} =(27.46\times10^{-3})(1.41\times10^{-3}) =3.87186\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Daraus folgt
\[ n(\ce{Cl-}) =6.450\times10^{-5}-3.87186\times10^{-5} =2.57814\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Mit dem ursprünglichen Volumen der Wasserprobe ergibt sich
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.57814\times10^{-5}}{50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Die entsprechende Massenkonzentration beträgt
\[ (5.15628\times10^{-4})(35.45)(10^3) =\boxed{18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \]
7.10
Bei der photochemischen Zersetzung entstehen metallisches Silber, atomar als [Ag] dargestellt, und Chlor, ClCl:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)}. \]
Das Chlor reagiert anschließend mit überschüssigem Silber(I):
\[ \ce{3Cl2(g) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Das lösliche chlorhaltige Produkt ist das Chloration, [O-][Cl](=O)=O.
Für jeweils sechs Mol photochemisch zersetztes Silberchlorid entstehen drei Mol Chlor. Diese erzeugen fünf Mol neues Silberchlorid. Die zusammengefasste Bilanzgleichung lautet
\[ \ce{6AgCl(s) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 6Ag(s) + 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Sowohl das metallische Silber als auch das neu gefällte Silberchlorid verbleiben im gewogenen Feststoff.
Mit
\[ M(\ce{AgCl})=107.87+35.45=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
beträgt die ursprünglich photochemisch zersetzte Stoffmenge
\[ n_\mathrm{decomp} =\frac{0.010}{143.32} =6.98\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Das zurückbleibende metallische Silber hat die Masse
\[ m(\ce{Ag}) =\frac{0.010}{143.32}(107.87) =0.00753\ \mathrm g. \]
Das neu gebildete Silberchlorid hat die Masse
\[ m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} =\frac56\left(\frac{0.010}{143.32}\right)(143.32) =0.00833\ \mathrm g. \]
Somit beträgt die Massenänderung
\[ \begin{aligned} \Delta m &=m(\ce{Ag})+m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} -m(\ce{AgCl})_\mathrm{decomposed}\\ &=0.007526+0.008333-0.010\\ &=+0.00586\ \mathrm g. \end{aligned} \]
Die scheinbare Masse ist daher um etwa \(0.0059\ \mathrm g\) zu hoch:
\[ m_\mathrm{apparent} =3.000+0.00586 =3.00586\ \mathrm g \approx\boxed{3.006\ \mathrm g}. \]
Die Zunahme entsteht dadurch, dass zusätzliches Silber aus der Lösung in den gesammelten Feststoff eingebaut wird.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1992 · Teori sorusu 7
Chesapeake Körfezi suyunda klorür tayini
Chesapeake Körfezi'ne dökülen tatlı su nehirleri ilkbahardaki şiddetli yağmurlardan sonra taştığında, körfezdeki tatlı su miktarının artması istiridyelerin yetiştiği bölgelerde tuzluluğun azalmasına neden olur. İstiridye yataklarında normal büyüme için gereken en düşük klorür iyonu derişimi 8 ppm'dir (\(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)).
Bir hafta süren şiddetli yağmurun ardından körfez suyunda aşağıdaki analiz yapılır. \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) hacmindeki bir körfez suyu örneğine birkaç damla \(\ce{K2CrO4}\) çözeltisi eklenir. Ardından örnek, 0.00164 M \(\ce{AgNO3}\) çözeltisinin \(16.16\ \mathrm{cm^3}\)'ü ile titre edilir. Örneğe \(\ce{AgNO3}\) çözeltisi eklendikten sonra parlak kırmızı-turuncu bir çökelek oluşur.
7.1 Örnekteki klorürün molar derişimi nedir?
7.2 Su, istiridyelerin normal büyümesi için yeterli miktarda klorür içeriyor mu? Hesabınızı gösteriniz.
7.3 Analitin titrant ile tepkimesi için denkleştirilmiş bir denklem yazınız.
7.4 Titrasyonun dönüm noktasındaki renk değişimine neden olan tepkimeyi tanımlayan denkleştirilmiş bir net iyon denklemi yazınız. Tuğla kırmızısı rengi hangi bileşik oluşturur?
7.5 Dönüm noktasındaki kromat derişimi 0.020 M'dir. Kırmızı çökelek oluştuğunda çözeltideki klorür iyonlarının derişimini hesaplayınız.
7.6 Bu titrasyonun en etkili biçimde gerçekleşmesi için titre edilen çözelti nötr veya hafif bazik olmalıdır. Asidik ortamda gerçekleşerek bu titrasyonun gözlenen dönüm noktasını etkileyecek rakip tepkime için denkleştirilmiş bir denklem yazınız.
Başlangıçtaki örnek asidikse pH'ı kontrol etmek için genellikle titre edilen çözeltiye bir tampon eklenir. Körfez suyu örneğinin pH'ının 5.10 olduğunu, dolayısıyla analizin doğru biçimde yapılabilmesi için fazla asidik olduğunu varsayınız.
7.7 Sulu ortamda pH'ı 7.20'ye getirmenizi ve bu değerde tutmanızı sağlayacak bir tamponu listeden seçiniz. Seçiminize temel oluşturan hesaplamaları gösteriniz.
| Tampon sistemleri | Zayıf asidin \(K_\mathrm{a}\) değeri | |
|---|---|---|
| 1. | 0.10 M laktik asit / 0.10 M sodyum laktat | \(1.4\times10^{-4}\) |
| 2. | 0.10 M asetik asit / 0.10 M sodyum asetat | \(1.8\times10^{-5}\) |
| 3. | 0.10 M sodyum dihidrojen fosfat / / 0.10 M sodyum hidrojen fosfat |
\(6.2\times10^{-8}\) |
| 4. | 0.10 M amonyum klorür / 0.10 M amonyak | \(5.6\times10^{-10}\) |
7.8 Seçilen tampon sistemini kullanarak pH'ı 7.2'ye tamponlanmış \(500\ \mathrm{cm^3}\) hacminde bir stok çözelti hazırlamak için damıtık suda çözmeniz gereken zayıf asidin ve eşlenik bazın kütlelerini (g cinsinden) hesaplayınız.
7.9 Başka bir \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) hacmindeki körfez suyu örneğinin klorür derişimi Volhard yöntemiyle belirlenmiştir. Bu yöntemde örneğe fazla miktarda \(\ce{AgNO3}\) eklenir. Artan \(\ce{Ag+}\), derişimi standartlaştırılmış \(\ce{KSCN}\) ile titre edilir ve \(\ce{AgSCN}\) çökeleği oluşur. Dönüm noktası, \(\ce{Ag+}\) tükendiğinde oluşan kırmızımsı kahverengi \(\ce{FeSCN^2+}\) kompleksinin ortaya çıkmasıyla belirlenir. Su örneğine 0.00129 M \(\ce{AgNO3}\) çözeltisinin \(50.00\ \mathrm{cm^3}\)'ü eklendikten sonra artan \(\ce{Ag+}\)'nın titrasyonu için \(1.41\,10^{-3}\) M \(\ce{KSCN}\) çözeltisinden \(27.46\ \mathrm{cm^3}\) gerekmişse körfez suyu örneğindeki klorür derişimini hesaplayınız.
\(\ce{Cl-}\) derişimi çok daha yüksek olan doğal sularda \(\ce{Cl-}\), \(\ce{AgCl}\) olarak çöktürülerek gravimetrik yöntemle tayin edilebilir. Bu yöntemi karmaşıklaştıran bir özellik, \(\ce{AgCl}\)'nin aşağıdaki tepkimede gösterildiği gibi fotobozunmaya yatkın olmasıdır:

Ayrıca, bu fotobozunma fazla miktarda \(\ce{Ag+}\) varlığında gerçekleşirse aşağıdaki ek tepkime meydana gelir:

Fazla miktarda \(\ce{Ag+}\) ile kirlenmiş 3.000 g'lık bir \(\ce{AgCl}\) örneğinin 0.010 g'ı yukarıdaki denklemlere göre fotobozunmaya uğrarsa
7.10 \(\ce{AgCl}\)'nin görünür ağırlığı olması gerekenden yüksek mi yoksa düşük mü olur? İki değer arasında kaç gram fark olacağını göstererek yanıtınızı açıklayınız.
Veriler:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl})=1.78\times10^{-10} \]
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})=1.00\times10^{-12} \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 7.1 Olağan stokiyometrik dönüm noktası yaklaşımı kullanıldığında \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 7.2 Evet. Klorür derişimi \(\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) olup \(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) değerini aşar.
- 7.3 \(\boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}\).
- 7.4 \(\boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}\). Tuğla kırmızısı rengi gümüş kromat oluşturur.
- 7.5 \(\boxed{[\ce{Cl-}]\approx2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 7.6 \(\boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}\).
- 7.7 Tampon 3, dihidrojen fosfat/hidrojen fosfat çifti: \[ \boxed{pK_\mathrm{a}=7.208,\qquad \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]}=0.983}. \]
- 7.8 Susuz tuzlar için, asit bileşeninin derişimi \(0.100\ \mathrm M\) olarak sabit tutulduğunda yaklaşık \(\boxed{6.00\ \mathrm g\ \ce{NaH2PO4}}\) ve \(\boxed{6.97\ \mathrm g\ \ce{Na2HPO4}}\) kullanılır ve hacim \(500\ \mathrm{cm^3}\)'e tamamlanır. Her iki bileşenin de nominal derişiminin \(0.10\ \mathrm M\) olduğu hazırlama tarifinde sırasıyla \(6.00\ \mathrm g\) ve \(7.10\ \mathrm g\) kullanılır ve pH \(7.208\approx7.2\) olur.
- 7.9 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\); bu, \(18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) değerine eşdeğerdir.
- 7.10 Görünür kütle \(\boxed{0.0059\ \mathrm g}\) kadar fazla olur; ölçülen katının kütlesi yaklaşık \(\boxed{3.006\ \mathrm g}\)'dır.
Çözüm
Aşağıdaki, bileşenleri noktalarla ayrılmış SMILES gösterimleri tuzların iyonik bileşimini belirtir. Bu dizeler kristal örgülerini göstermez. Oksianyonların SMILES gösterimleri, biçimsel bağ ve yük gösterimlerinden birini verir; gerçek bağlanma rezonans delokalizasyonunu içerir.
7.1
Klorür iyonu, [Cl-], gümüş(I) iyonu, [Ag+], ile \(1:1\) mol oranında tepkimeye girer. Gözlenen dönüm noktasının stokiyometrik eşdeğerliği temsil ettiği yönündeki olağan yaklaşım kullanılırsa,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cl-}) &=n(\ce{Ag+})\\ &=(0.00164\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (16.16\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.65024\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Başlangıçtaki örneğin hacmi \(50.00\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3}\) olduğundan,
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.65024\times10^{-5}} {50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
7.2
\(M(\ce{Cl})=35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanılarak,
\[ \begin{aligned} \rho(\ce{Cl-}) &=(5.30048\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=0.0187902\ \mathrm{g\,dm^{-3}}\\ &=\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
\(18.8>8\) olduğundan örnek, soruda belirtilen ölçüte göre istiridyelerin normal büyümesi için yeterli miktarda klorür içerir.
