IChO 2011 · Theory problem 2
Combustion of ammonia
Anhydrous ammonia is an ultra-clean, energy-dense alternative liquid fuel. It produces no greenhouse gases on combustion.
In an experiment, gaseous \(\ce{NH3}\) is burned with \(\ce{O2}\) in a container of fixed volume according to the equation given below.

The initial and final states are at 298 K. After combustion with 14.40 g of \(\ce{O2}\), some of \(\ce{NH3}\) remains unreacted.
2.1 Calculate the heat released during the process.
\[ \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})=-46.11\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \quad\text{and}\quad \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285.83\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
To determine the amount of \(\ce{NH3}\) gas dissolved in water, produced during the combustion process, a 10.00 \(\mathrm{cm^3}\) sample of the aqueous solution was withdrawn from the reaction vessel and added to 15.0 \(\mathrm{cm^3}\) of a \(\ce{H2SO4}\) solution (\(c=0.0100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)). The resulting solution was titrated with a standard \(\ce{NaOH}\) solution (\(c=0.0200\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) and the equivalence point was reached at 10.64 \(\mathrm{cm^3}\).
\[ \left(K_b(\ce{NH3})=1.8\cdot10^{-5};\quad K_a(\ce{HSO4-})=1.1\cdot10^{-2}\right) \]