7.3
Analit klorürdür ve tepkimeye giren titrant türü gümüş(I)'dir. Bunlar çözünmeyen gümüş klorürü, [Ag+].[Cl-], oluşturur:
\[ \boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}. \]
Bu net iyon denklemi, örnekte başlangıçta klorüre eşlik eden karşı iyonların türünden bağımsız olarak geçerlidir.
7.4
İndikatör, kromat iyonlarını, [O-][Cr](=O)(=O)[O-], sağlar. Kromatta oksijen atomları kromun çevresinde yaklaşık tetrahedral bir düzene sahiptir.
Serbest gümüş(I) derişimi arttıkça gümüş kromat çöker:
\[ \boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}. \]
Tuğla kırmızısı katı, gümüş kromattır, [Ag+].[Ag+].[O-][Cr](=O)(=O)[O-].
7.5
Gümüş kromatın çökmeye başladığı anda,
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4}) =[\ce{Ag+}]^2[\ce{CrO4^2-}]. \]
Buna göre,
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{1.00\times10^{-12}}{0.020}} =7.071\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Katı gümüş klorür de bulunduğundan, onun çözünürlük dengesi şu koşulu gerektirir:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl}) =[\ce{Ag+}][\ce{Cl-}]. \]
Dolayısıyla,
\[ \begin{aligned} [\ce{Cl-}] &=\frac{1.78\times10^{-10}}{7.071\times10^{-6}}\\ &=2.517\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Bu, kırmızı çökeleğin ilk oluştuğu anda titrasyon karışımındaki çözünmüş klorür derişimidir.
7.6
Asit, kromatı dikromata dönüştürür:
\[ \boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}. \]
Burada karşılaşılan türler hidrojen iyonu (proton), [H+]; su, O; ve dikromat iyonu, [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr](=O)(=O)[O-], şeklindedir. Dikromat, bir oksijen atomunu paylaşan iki krom–oksijen tetrahedronundan oluşur.
Asitliğin artması bu dengeyi sağa kaydırarak kromat derişimini düşürür. Çökelme için
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})} {[\ce{CrO4^2-}]}}, \]
koşulu gerektiğinden, daha az kromat bulunması indikatör çökeleğinin oluşması için daha yüksek bir gümüş(I) derişiminin gerekmesi anlamına gelir. Bu nedenle dönüm noktasına daha geç ulaşılır.
7.7
Bir tampon, asit ve eşlenik baz derişimleri birbirine yakın olduğunda en etkili biçimde çalışır; bu nedenle \(pK_\mathrm a\) değeri istenen pH'a yakın olmalıdır.
\(pK_\mathrm a=-\log_{10}K_\mathrm a\) bağıntısından:
| Tampon numarası | \(pK_\mathrm a\) | pH 7.20'de gereken baz/asit oranı |
|---|---|---|
| 1 | 3.854 | \(2.22\times10^3\) |
| 2 | 4.745 | \(2.85\times10^2\) |
| 3 | 7.208 | \(0.983\) |
| 4 | 9.252 | \(8.88\times10^{-3}\) |
Bu oranlar Henderson–Hasselbalch denkleminden elde edilir:
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+ \log_{10}\frac{[\text{eşlenik baz}]}{[\text{zayıf asit}]}. \]
Bu nedenle tampon 3 seçilir. Bu tamponun zayıf asidi dihidrojen fosfat iyonu, O=P(O)(O)[O-], eşlenik bazı ise hidrojen fosfat iyonudur, O=P(O)([O-])[O-]. Her ikisinde de fosfor çevresindeki koordinasyon yaklaşık tetrahedraldir.
Aralarındaki denge şöyledir:
\[ \ce{H2PO4-(aq) <=> H+(aq) + HPO4^2-(aq)}. \]
pH 7.20'de,
\[ \begin{aligned} \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]} &=\frac{K_\mathrm a}{[\ce{H+}]}\\ &=\frac{6.2\times10^{-8}}{10^{-7.20}}\\ &=\boxed{0.9826\approx0.983}. \end{aligned} \]
Miktarların neredeyse eşit olması etkili bir tamponlama sağlar. Baz bileşeni, eklenen asidi şu tepkimeyle nötrleştirir:
\[ \ce{HPO4^2-(aq) + H+(aq) -> H2PO4-(aq)}. \]
7.8
Tuzların susuz olduğunu varsayalım:
- Sodyum dihidrojen fosfat, \(\ce{NaH2PO4}\),
[Na+].O=P(O)(O)[O-], \(M=119.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). - Disodyum hidrojen fosfat, \(\ce{Na2HPO4}\),
[Na+].[Na+].O=P(O)([O-])[O-], \(M=141.96\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Tablodaki nominal derişime uygun olarak asit derişimini \(0.100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) alalım. \(500\ \mathrm{cm^3}=0.500\ \mathrm{dm^3}\) için,
\[ n(\ce{NaH2PO4}) =(0.100)(0.500)=0.0500\ \mathrm{mol}. \]
Gereken baz miktarı şöyledir:
\[ n(\ce{Na2HPO4}) =0.9826(0.0500) =0.04913\ \mathrm{mol}. \]
Buna göre,
\[ m(\ce{NaH2PO4}) =(0.0500)(119.98) \approx\boxed{6.00\ \mathrm g}, \]
\[ m(\ce{Na2HPO4}) =(0.04913)(141.96) \approx\boxed{6.97\ \mathrm g}. \]
Her iki tuzu damıtık suda çözünüz ve son çözelti hacmi \(500\ \mathrm{cm^3}\) olacak şekilde seyreltiniz.
Tabloda verilen \(0.10\ \mathrm M/0.10\ \mathrm M\) bileşimi doğrudan kullanılırsa her bileşenden \(0.0500\ \mathrm{mol}\) gerekir. Buna karşılık gelen kütleler \(6.00\ \mathrm g\) ve \(7.10\ \mathrm g\) olup
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+\log_{10}1=7.208\approx7.2. \]
Dolayısıyla bu nominal hazırlama tarifi de 7.8'de ondalık noktadan sonra bir basamakla belirtilen pH değerini sağlar.
7.9
Tiyosiyanat iyonu, [S-]C#N, artan gümüş(I)'i gümüş tiyosiyanat, [Ag+].[S-]C#N, olarak çöktürür:
\[ \ce{Ag+(aq) + SCN-(aq) -> AgSCN(s)}. \]
Hem klorürün çöktürülmesinde hem de bu geri titrasyonda stokiyometrik oran \(1:1\)'dir. Bu nedenle,
\[ n(\ce{Cl-}) =n(\text{eklenen gümüş})-n(\text{artan gümüş}). \]
Eklenen gümüş miktarı şöyledir:
\[ n_\mathrm{added} =(50.00\times10^{-3})(0.00129) =6.450\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Tiyosiyanat titrasyonu ile ölçülen miktar şöyledir:
\[ n_\mathrm{remaining} =(27.46\times10^{-3})(1.41\times10^{-3}) =3.87186\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Buna göre,
\[ n(\ce{Cl-}) =6.450\times10^{-5}-3.87186\times10^{-5} =2.57814\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Başlangıçtaki su örneğinin hacmi kullanılarak,
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.57814\times10^{-5}}{50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Buna karşılık gelen kütle derişimi şöyledir:
\[ (5.15628\times10^{-4})(35.45)(10^3) =\boxed{18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \]
7.10
Fotobozunma sonucunda, atomik olarak [Ag] ile gösterilen metalik gümüş ve klor, ClCl, oluşur:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)}. \]
Klor daha sonra fazla miktardaki gümüş(I) ile tepkimeye girer:
\[ \ce{3Cl2(g) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Klor içeren çözünür ürün, klorat iyonudur, [O-][Cl](=O)=O.
Fotobozunmaya uğrayan her altı mol gümüş klorür için üç mol klor oluşur. Bunlar beş mol yeni gümüş klorür oluşturur. Madde bilançosunu gösteren birleşik denklem şöyledir:
\[ \ce{6AgCl(s) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 6Ag(s) + 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Hem metalik gümüş hem de yeni çöken gümüş klorür tartılan katıda kalır.
\[ M(\ce{AgCl})=107.87+35.45=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
değeri kullanıldığında başlangıçta fotobozunmaya uğrayan miktar şöyledir:
\[ n_\mathrm{decomp} =\frac{0.010}{143.32} =6.98\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Katıda kalan metalik gümüşün kütlesi şöyledir:
\[ m(\ce{Ag}) =\frac{0.010}{143.32}(107.87) =0.00753\ \mathrm g. \]
Yeni oluşan gümüş klorürün kütlesi şöyledir:
\[ m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} =\frac56\left(\frac{0.010}{143.32}\right)(143.32) =0.00833\ \mathrm g. \]
Dolayısıyla kütle değişimi şöyledir:
\[ \begin{aligned} \Delta m &=m(\ce{Ag})+m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} -m(\ce{AgCl})_\mathrm{decomposed}\\ &=0.007526+0.008333-0.010\\ &=+0.00586\ \mathrm g. \end{aligned} \]
Bu nedenle görünür kütle yaklaşık \(0.0059\ \mathrm g\) kadar fazladır:
\[ m_\mathrm{apparent} =3.000+0.00586 =3.00586\ \mathrm g \approx\boxed{3.006\ \mathrm g}. \]
Bu artış, çözeltiden gelen ilave gümüşün toplanan katıya katılması nedeniyle gerçekleşir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1992 · Problema teórico 7
Determinación de cloruro en el agua de la bahía de Chesapeake
Cuando los ríos de agua dulce que desembocan en la bahía de Chesapeake se desbordan tras las intensas lluvias de primavera, el aumento de agua dulce en la bahía provoca una disminución de la salinidad en las zonas donde crecen las ostras. La concentración mínima de iones cloruro necesaria en los bancos de ostras para su crecimiento normal es de 8 ppm (\(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)).
Tras una semana de intensas lluvias, se realiza el siguiente análisis del agua de la bahía. A una muestra de \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) de agua de la bahía se le añaden unas gotas de una disolución de \(\ce{K2CrO4}\). A continuación, la muestra se valora con \(16.16\ \mathrm{cm^3}\) de una disolución de \(\ce{AgNO3}\) 0.00164 M. Después de añadir la disolución de \(\ce{AgNO3}\) a la muestra, se forma un precipitado de color rojo anaranjado intenso.
7.1 ¿Cuál es la concentración molar de cloruro en la muestra?
7.2 ¿Contiene el agua suficiente cloruro para el crecimiento normal de las ostras? Muestre el cálculo.
7.3 Escriba una ecuación ajustada para la reacción del analito con el valorante.
7.4 Escriba una ecuación iónica neta ajustada que describa la reacción responsable del cambio de color en el punto final de la valoración. ¿Qué compuesto produce el color rojo ladrillo?
7.5 La concentración de cromato en el punto final es de 0.020 M. Calcule la concentración de iones cloruro en la disolución cuando se forma el precipitado rojo.
7.6 Para que esta valoración funcione de la manera más eficaz, la disolución que se valora debe ser neutra o ligeramente básica. Escriba una ecuación ajustada para la reacción competitiva que tendría lugar en medio ácido y que influiría en el punto final observado de esta valoración.
Habitualmente, si la muestra inicial es ácida, se añade una disolución reguladora a la disolución que se valora para controlar el pH. Suponga que el pH de la muestra de agua de la bahía era de 5.10, por lo que era demasiado ácida para realizar el análisis con exactitud.
7.7 Seleccione de la lista un sistema regulador que permita establecer y mantener un pH de 7.20 en medio acuoso. Muestre los cálculos que justifican su elección.
| Sistemas reguladores | \(K_\mathrm{a}\) del ácido débil | |
|---|---|---|
| 1. | Ácido láctico 0.10 M / lactato de sodio 0.10 M | \(1.4\times10^{-4}\) |
| 2. | Ácido acético 0.10 M / acetato de sodio 0.10 M | \(1.8\times10^{-5}\) |
| 3. | Dihidrogenofosfato de sodio 0.10 M / / hidrogenofosfato de sodio 0.10 M |
\(6.2\times10^{-8}\) |
| 4. | Cloruro de amonio 0.10 M / amoníaco 0.10 M | \(5.6\times10^{-10}\) |
7.8 Utilizando el sistema regulador seleccionado, calcule la masa (en g) de ácido débil y de base conjugada que tendría que disolver en agua destilada para preparar \(500\ \mathrm{cm^3}\) de una disolución madre regulada a un pH de 7.2.
7.9 La concentración de cloruro en otra muestra de \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) de agua de la bahía se determinó mediante el método de Volhard. En este método se añade un exceso de \(\ce{AgNO3}\) a la muestra. El exceso de \(\ce{Ag+}\) se valora con \(\ce{KSCN}\) estandarizado, formándose un precipitado de \(\ce{AgSCN}\). El punto final se indica por la formación del complejo \(\ce{FeSCN^2+}\) de color pardo rojizo, que se forma cuando se agota el \(\ce{Ag+}\). Si el exceso de \(\ce{Ag+}\) procedente de la adición de \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) de una disolución 0.00129 M de \(\ce{AgNO3}\) a la muestra de agua requirió \(27.46\ \mathrm{cm^3}\) de \(1.41\,10^{-3}\) M de \(\ce{KSCN}\) para su valoración, calcule la concentración de cloruro en la muestra de agua de la bahía.
En aguas naturales con una concentración mucho mayor de \(\ce{Cl-}\), el \(\ce{Cl-}\) puede determinarse gravimétricamente precipitando el \(\ce{Cl-}\) como \(\ce{AgCl}\). Una complicación de este método es el hecho de que el \(\ce{AgCl}\) es susceptible de sufrir fotodescomposición, como muestra la reacción:

Además, si esta fotodescomposición tiene lugar en presencia de un exceso de \(\ce{Ag+}\), se produce la siguiente reacción adicional:

Si 0.010 g de una muestra de 3.000 g de \(\ce{AgCl}\) contaminada con un exceso de \(\ce{Ag+}\) sufren fotodescomposición según las ecuaciones anteriores
7.10 ¿Será el peso aparente de \(\ce{AgCl}\) demasiado alto o demasiado bajo? Explique su respuesta mostrando en cuántos gramos diferirán los dos valores.
Datos:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl})=1.78\times10^{-10} \]
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})=1.00\times10^{-12} \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 7.1 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), utilizando la aproximación estequiométrica habitual para el punto final.
- 7.2 Sí. La concentración de cloruro es de \(\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\), superior a \(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.3 \(\boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}\).
- 7.4 \(\boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}\). El cromato de plata produce el color rojo ladrillo.
- 7.5 \(\boxed{[\ce{Cl-}]\approx2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 7.6 \(\boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}\).
- 7.7 Sistema regulador 3, el par dihidrogenofosfato/hidrogenofosfato: \[ \boxed{pK_\mathrm{a}=7.208,\qquad \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]}=0.983}. \]
- 7.8 Para las sales anhidras, fijando el componente ácido en \(0.100\ \mathrm M\), se utilizan aproximadamente \(\boxed{6.00\ \mathrm g\ \ce{NaH2PO4}}\) y \(\boxed{6.97\ \mathrm g\ \ce{Na2HPO4}}\), diluidos hasta \(500\ \mathrm{cm^3}\). La preparación nominal con concentraciones iguales de \(0.10\ \mathrm M\) utiliza \(6.00\ \mathrm g\) y \(7.10\ \mathrm g\), respectivamente, y da un pH de \(7.208\approx7.2\).
- 7.9 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), equivalente a \(18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.10 La masa aparente es demasiado alta, en \(\boxed{0.0059\ \mathrm g}\); el sólido medido tiene una masa de aproximadamente \(\boxed{3.006\ \mathrm g}\).
Solución
Las representaciones SMILES que aparecen a continuación, con componentes separados por puntos, especifican la composición iónica de las sales. Estas cadenas no representan sus redes cristalinas. Las representaciones SMILES de los oxoaniones muestran una representación formal de enlaces y cargas; los enlaces reales incluyen deslocalización por resonancia.
7.1
El ion cloruro, [Cl-], reacciona con el ion plata(I), [Ag+], en una proporción molar \(1:1\). Utilizando la aproximación habitual de que el punto final observado representa la equivalencia estequiométrica,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cl-}) &=n(\ce{Ag+})\\ &=(0.00164\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (16.16\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.65024\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
El volumen original de la muestra es de \(50.00\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3}\), por lo que
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.65024\times10^{-5}} {50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
7.2
Utilizando \(M(\ce{Cl})=35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \rho(\ce{Cl-}) &=(5.30048\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=0.0187902\ \mathrm{g\,dm^{-3}}\\ &=\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Puesto que \(18.8>8\), la muestra contiene suficiente cloruro para el crecimiento normal de las ostras según el criterio establecido en el enunciado.
7.3
El analito es el cloruro, y la especie del valorante que reacciona es la plata(I). Forman cloruro de plata insoluble, [Ag+].[Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}. \]
Esta ecuación iónica neta es válida independientemente de los contraiones que acompañaran originalmente al cloruro en la muestra.
7.4
El indicador aporta iones cromato, [O-][Cr](=O)(=O)[O-]. El cromato presenta una disposición aproximadamente tetraédrica de los átomos de oxígeno alrededor del cromo.
A medida que aumenta la concentración de plata(I) libre, precipita cromato de plata:
\[ \boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}. \]
El sólido de color rojo ladrillo es cromato de plata, [Ag+].[Ag+].[O-][Cr](=O)(=O)[O-].
7.5
Al comenzar la precipitación del cromato de plata,
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4}) =[\ce{Ag+}]^2[\ce{CrO4^2-}]. \]
En consecuencia,
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{1.00\times10^{-12}}{0.020}} =7.071\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
También hay cloruro de plata sólido, por lo que su equilibrio de solubilidad exige que
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl}) =[\ce{Ag+}][\ce{Cl-}]. \]
Así,
\[ \begin{aligned} [\ce{Cl-}] &=\frac{1.78\times10^{-10}}{7.071\times10^{-6}}\\ &=2.517\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Esta es la concentración de cloruro disuelto en la mezcla de valoración cuando se forma por primera vez el precipitado rojo.
7.6
El ácido convierte el cromato en dicromato:
\[ \boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}. \]
Las especies introducidas aquí son el ion hidrógeno (protón), [H+]; el agua, O; y el ion dicromato, [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr](=O)(=O)[O-]. El dicromato está formado por dos tetraedros de cromo–oxígeno que comparten un átomo de oxígeno.
El aumento de la acidez desplaza este equilibrio hacia la derecha, reduciendo la concentración de cromato. Puesto que la precipitación requiere
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})} {[\ce{CrO4^2-}]}}, \]
una menor cantidad de cromato implica que se necesita una mayor concentración de plata(I) para producir el precipitado del indicador. Por tanto, el punto final se retrasa.
7.7
Una disolución reguladora actúa con mayor eficacia cuando las concentraciones de su ácido y de su base conjugada son comparables, por lo que su \(pK_\mathrm a\) debe ser próximo al pH deseado.
A partir de \(pK_\mathrm a=-\log_{10}K_\mathrm a\):
| Número del sistema regulador | \(pK_\mathrm a\) | Relación base/ácido necesaria a pH 7.20 |
|---|---|---|
| 1 | 3.854 | \(2.22\times10^3\) |
| 2 | 4.745 | \(2.85\times10^2\) |
| 3 | 7.208 | \(0.983\) |
| 4 | 9.252 | \(8.88\times10^{-3}\) |
Las relaciones se obtienen de la ecuación de Henderson–Hasselbalch,
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+ \log_{10}\frac{[\text{base conjugada}]}{[\text{ácido débil}]}. \]
Por tanto, se selecciona el sistema regulador 3. Su ácido débil es el ion dihidrogenofosfato, O=P(O)(O)[O-], y su base conjugada es el ion hidrogenofosfato, O=P(O)([O-])[O-]. Ambos presentan una coordinación aproximadamente tetraédrica alrededor del fósforo.
Su equilibrio es
\[ \ce{H2PO4-(aq) <=> H+(aq) + HPO4^2-(aq)}. \]
A pH 7.20,
\[ \begin{aligned} \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]} &=\frac{K_\mathrm a}{[\ce{H+}]}\\ &=\frac{6.2\times10^{-8}}{10^{-7.20}}\\ &=\boxed{0.9826\approx0.983}. \end{aligned} \]
Las cantidades casi iguales proporcionan una regulación eficaz del pH. El componente básico neutraliza el ácido añadido mediante
\[ \ce{HPO4^2-(aq) + H+(aq) -> H2PO4-(aq)}. \]
7.8
Se suponen sales anhidras:
- Dihidrogenofosfato de sodio, \(\ce{NaH2PO4}\),
[Na+].O=P(O)(O)[O-], con \(M=119.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). - Hidrogenofosfato de disodio, \(\ce{Na2HPO4}\),
[Na+].[Na+].O=P(O)([O-])[O-], con \(M=141.96\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Se toma una concentración de ácido de \(0.100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\), de acuerdo con la concentración nominal de la tabla. Para \(500\ \mathrm{cm^3}=0.500\ \mathrm{dm^3}\),
\[ n(\ce{NaH2PO4}) =(0.100)(0.500)=0.0500\ \mathrm{mol}. \]
La cantidad de base necesaria es
\[ n(\ce{Na2HPO4}) =0.9826(0.0500) =0.04913\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto,
\[ m(\ce{NaH2PO4}) =(0.0500)(119.98) \approx\boxed{6.00\ \mathrm g}, \]
\[ m(\ce{Na2HPO4}) =(0.04913)(141.96) \approx\boxed{6.97\ \mathrm g}. \]
Se disuelven ambas sales en agua destilada y se diluye hasta un volumen final de disolución de \(500\ \mathrm{cm^3}\).
Si se utiliza directamente la composición tabulada de \(0.10\ \mathrm M/0.10\ \mathrm M\), se necesitan \(0.0500\ \mathrm{mol}\) de cada componente. Las masas correspondientes son \(6.00\ \mathrm g\) y \(7.10\ \mathrm g\), y
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+\log_{10}1=7.208\approx7.2. \]
Por tanto, esta preparación nominal también cumple el pH expresado con una cifra decimal en 7.8.
7.9
El ion tiocianato, [S-]C#N, precipita el exceso de plata(I) como tiocianato de plata, [Ag+].[S-]C#N:
\[ \ce{Ag+(aq) + SCN-(aq) -> AgSCN(s)}. \]
Tanto la precipitación del cloruro como esta valoración por retroceso tienen una estequiometría \(1:1\). Por tanto,
\[ n(\ce{Cl-}) =n(\text{plata añadida})-n(\text{plata restante}). \]
La cantidad de plata añadida es
\[ n_\mathrm{added} =(50.00\times10^{-3})(0.00129) =6.450\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
La valoración con tiocianato mide
\[ n_\mathrm{remaining} =(27.46\times10^{-3})(1.41\times10^{-3}) =3.87186\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto,
\[ n(\ce{Cl-}) =6.450\times10^{-5}-3.87186\times10^{-5} =2.57814\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Utilizando el volumen original de la muestra de agua,
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.57814\times10^{-5}}{50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
La concentración másica correspondiente es
\[ (5.15628\times10^{-4})(35.45)(10^3) =\boxed{18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \]
7.10
La fotodescomposición produce plata metálica, representada a nivel atómico por [Ag], y cloro, ClCl:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)}. \]
A continuación, el cloro reacciona con el exceso de plata(I):
\[ \ce{3Cl2(g) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
El producto soluble que contiene cloro es el ion clorato, [O-][Cl](=O)=O.
Por cada seis moles de cloruro de plata fotodescompuesto, se forman tres moles de cloro. Estos generan cinco moles de nuevo cloruro de plata. La ecuación combinada para el balance es
\[ \ce{6AgCl(s) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 6Ag(s) + 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Tanto la plata metálica como el cloruro de plata recién precipitado permanecen en el sólido que se pesa.
Utilizando
\[ M(\ce{AgCl})=107.87+35.45=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
la cantidad inicialmente fotodescompuesta es
\[ n_\mathrm{decomp} =\frac{0.010}{143.32} =6.98\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
La plata metálica retenida tiene una masa de
\[ m(\ce{Ag}) =\frac{0.010}{143.32}(107.87) =0.00753\ \mathrm g. \]
El cloruro de plata recién formado tiene una masa de
\[ m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} =\frac56\left(\frac{0.010}{143.32}\right)(143.32) =0.00833\ \mathrm g. \]
Así, la variación de masa es
\[ \begin{aligned} \Delta m &=m(\ce{Ag})+m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} -m(\ce{AgCl})_\mathrm{decomposed}\\ &=0.007526+0.008333-0.010\\ &=+0.00586\ \mathrm g. \end{aligned} \]
Por tanto, la masa aparente es demasiado alta en aproximadamente \(0.0059\ \mathrm g\):
\[ m_\mathrm{apparent} =3.000+0.00586 =3.00586\ \mathrm g \approx\boxed{3.006\ \mathrm g}. \]
El aumento se produce porque se incorpora plata adicional de la disolución al sólido recogido.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1992 · 理论题 7
切萨皮克湾水中氯离子的测定
春季大雨过后,流入切萨皮克湾的淡水河流发生洪水,海湾中淡水量的增加导致牡蛎生长区域的盐度下降。牡蛎养殖区中维持牡蛎正常生长所需的最低氯离子浓度为 8 ppm(\(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\))。
连续一周大雨后,对海湾水样进行如下分析。向 \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 的海湾水样中加入几滴 \(\ce{K2CrO4}\) 溶液。随后用 0.00164 M 的 \(\ce{AgNO3}\) 溶液滴定水样,消耗体积为 \(16.16\ \mathrm{cm^3}\)。向水样中加入 \(\ce{AgNO3}\) 溶液后,生成鲜艳的橙红色沉淀。
7.1 水样中氯离子的物质的量浓度是多少?
7.2 水中是否含有足够的氯离子以维持牡蛎的正常生长?写出计算过程。
7.3 写出待测组分与滴定剂反应的配平方程式。
7.4 写出描述滴定终点时引起颜色变化的反应的配平净离子方程式。哪种化合物产生砖红色?
7.5 终点时铬酸根的浓度为 0.020 M。计算红色沉淀形成时溶液中氯离子的浓度。
7.6 为使该滴定最有效地进行,被滴定溶液必须呈中性或弱碱性。写出在酸性介质中会发生并影响该滴定所观察到的终点的竞争反应的配平方程式。
如果原始水样呈酸性,通常向被滴定溶液中加入缓冲溶液以控制 pH。假设海湾水样的 pH 为 5.10,其酸性过强,无法准确进行分析。
7.7 从下表中选择一种缓冲体系,使水溶液的 pH 能够达到并维持在 7.20。写出作出选择所依据的计算过程。
| 缓冲体系 | 弱酸的 \(K_\mathrm{a}\) | |
|---|---|---|
| 1. | 0.10 M 乳酸 / 0.10 M 乳酸钠 | \(1.4\times10^{-4}\) |
| 2. | 0.10 M 乙酸 / 0.10 M 乙酸钠 | \(1.8\times10^{-5}\) |
| 3. | 0.10 M 磷酸二氢钠 / / 0.10 M 磷酸氢二钠 |
\(6.2\times10^{-8}\) |
| 4. | 0.10 M 氯化铵 / 0.10 M 氨 | \(5.6\times10^{-10}\) |
7.8 使用所选缓冲体系,计算配制 \(500\ \mathrm{cm^3}\)、pH 为 7.2 的缓冲储备液时,需要溶于蒸馏水中的弱酸和共轭碱各自的质量(以 g 为单位)。
7.9 用 Volhard 法测定另一份 \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 海湾水样中的氯离子浓度。在此方法中,向水样中加入过量的 \(\ce{AgNO3}\)。用已标定的 \(\ce{KSCN}\) 溶液滴定过量的 \(\ce{Ag+}\),生成 \(\ce{AgSCN}\) 沉淀。当 \(\ce{Ag+}\) 耗尽时,形成红棕色的 \(\ce{FeSCN^2+}\) 配合物,以此指示终点。若向水样中加入 \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 的 0.00129 M \(\ce{AgNO3}\) 后,滴定过量的 \(\ce{Ag+}\) 需要 \(27.46\ \mathrm{cm^3}\) 的 \(1.41\,10^{-3}\) M \(\ce{KSCN}\),计算该海湾水样中的氯离子浓度。
对于 \(\ce{Cl-}\) 浓度高得多的天然水,可将 \(\ce{Cl-}\) 沉淀为 \(\ce{AgCl}\),用重量分析法测定 \(\ce{Cl-}\)。该方法的一个复杂因素是 \(\ce{AgCl}\) 容易发生光分解,如下列反应所示:

此外,如果此光分解在过量 \(\ce{Ag+}\) 存在的条件下发生,还会发生下列反应:

若一份含有过量 \(\ce{Ag+}\) 杂质的 3.000 g \(\ce{AgCl}\) 样品中,有 0.010 g 按上述方程式发生光分解
7.10 \(\ce{AgCl}\) 的表观质量会偏高还是偏低?解释你的答案,并计算两个数值相差多少克。
数据:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl})=1.78\times10^{-10} \]
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})=1.00\times10^{-12} \]
题目译自官方英文原文。
答案
- 7.1 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\),采用通常将终点视为化学计量点的近似。
- 7.2 是。 氯离子浓度为 \(\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\),高于 \(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)。
- 7.3 \(\boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}\)。
- 7.4 \(\boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}\)。铬酸银产生砖红色。
- 7.5 \(\boxed{[\ce{Cl-}]\approx2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\)。
- 7.6 \(\boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}\)。
- 7.7 缓冲体系 3,即磷酸二氢根/磷酸氢根共轭酸碱对: \[ \boxed{pK_\mathrm{a}=7.208,\qquad \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]}=0.983}. \]
- 7.8 对于无水盐,将酸组分浓度固定为 \(0.100\ \mathrm M\),使用约 \(\boxed{6.00\ \mathrm g\ \ce{NaH2PO4}}\) 和 \(\boxed{6.97\ \mathrm g\ \ce{Na2HPO4}}\),稀释至 \(500\ \mathrm{cm^3}\)。两组分均为标称浓度 \(0.10\ \mathrm M\) 的配方分别使用 \(6.00\ \mathrm g\) 和 \(7.10\ \mathrm g\),所得 pH 为 \(7.208\approx7.2\)。
- 7.9 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\),相当于 \(18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)。
- 7.10 表观质量偏高,偏高量为 \(\boxed{0.0059\ \mathrm g}\);称得的固体质量约为 \(\boxed{3.006\ \mathrm g}\)。
解答
下文中以点号分隔的 SMILES 表示盐的离子组成。这些字符串并不表示其晶格。含氧酸根的 SMILES 给出一种形式上的成键及电荷表示;实际成键包含共振离域。
7.1
氯离子 [Cl-] 与银(I)离子 [Ag+] 以 \(1:1\) 的物质的量之比反应。采用通常将所观察到的终点视为化学计量点的近似,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cl-}) &=n(\ce{Ag+})\\ &=(0.00164\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (16.16\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.65024\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
原始水样体积为 \(50.00\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3}\),因此
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.65024\times10^{-5}} {50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
7.2
使用 \(M(\ce{Cl})=35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \rho(\ce{Cl-}) &=(5.30048\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=0.0187902\ \mathrm{g\,dm^{-3}}\\ &=\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
由于 \(18.8>8\),按照题目给出的标准,该水样含有足够的氯离子,可维持牡蛎正常生长。
7.3
待测组分为氯离子,滴定剂中参与反应的物种为银(I)离子。二者生成难溶的氯化银 [Ag+].[Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}. \]
无论水样中最初与氯离子相伴的反离子是什么,该净离子方程式均适用。
7.4
指示剂提供铬酸根离子 [O-][Cr](=O)(=O)[O-]。铬酸根中,铬周围的氧原子呈近似四面体排列。
随着游离银(I)离子浓度升高,铬酸银沉淀析出:
\[ \boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}. \]
砖红色固体是铬酸银 [Ag+].[Ag+].[O-][Cr](=O)(=O)[O-]。
7.5
在铬酸银刚开始沉淀时,
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4}) =[\ce{Ag+}]^2[\ce{CrO4^2-}]. \]
因此,
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{1.00\times10^{-12}}{0.020}} =7.071\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
此时也存在固体氯化银,因此其溶解平衡要求
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl}) =[\ce{Ag+}][\ce{Cl-}]. \]
于是,
\[ \begin{aligned} [\ce{Cl-}] &=\frac{1.78\times10^{-10}}{7.071\times10^{-6}}\\ &=2.517\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
这是红色沉淀刚形成时滴定混合液中溶解态氯离子的浓度。
7.6
酸使铬酸根转化为重铬酸根:
\[ \boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}. \]
这里引入的物种为氢离子(质子)[H+]、水 O 和重铬酸根离子 [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr](=O)(=O)[O-]。重铬酸根由两个共用一个氧原子的铬氧四面体组成。
酸性增强使该平衡向右移动,降低铬酸根浓度。由于沉淀生成要求
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})} {[\ce{CrO4^2-}]}}, \]
铬酸根浓度越低,生成指示剂沉淀所需的银(I)离子浓度就越高。因此,终点会延迟出现。
7.7
当酸及其共轭碱的浓度相近时,缓冲体系最为有效,因此其 \(pK_\mathrm a\) 应接近目标 pH。
由 \(pK_\mathrm a=-\log_{10}K_\mathrm a\) 得:
| 缓冲体系编号 | \(pK_\mathrm a\) | pH 7.20 时所需的碱/酸浓度比 |
|---|---|---|
| 1 | 3.854 | \(2.22\times10^3\) |
| 2 | 4.745 | \(2.85\times10^2\) |
| 3 | 7.208 | \(0.983\) |
| 4 | 9.252 | \(8.88\times10^{-3}\) |
这些比值由 Henderson–Hasselbalch 方程求得,
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+ \log_{10}\frac{[\text{共轭碱}]}{[\text{弱酸}]}. \]
因此,选择缓冲体系 3。其弱酸为磷酸二氢根离子 O=P(O)(O)[O-],共轭碱为磷酸氢根离子 O=P(O)([O-])[O-]。二者在磷周围均呈近似四面体配位构型。
它们的平衡为
\[ \ce{H2PO4-(aq) <=> H+(aq) + HPO4^2-(aq)}. \]
在 pH 7.20 时,
\[ \begin{aligned} \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]} &=\frac{K_\mathrm a}{[\ce{H+}]}\\ &=\frac{6.2\times10^{-8}}{10^{-7.20}}\\ &=\boxed{0.9826\approx0.983}. \end{aligned} \]
二者用量几乎相等,可提供有效的缓冲作用。碱组分通过下列反应中和加入的酸:
\[ \ce{HPO4^2-(aq) + H+(aq) -> H2PO4-(aq)}. \]
7.8
假定使用无水盐:
- 磷酸二氢钠,\(\ce{NaH2PO4}\),
[Na+].O=P(O)(O)[O-],其 \(M=119.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。 - 磷酸氢二钠,\(\ce{Na2HPO4}\),
[Na+].[Na+].O=P(O)([O-])[O-],其 \(M=141.96\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
按照表中的标称浓度,取酸浓度为 \(0.100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)。对于 \(500\ \mathrm{cm^3}=0.500\ \mathrm{dm^3}\),
\[ n(\ce{NaH2PO4}) =(0.100)(0.500)=0.0500\ \mathrm{mol}. \]
所需碱的物质的量为
\[ n(\ce{Na2HPO4}) =0.9826(0.0500) =0.04913\ \mathrm{mol}. \]
因此,
\[ m(\ce{NaH2PO4}) =(0.0500)(119.98) \approx\boxed{6.00\ \mathrm g}, \]
\[ m(\ce{Na2HPO4}) =(0.04913)(141.96) \approx\boxed{6.97\ \mathrm g}. \]
将两种盐溶于蒸馏水,并稀释至最终溶液体积为 \(500\ \mathrm{cm^3}\)。
若直接采用表中 \(0.10\ \mathrm M/0.10\ \mathrm M\) 的组成,则每种组分均需 \(0.0500\ \mathrm{mol}\)。对应的质量分别为 \(6.00\ \mathrm g\) 和 \(7.10\ \mathrm g\),且
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+\log_{10}1=7.208\approx7.2. \]
因此,这一标称配方也满足 7.8 中保留一位小数的 pH 要求。
7.9
硫氰酸根离子 [S-]C#N 将过量的银(I)离子沉淀为硫氰酸银 [Ag+].[S-]C#N:
\[ \ce{Ag+(aq) + SCN-(aq) -> AgSCN(s)}. \]
氯离子沉淀反应和该返滴定反应的化学计量比均为 \(1:1\)。因此,
\[ n(\ce{Cl-}) =n(\text{加入的银})-n(\text{剩余的银}). \]
加入的银的物质的量为
\[ n_\mathrm{added} =(50.00\times10^{-3})(0.00129) =6.450\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
硫氰酸根滴定测得
\[ n_\mathrm{remaining} =(27.46\times10^{-3})(1.41\times10^{-3}) =3.87186\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
因此,
\[ n(\ce{Cl-}) =6.450\times10^{-5}-3.87186\times10^{-5} =2.57814\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
使用原始水样体积,
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.57814\times10^{-5}}{50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
相应的质量浓度为
\[ (5.15628\times10^{-4})(35.45)(10^3) =\boxed{18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \]
7.10
光分解生成金属银(以原子形式表示为 [Ag])和氯气 ClCl:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)}. \]
随后,氯气与过量的银(I)离子反应:
\[ \ce{3Cl2(g) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
可溶的含氯产物为氯酸根离子 [O-][Cl](=O)=O。
每六摩尔氯化银发生光分解,会生成三摩尔氯气。这些氯气生成五摩尔新的氯化银。合并后的物料衡算方程式为
\[ \ce{6AgCl(s) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 6Ag(s) + 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
金属银和新沉淀的氯化银均保留在被称量的固体中。
使用
\[ M(\ce{AgCl})=107.87+35.45=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
最初发生光分解的物质的量为
\[ n_\mathrm{decomp} =\frac{0.010}{143.32} =6.98\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
保留下来的金属银的质量为
\[ m(\ce{Ag}) =\frac{0.010}{143.32}(107.87) =0.00753\ \mathrm g. \]
新生成的氯化银的质量为
\[ m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} =\frac56\left(\frac{0.010}{143.32}\right)(143.32) =0.00833\ \mathrm g. \]
因此,质量变化为
\[ \begin{aligned} \Delta m &=m(\ce{Ag})+m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} -m(\ce{AgCl})_\mathrm{decomposed}\\ &=0.007526+0.008333-0.010\\ &=+0.00586\ \mathrm g. \end{aligned} \]
因此,表观质量偏高约 \(0.0059\ \mathrm g\):
\[ m_\mathrm{apparent} =3.000+0.00586 =3.00586\ \mathrm g \approx\boxed{3.006\ \mathrm g}. \]
质量增加是因为溶液中额外的银进入了所收集的固体。
解答已与官方解答核对。
IChO 1992 · Теоретическая задача 7
Определение хлоридов в воде Чесапикского залива
Когда после обильных весенних дождей впадающие в Чесапикский залив пресноводные реки разливаются, увеличение количества пресной воды в заливе приводит к снижению солёности в местах обитания устриц. Минимальная концентрация хлорид-ионов, необходимая для нормального роста устриц в устричных банках, составляет 8 ppm (\(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)).
После недели обильных дождей проводят следующий анализ воды из залива. К пробе воды из залива объёмом \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) добавляют несколько капель раствора \(\ce{K2CrO4}\). Затем пробу титруют, затрачивая \(16.16\ \mathrm{cm^3}\) 0.00164 M раствора \(\ce{AgNO3}\). После добавления раствора \(\ce{AgNO3}\) к пробе образуется яркий красно-оранжевый осадок.
7.1 Какова молярная концентрация хлоридов в пробе?
7.2 Содержит ли вода достаточно хлоридов для нормального роста устриц? Приведите расчёт.
7.3 Напишите уравнение реакции определяемого вещества с титрантом и расставьте коэффициенты.
7.4 Напишите сокращённое ионное уравнение реакции, вызывающей изменение окраски в конечной точке титрования, и расставьте коэффициенты. Какое соединение обусловливает кирпично-красную окраску?
7.5 Концентрация хромат-ионов в конечной точке титрования составляет 0.020 M. Рассчитайте концентрацию хлорид-ионов в растворе в момент образования красного осадка.
7.6 Для наиболее эффективного проведения этого титрования титруемый раствор должен быть нейтральным или слабощелочным. Напишите уравнение конкурирующей реакции, которая протекала бы в кислой среде и влияла бы на наблюдаемую конечную точку этого титрования, и расставьте коэффициенты.
Обычно, если исходная проба имеет кислую реакцию, для регулирования pH к титруемому раствору добавляют буфер. Предположим, что pH пробы воды из залива составлял 5.10, то есть проба была слишком кислой для точного проведения анализа.
7.7 Выберите из списка буфер, который позволит установить и поддерживать pH 7.20 в водной среде. Приведите расчёты, обосновывающие ваш выбор.
| Буферные системы | \(K_\mathrm{a}\) слабой кислоты | |
|---|---|---|
| 1. | 0.10 M молочная кислота / 0.10 M лактат натрия | \(1.4\times10^{-4}\) |
| 2. | 0.10 M уксусная кислота / 0.10 M ацетат натрия | \(1.8\times10^{-5}\) |
| 3. | 0.10 M дигидрофосфат натрия / / 0.10 M гидрофосфат натрия |
\(6.2\times10^{-8}\) |
| 4. | 0.10 M хлорид аммония / 0.10 M аммиак | \(5.6\times10^{-10}\) |
7.8 Используя выбранную буферную систему, рассчитайте массы (в г) слабой кислоты и сопряжённого основания, которые необходимо растворить в дистиллированной воде для приготовления \(500\ \mathrm{cm^3}\) запасного буферного раствора с pH 7.2.
7.9 Концентрацию хлоридов в другой пробе воды из залива объёмом \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) определили методом Фольгарда. В этом методе к пробе добавляют избыток \(\ce{AgNO3}\). Избыток \(\ce{Ag+}\) титруют стандартизованным раствором \(\ce{KSCN}\), при этом образуется осадок \(\ce{AgSCN}\). О достижении конечной точки свидетельствует образование красновато-коричневого комплекса \(\ce{FeSCN^2+}\), который возникает после полного расходования \(\ce{Ag+}\). Если на титрование избытка \(\ce{Ag+}\), оставшегося после добавления к пробе воды \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.00129 M раствора \(\ce{AgNO3}\), потребовалось \(27.46\ \mathrm{cm^3}\) \(1.41\,10^{-3}\) M раствора \(\ce{KSCN}\), рассчитайте концентрацию хлоридов в пробе воды из залива.
В природных водах со значительно более высокой концентрацией \(\ce{Cl-}\) содержание \(\ce{Cl-}\) можно определить гравиметрически, осаждая \(\ce{Cl-}\) в виде \(\ce{AgCl}\). Осложняющим обстоятельством при использовании этого метода является то, что \(\ce{AgCl}\) подвержен фотохимическому разложению, как показано следующей реакцией:

Кроме того, если это фотохимическое разложение происходит в присутствии избытка \(\ce{Ag+}\), протекает следующая дополнительная реакция:

Если 0.010 г из образца \(\ce{AgCl}\) массой 3.000 г, загрязнённого избытком \(\ce{Ag+}\), подвергается фотохимическому разложению согласно приведённым выше уравнениям
7.10 Будет ли кажущаяся масса \(\ce{AgCl}\) завышенной или заниженной? Объясните свой ответ, указав, на сколько граммов будут различаться эти два значения.
Данные:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl})=1.78\times10^{-10} \]
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})=1.00\times10^{-12} \]
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 7.1 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), при обычном приближении, согласно которому конечная точка титрования соответствует стехиометрической эквивалентности.
- 7.2 Да. Концентрация хлоридов составляет \(\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\), что превышает \(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.3 \(\boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}\).
- 7.4 \(\boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}\). Кирпично-красную окраску обусловливает хромат серебра.
- 7.5 \(\boxed{[\ce{Cl-}]\approx2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 7.6 \(\boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}\).
- 7.7 Буфер 3, пара дигидрофосфат/гидрофосфат: \[ \boxed{pK_\mathrm{a}=7.208,\qquad \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]}=0.983}. \]
- 7.8 Для безводных солей, задав концентрацию кислотного компонента равной \(0.100\ \mathrm M\), следует взять приблизительно \(\boxed{6.00\ \mathrm g\ \ce{NaH2PO4}}\) и \(\boxed{6.97\ \mathrm g\ \ce{Na2HPO4}}\) и довести объём раствора до \(500\ \mathrm{cm^3}\). При номинальном составе с одинаковыми концентрациями \(0.10\ \mathrm M\) берут соответственно \(6.00\ \mathrm g\) и \(7.10\ \mathrm g\), что даёт pH \(7.208\approx7.2\).
- 7.9 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), что соответствует \(18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.10 Кажущаяся масса завышена на \(\boxed{0.0059\ \mathrm g}\); масса взвешиваемой твёрдой фазы составляет приблизительно \(\boxed{3.006\ \mathrm g}\).
Решение
Приведённые ниже записи SMILES с фрагментами, разделёнными точками, задают ионный состав солей. Их кристаллические решётки этими строками не описываются. Записи SMILES для оксоанионов показывают один из формальных вариантов распределения связей и зарядов; реальное строение связей включает резонансную делокализацию.
7.1
Хлорид-ион, [Cl-], реагирует с ионом серебра(I), [Ag+], в молярном соотношении \(1:1\). Используя обычное приближение, согласно которому наблюдаемая конечная точка титрования соответствует стехиометрической эквивалентности, получаем
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cl-}) &=n(\ce{Ag+})\\ &=(0.00164\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (16.16\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.65024\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Исходный объём пробы равен \(50.00\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3}\), поэтому
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.65024\times10^{-5}} {50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
7.2
Используя \(M(\ce{Cl})=35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем
\[ \begin{aligned} \rho(\ce{Cl-}) &=(5.30048\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=0.0187902\ \mathrm{g\,dm^{-3}}\\ &=\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Поскольку \(18.8>8\), проба содержит достаточно хлоридов для нормального роста устриц согласно критерию, указанному в условии задачи.
7.3
Определяемым веществом является хлорид-ион, а реагирующей частицей титранта — ион серебра(I). Они образуют нерастворимый хлорид серебра, [Ag+].[Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}. \]
Это сокращённое ионное уравнение справедливо независимо от противоионов, первоначально присутствовавших в пробе вместе с хлорид-ионами.
7.4
Индикатор служит источником хромат-ионов, [O-][Cr](=O)(=O)[O-]. В хромат-ионе атомы кислорода располагаются вокруг хрома приблизительно тетраэдрически.
По мере повышения концентрации свободных ионов серебра(I) выпадает осадок хромата серебра:
\[ \boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}. \]
Кирпично-красное твёрдое вещество — хромат серебра, [Ag+].[Ag+].[O-][Cr](=O)(=O)[O-].
7.5
В момент начала осаждения хромата серебра
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4}) =[\ce{Ag+}]^2[\ce{CrO4^2-}]. \]
Следовательно,
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{1.00\times10^{-12}}{0.020}} =7.071\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Твёрдый хлорид серебра также присутствует, поэтому равновесие его растворения требует выполнения условия
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl}) =[\ce{Ag+}][\ce{Cl-}]. \]
Таким образом,
\[ \begin{aligned} [\ce{Cl-}] &=\frac{1.78\times10^{-10}}{7.071\times10^{-6}}\\ &=2.517\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Это концентрация растворённых хлорид-ионов в титруемой смеси в момент начала образования красного осадка.
7.6
Кислота превращает хромат в дихромат:
\[ \boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}. \]
Здесь появляются следующие частицы: ион водорода (протон), [H+]; вода, O; и дихромат-ион, [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr](=O)(=O)[O-]. Дихромат-ион состоит из двух хром-кислородных тетраэдров с одним общим атомом кислорода.
Повышение кислотности смещает это равновесие вправо, снижая концентрацию хромат-ионов. Поскольку для осаждения необходимо, чтобы
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})} {[\ce{CrO4^2-}]}}, \]
уменьшение концентрации хромат-ионов означает, что для образования осадка индикатора требуется более высокая концентрация ионов серебра(I). Поэтому конечная точка титрования достигается с запаздыванием.
7.7
Буфер действует наиболее эффективно, когда концентрации кислоты и сопряжённого основания сопоставимы, поэтому его \(pK_\mathrm a\) должен быть близок к требуемому pH.
Из \(pK_\mathrm a=-\log_{10}K_\mathrm a\) получаем:
| Номер буфера | \(pK_\mathrm a\) | Требуемое отношение основание/кислота при pH 7.20 |
|---|---|---|
| 1 | 3.854 | \(2.22\times10^3\) |
| 2 | 4.745 | \(2.85\times10^2\) |
| 3 | 7.208 | \(0.983\) |
| 4 | 9.252 | \(8.88\times10^{-3}\) |
Эти отношения следуют из уравнения Гендерсона–Хассельбаха,
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+ \log_{10}\frac{[\text{сопряжённое основание}]}{[\text{слабая кислота}]}. \]
Следовательно, выбираем буфер 3. Его слабая кислота — дигидрофосфат-ион, O=P(O)(O)[O-], а сопряжённое основание — гидрофосфат-ион, O=P(O)([O-])[O-]. В обоих ионах окружение фосфора приблизительно тетраэдрическое.
Равновесие между ними описывается уравнением
\[ \ce{H2PO4-(aq) <=> H+(aq) + HPO4^2-(aq)}. \]
При pH 7.20
\[ \begin{aligned} \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]} &=\frac{K_\mathrm a}{[\ce{H+}]}\\ &=\frac{6.2\times10^{-8}}{10^{-7.20}}\\ &=\boxed{0.9826\approx0.983}. \end{aligned} \]
Почти равные количества обеспечивают эффективное буферное действие. Основный компонент нейтрализует добавленную кислоту по реакции
\[ \ce{HPO4^2-(aq) + H+(aq) -> H2PO4-(aq)}. \]
7.8
Предположим, что используются безводные соли:
- Дигидрофосфат натрия, \(\ce{NaH2PO4}\),
[Na+].O=P(O)(O)[O-], с \(M=119.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). - Гидрофосфат натрия, \(\ce{Na2HPO4}\),
[Na+].[Na+].O=P(O)([O-])[O-], с \(M=141.96\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
Примем концентрацию кислоты равной \(0.100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\), согласно номинальной концентрации в таблице. Для \(500\ \mathrm{cm^3}=0.500\ \mathrm{dm^3}\)
\[ n(\ce{NaH2PO4}) =(0.100)(0.500)=0.0500\ \mathrm{mol}. \]
Необходимое количество основания составляет
\[ n(\ce{Na2HPO4}) =0.9826(0.0500) =0.04913\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно,
\[ m(\ce{NaH2PO4}) =(0.0500)(119.98) \approx\boxed{6.00\ \mathrm g}, \]
\[ m(\ce{Na2HPO4}) =(0.04913)(141.96) \approx\boxed{6.97\ \mathrm g}. \]
Растворите обе соли в дистиллированной воде и доведите конечный объём раствора до \(500\ \mathrm{cm^3}\).
Если непосредственно использовать указанный в таблице состав \(0.10\ \mathrm M/0.10\ \mathrm M\), потребуется по \(0.0500\ \mathrm{mol}\) каждого компонента. Соответствующие массы равны \(6.00\ \mathrm g\) и \(7.10\ \mathrm g\), причём
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+\log_{10}1=7.208\approx7.2. \]
Таким образом, этот номинальный состав также соответствует значению pH, указанному в 7.8 с точностью до одного знака после десятичного разделителя.
7.9
Тиоцианат-ион, [S-]C#N, осаждает избыток ионов серебра(I) в виде тиоцианата серебра, [Ag+].[S-]C#N:
\[ \ce{Ag+(aq) + SCN-(aq) -> AgSCN(s)}. \]
Как осаждение хлорид-ионов, так и это обратное титрование имеют стехиометрию \(1:1\). Следовательно,
\[ n(\ce{Cl-}) =n(\text{добавленное серебро})-n(\text{оставшееся серебро}). \]
Количество добавленного серебра составляет
\[ n_\mathrm{added} =(50.00\times10^{-3})(0.00129) =6.450\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Титрованием тиоцианатом определяется
\[ n_\mathrm{remaining} =(27.46\times10^{-3})(1.41\times10^{-3}) =3.87186\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно,
\[ n(\ce{Cl-}) =6.450\times10^{-5}-3.87186\times10^{-5} =2.57814\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Используя исходный объём пробы воды, получаем
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.57814\times10^{-5}}{50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Соответствующая массовая концентрация равна
\[ (5.15628\times10^{-4})(35.45)(10^3) =\boxed{18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \]
7.10
При фотохимическом разложении образуются металлическое серебро, представленное на атомном уровне как [Ag], и хлор, ClCl:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)}. \]
Затем хлор реагирует с избытком ионов серебра(I):
\[ \ce{3Cl2(g) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Растворимым хлорсодержащим продуктом является хлорат-ион, [O-][Cl](=O)=O.
На каждые шесть молей хлорида серебра, подвергшегося фотохимическому разложению, образуется три моля хлора. Из них образуется пять молей нового хлорида серебра. Суммарное уравнение, учитывающее эти превращения, имеет вид
\[ \ce{6AgCl(s) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 6Ag(s) + 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
Как металлическое серебро, так и вновь осаждённый хлорид серебра остаются во взвешиваемой твёрдой фазе.
Используя
\[ M(\ce{AgCl})=107.87+35.45=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
получаем количество вещества, первоначально подвергшегося фотохимическому разложению:
\[ n_\mathrm{decomp} =\frac{0.010}{143.32} =6.98\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
Масса оставшегося в твёрдой фазе металлического серебра равна
\[ m(\ce{Ag}) =\frac{0.010}{143.32}(107.87) =0.00753\ \mathrm g. \]
Масса вновь образовавшегося хлорида серебра равна
\[ m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} =\frac56\left(\frac{0.010}{143.32}\right)(143.32) =0.00833\ \mathrm g. \]
Таким образом, изменение массы составляет
\[ \begin{aligned} \Delta m &=m(\ce{Ag})+m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} -m(\ce{AgCl})_\mathrm{decomposed}\\ &=0.007526+0.008333-0.010\\ &=+0.00586\ \mathrm g. \end{aligned} \]
Следовательно, кажущаяся масса завышена приблизительно на \(0.0059\ \mathrm g\):
\[ m_\mathrm{apparent} =3.000+0.00586 =3.00586\ \mathrm g \approx\boxed{3.006\ \mathrm g}. \]
Увеличение массы происходит потому, что в собранную твёрдую фазу включается дополнительное серебро из раствора.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1992 · مسألة نظرية 7
تقدير الكلوريد في مياه خليج تشيسابيك
عندما تفيض أنهار المياه العذبة التي تصب في خليج تشيسابيك بعد هطول أمطار غزيرة في الربيع، تؤدي زيادة المياه العذبة في الخليج إلى انخفاض الملوحة في المناطق التي ينمو فيها المحار. ويبلغ الحد الأدنى لتركيز أيونات الكلوريد اللازم للنمو الطبيعي في مواطن المحار 8 ppm (\(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)).
بعد أسبوع من الأمطار الغزيرة، يُجرى التحليل الآتي على مياه من الخليج. تُضاف بضع قطرات من محلول \(\ce{K2CrO4}\) إلى عينة من مياه الخليج حجمها \(50.00\ \mathrm{cm^3}\). ثم تُعايَر العينة باستخدام \(16.16\ \mathrm{cm^3}\) من محلول \(\ce{AgNO3}\) تركيزه 0.00164 M. وبعد إضافة محلول \(\ce{AgNO3}\) إلى العينة، يتكوّن راسب ذو لون أحمر برتقالي زاهٍ.
7.1 ما التركيز المولي للكلوريد في العينة؟
7.2 هل تحتوي المياه على كمية كافية من الكلوريد للنمو الطبيعي للمحار؟ بيّن حساباتك.
7.3 اكتب معادلة موزونة لتفاعل المادة المراد تحليلها مع المادة المُعايِرة.
7.4 اكتب معادلة أيونية صافية موزونة تصف التفاعل المسؤول عن تغيّر اللون عند نقطة نهاية المعايرة. ما المركّب الذي يُنتج اللون الأحمر الآجري؟
7.5 يبلغ تركيز الكرومات عند نقطة النهاية 0.020 M. احسب تركيز أيونات الكلوريد في المحلول عندما يتكوّن الراسب الأحمر.
7.6 لكي تكون هذه المعايرة أكثر فعالية، يجب أن يكون المحلول الذي تجري معايرته متعادلًا أو قاعديًا قليلًا. اكتب معادلة موزونة للتفاعل المنافس الذي سيحدث في وسط حمضي ويؤثر في نقطة النهاية المرصودة لهذه المعايرة.
عادةً ما يُضاف محلول منظِّم إلى المحلول الذي تجري معايرته لضبط الأس الهيدروجيني pH إذا كانت العينة الأصلية حمضية. افترض أن قيمة pH لعينة مياه الخليج كانت 5.10، أي إنها حمضية أكثر مما ينبغي لإجراء التحليل بدقة.
7.7 اختر من القائمة محلولًا منظِّمًا يمكّنك من الوصول إلى قيمة pH تساوي 7.20 في وسط مائي والحفاظ عليها. بيّن الحسابات التي تؤدي إلى اختيارك.
| الأنظمة المنظِّمة | \(K_\mathrm{a}\) للحمض الضعيف | |
|---|---|---|
| 1. | حمض اللاكتيك 0.10 M / لاكتات الصوديوم 0.10 M | \(1.4\times10^{-4}\) |
| 2. | حمض الأسيتيك 0.10 M / أسيتات الصوديوم 0.10 M | \(1.8\times10^{-5}\) |
| 3. | ثنائي هيدروجين فوسفات الصوديوم 0.10 M / / هيدروجين فوسفات الصوديوم 0.10 M |
\(6.2\times10^{-8}\) |
| 4. | كلوريد الأمونيوم 0.10 M / الأمونيا 0.10 M | \(5.6\times10^{-10}\) |
7.8 باستخدام النظام المنظِّم المختار، احسب كتلة الحمض الضعيف وكتلة القاعدة المرافقة (بوحدة g) اللتين يلزم إذابتهما في الماء المقطّر لتحضير \(500\ \mathrm{cm^3}\) من محلول أمّ منظَّم عند قيمة pH تساوي 7.2.
7.9 حُدِّد تركيز الكلوريد في عينة أخرى من مياه الخليج حجمها \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) بطريقة فولهارد. في هذه الطريقة، تُضاف كمية فائضة من \(\ce{AgNO3}\) إلى العينة. وتُعايَر كمية \(\ce{Ag+}\) الفائضة باستخدام محلول \(\ce{KSCN}\) معلوم التركيز بدقة، فيتكوّن راسب من \(\ce{AgSCN}\). ويُستدل على نقطة النهاية بتكوّن معقّد \(\ce{FeSCN^2+}\) ذي اللون البني المحمر، الذي يتكوّن عند نفاد \(\ce{Ag+}\). إذا تطلّبت معايرة كمية \(\ce{Ag+}\) الفائضة الناتجة عن إضافة \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) من محلول \(\ce{AgNO3}\) تركيزه 0.00129 M إلى عينة المياه، حجمًا قدره \(27.46\ \mathrm{cm^3}\) من محلول \(\ce{KSCN}\) تركيزه \(1.41\,10^{-3}\) M، فاحسب تركيز الكلوريد في عينة مياه الخليج.
في المياه الطبيعية ذات التركيز الأعلى بكثير من \(\ce{Cl-}\)، يمكن تقدير \(\ce{Cl-}\) وزنيًا بترسيب \(\ce{Cl-}\) على هيئة \(\ce{AgCl}\). ومن العوامل التي تُعقّد هذه الطريقة قابلية \(\ce{AgCl}\) للتحلّل الضوئي، كما يوضّح التفاعل:

علاوةً على ذلك، إذا حدث هذا التحلّل الضوئي بوجود فائض من \(\ce{Ag+}\)، فإن التفاعل الإضافي الآتي يحدث:

إذا خضع 0.010 g من عينة كتلتها 3.000 g من \(\ce{AgCl}\) الملوّث بفائض من \(\ce{Ag+}\) للتحلّل الضوئي وفق المعادلات أعلاه
7.10 فهل سيكون الوزن الظاهري لـ \(\ce{AgCl}\) أعلى أم أقل مما ينبغي؟ فسّر إجابتك، مبيّنًا مقدار الفرق بالغرام بين القيمتين.
المعطيات:
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl})=1.78\times10^{-10} \]
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})=1.00\times10^{-12} \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 7.1 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\)، باستخدام التقريب الستوكيومتري المعتاد لنقطة النهاية.
- 7.2 نعم. يبلغ تركيز الكلوريد \(\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\)، وهو يتجاوز \(8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.3 \(\boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}\).
- 7.4 \(\boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}\). تُنتج كرومات الفضة اللون الأحمر الآجري.
- 7.5 \(\boxed{[\ce{Cl-}]\approx2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 7.6 \(\boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}\).
- 7.7 المحلول المنظِّم 3، وهو زوج ثنائي هيدروجين الفوسفات/هيدروجين الفوسفات: \[ \boxed{pK_\mathrm{a}=7.208,\qquad \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]}=0.983}. \]
- 7.8 للأملاح اللامائية، مع تثبيت تركيز المكوّن الحمضي عند \(0.100\ \mathrm M\)، تُستخدم كتلتان تقريبيتان هما \(\boxed{6.00\ \mathrm g\ \ce{NaH2PO4}}\) و\(\boxed{6.97\ \mathrm g\ \ce{Na2HPO4}}\)، ويُخفَّف المحلول إلى \(500\ \mathrm{cm^3}\). تستخدم الوصفة الاسمية ذات التركيزين المتساويين \(0.10\ \mathrm M\) كتلتين قدرهما \(6.00\ \mathrm g\) و\(7.10\ \mathrm g\)، على الترتيب، وتعطي قيمة pH تساوي \(7.208\approx7.2\).
- 7.9 \(\boxed{[\ce{Cl-}]=5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\)، وهو ما يكافئ \(18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
- 7.10 تكون الكتلة الظاهرية أعلى مما ينبغي بمقدار \(\boxed{0.0059\ \mathrm g}\)؛ وتبلغ كتلة المادة الصلبة المقيسة نحو \(\boxed{3.006\ \mathrm g}\).
الحل
تحدّد سلاسل SMILES أدناه، التي تفصل النقاط بين مكوّناتها، التركيب الأيوني للأملاح. ولا تمثّل هذه السلاسل شبكاتها البلورية. وتقدّم سلاسل SMILES للأنيونات الأكسجينية تمثيلًا شكليًا واحدًا للروابط والشحنات؛ أما الترابط الفعلي فيتضمّن عدم تمركز الإلكترونات بفعل الرنين.
7.1
يتفاعل أيون الكلوريد، [Cl-]، مع أيون الفضة(I)، [Ag+]، بنسبة مولية \(1:1\). وباستخدام التقريب المعتاد الذي يفترض أن نقطة النهاية المرصودة تمثّل التكافؤ الستوكيومتري،
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cl-}) &=n(\ce{Ag+})\\ &=(0.00164\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (16.16\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.65024\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
حجم العينة الأصلية هو \(50.00\times10^{-3}\ \mathrm{dm^3}\)، ومن ثم
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.65024\times10^{-5}} {50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.30\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
7.2
باستخدام \(M(\ce{Cl})=35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ \begin{aligned} \rho(\ce{Cl-}) &=(5.30048\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (35.45\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=0.0187902\ \mathrm{g\,dm^{-3}}\\ &=\boxed{18.8\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
بما أن \(18.8>8\)، فإن العينة تحتوي على كمية كافية من الكلوريد للنمو الطبيعي للمحار وفق المعيار الوارد في المسألة.
7.3
المادة المراد تحليلها هي الكلوريد، والنوع المتفاعل في محلول المعايرة هو الفضة(I). وهما يُكوِّنان كلوريد الفضة غير الذائب، [Ag+].[Cl-]:
\[ \boxed{\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}}. \]
تنطبق هذه المعادلة الأيونية الصافية بصرف النظر عن الأيونات المقابلة التي كانت ترافق الكلوريد أصلًا في العينة.
7.4
يوفّر الدليل أيونات الكرومات، [O-][Cr](=O)(=O)[O-]. ويكون ترتيب ذرات الأكسجين حول الكروم في الكرومات رباعي السطوح تقريبًا.
مع ارتفاع تركيز الفضة(I) الحرة، تترسّب كرومات الفضة:
\[ \boxed{\ce{2Ag+(aq) + CrO4^2-(aq) -> Ag2CrO4(s)}}. \]
المادة الصلبة ذات اللون الأحمر الآجري هي كرومات الفضة، [Ag+].[Ag+].[O-][Cr](=O)(=O)[O-].
7.5
عند بدء ترسّب كرومات الفضة،
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4}) =[\ce{Ag+}]^2[\ce{CrO4^2-}]. \]
وبناءً على ذلك،
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{1.00\times10^{-12}}{0.020}} =7.071\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
يوجد كلوريد الفضة الصلب أيضًا، لذا يتطلّب اتزان ذوبانيته أن يكون
\[ K_{\mathrm{sp}}(\ce{AgCl}) =[\ce{Ag+}][\ce{Cl-}]. \]
ومن ثم،
\[ \begin{aligned} [\ce{Cl-}] &=\frac{1.78\times10^{-10}}{7.071\times10^{-6}}\\ &=2.517\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{2.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
هذا هو تركيز الكلوريد الذائب في مزيج المعايرة عند بدء تكوّن الراسب الأحمر.
7.6
يحوّل الحمض الكرومات إلى ثنائي الكرومات:
\[ \boxed{\ce{2CrO4^2-(aq) + 2H+(aq) <=> Cr2O7^2-(aq) + H2O(l)}}. \]
الأنواع الكيميائية التي ترد هنا هي أيون الهيدروجين (البروتون)، [H+]؛ والماء، O؛ وأيون ثنائي الكرومات، [O-][Cr](=O)(=O)O[Cr](=O)(=O)[O-]. ويتكوّن ثنائي الكرومات من وحدتين رباعيتي السطوح من الكروم والأكسجين تشتركان في ذرة أكسجين واحدة.
تؤدي زيادة الحموضة إلى إزاحة هذا الاتزان نحو اليمين، مما يخفض تركيز الكرومات. وبما أن الترسيب يتطلّب
\[ [\ce{Ag+}] =\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}(\ce{Ag2CrO4})} {[\ce{CrO4^2-}]}}, \]
فإن انخفاض كمية الكرومات يعني الحاجة إلى تركيز أعلى من الفضة(I) لتكوين راسب الدليل. ولذلك تتأخر نقطة النهاية.
7.7
يعمل المحلول المنظِّم بأعلى فعالية عندما يكون تركيزا الحمض وقاعدته المرافقة متقاربين، لذا ينبغي أن تكون قيمة \(pK_\mathrm a\) قريبة من قيمة pH المطلوبة.
من العلاقة \(pK_\mathrm a=-\log_{10}K_\mathrm a\):
| رقم المحلول المنظِّم | \(pK_\mathrm a\) | نسبة القاعدة/الحمض المطلوبة عند pH يساوي 7.20 |
|---|---|---|
| 1 | 3.854 | \(2.22\times10^3\) |
| 2 | 4.745 | \(2.85\times10^2\) |
| 3 | 7.208 | \(0.983\) |
| 4 | 9.252 | \(8.88\times10^{-3}\) |
تُستنتج هذه النسب من معادلة هندرسون–هاسلبالخ،
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+ \log_{10}\frac{[\text{القاعدة المرافقة}]}{[\text{الحمض الضعيف}]}. \]
لذلك، نختار المحلول المنظِّم 3. حمضه الضعيف هو أيون ثنائي هيدروجين الفوسفات، O=P(O)(O)[O-]، وقاعدته المرافقة هي أيون هيدروجين الفوسفات، O=P(O)([O-])[O-]. ولكليهما تناسق رباعي السطوح تقريبًا حول الفوسفور.
اتزانهما هو
\[ \ce{H2PO4-(aq) <=> H+(aq) + HPO4^2-(aq)}. \]
عند قيمة pH تساوي 7.20،
\[ \begin{aligned} \frac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4-}]} &=\frac{K_\mathrm a}{[\ce{H+}]}\\ &=\frac{6.2\times10^{-8}}{10^{-7.20}}\\ &=\boxed{0.9826\approx0.983}. \end{aligned} \]
توفّر الكميتان شبه المتساويتين تنظيمًا فعالًا للأس الهيدروجيني. ويعادل المكوّن القاعدي الحمض المضاف من خلال
\[ \ce{HPO4^2-(aq) + H+(aq) -> H2PO4-(aq)}. \]
7.8
نفترض استخدام أملاح لامائية:
- ثنائي هيدروجين فوسفات الصوديوم، \(\ce{NaH2PO4}\)،
[Na+].O=P(O)(O)[O-]، وكتلته المولية \(M=119.98\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). - هيدروجين فوسفات ثنائي الصوديوم، \(\ce{Na2HPO4}\)،
[Na+].[Na+].O=P(O)([O-])[O-]، وكتلته المولية \(M=141.96\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
نأخذ تركيز الحمض مساويًا لـ \(0.100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)، وفقًا للتركيز الاسمي الوارد في الجدول. ولحجم \(500\ \mathrm{cm^3}=0.500\ \mathrm{dm^3}\)،
\[ n(\ce{NaH2PO4}) =(0.100)(0.500)=0.0500\ \mathrm{mol}. \]
كمية القاعدة المطلوبة هي
\[ n(\ce{Na2HPO4}) =0.9826(0.0500) =0.04913\ \mathrm{mol}. \]
إذًا،
\[ m(\ce{NaH2PO4}) =(0.0500)(119.98) \approx\boxed{6.00\ \mathrm g}, \]
\[ m(\ce{Na2HPO4}) =(0.04913)(141.96) \approx\boxed{6.97\ \mathrm g}. \]
نُذيب الملحين في الماء المقطّر ونُخفِّف إلى حجم نهائي للمحلول قدره \(500\ \mathrm{cm^3}\).
إذا استُخدم التركيب المدرج في الجدول، \(0.10\ \mathrm M/0.10\ \mathrm M\)، مباشرةً، فإن كل مكوّن يتطلّب \(0.0500\ \mathrm{mol}\). والكتلتان المقابلتان هما \(6.00\ \mathrm g\) و\(7.10\ \mathrm g\)، وتكون
\[ \mathrm{pH}=pK_\mathrm a+\log_{10}1=7.208\approx7.2. \]
وعليه، تحقق هذه الوصفة الاسمية أيضًا قيمة pH المذكورة إلى منزلة عشرية واحدة في 7.8.
7.9
يُرسِّب أيون الثيوسيانات، [S-]C#N، الفضة(I) الفائضة على هيئة ثيوسيانات الفضة، [Ag+].[S-]C#N:
\[ \ce{Ag+(aq) + SCN-(aq) -> AgSCN(s)}. \]
لكلٍّ من ترسيب الكلوريد وهذه المعايرة الراجعة نسبة ستوكيومترية \(1:1\). ومن ثم،
\[ n(\ce{Cl-}) =n(\text{الفضة المضافة})-n(\text{الفضة المتبقية}). \]
كمية الفضة المضافة هي
\[ n_\mathrm{added} =(50.00\times10^{-3})(0.00129) =6.450\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
تقيس المعايرة بالثيوسيانات
\[ n_\mathrm{remaining} =(27.46\times10^{-3})(1.41\times10^{-3}) =3.87186\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
إذًا،
\[ n(\ce{Cl-}) =6.450\times10^{-5}-3.87186\times10^{-5} =2.57814\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
باستخدام الحجم الأصلي لعينة المياه،
\[ [\ce{Cl-}] =\frac{2.57814\times10^{-5}}{50.00\times10^{-3}} =\boxed{5.16\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
التركيز الكتلي المقابل هو
\[ (5.15628\times10^{-4})(35.45)(10^3) =\boxed{18.3\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \]
7.10
ينتج عن التحلّل الضوئي فضة فلزية، تُمثَّل ذريًا بالرمز [Ag]، وكلور، ClCl:
\[ \ce{2AgCl(s) -> 2Ag(s) + Cl2(g)}. \]
ثم يتفاعل الكلور مع الفضة(I) الفائضة:
\[ \ce{3Cl2(g) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
الناتج الذائب المحتوي على الكلور هو أيون الكلورات، [O-][Cl](=O)=O.
مقابل كل ستة مولات من كلوريد الفضة تتحلّل ضوئيًا، تتكوّن ثلاثة مولات من الكلور. وتُنتج هذه خمسة مولات من كلوريد الفضة الجديد. والمعادلة الإجمالية لحصيلة التفاعلين هي
\[ \ce{6AgCl(s) + 3H2O(l) + 5Ag+(aq) -> 6Ag(s) + 5AgCl(s) + ClO3-(aq) + 6H+(aq)}. \]
تبقى الفضة الفلزية وكلوريد الفضة المترسّب حديثًا كلاهما ضمن المادة الصلبة الموزونة.
باستخدام
\[ M(\ce{AgCl})=107.87+35.45=143.32\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
تكون الكمية التي تحلّلت ضوئيًا في البداية
\[ n_\mathrm{decomp} =\frac{0.010}{143.32} =6.98\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \]
كتلة الفضة الفلزية المحتجزة هي
\[ m(\ce{Ag}) =\frac{0.010}{143.32}(107.87) =0.00753\ \mathrm g. \]
كتلة كلوريد الفضة المتكوّن حديثًا هي
\[ m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} =\frac56\left(\frac{0.010}{143.32}\right)(143.32) =0.00833\ \mathrm g. \]
وعليه، يكون التغيّر في الكتلة
\[ \begin{aligned} \Delta m &=m(\ce{Ag})+m(\ce{AgCl})_\mathrm{new} -m(\ce{AgCl})_\mathrm{decomposed}\\ &=0.007526+0.008333-0.010\\ &=+0.00586\ \mathrm g. \end{aligned} \]
لذلك تكون الكتلة الظاهرية أعلى مما ينبغي بنحو \(0.0059\ \mathrm g\):
\[ m_\mathrm{apparent} =3.000+0.00586 =3.00586\ \mathrm g \approx\boxed{3.006\ \mathrm g}. \]
تحدث هذه الزيادة لأن كمية إضافية من الفضة الموجودة في المحلول تصبح جزءًا من المادة الصلبة المجمّعة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.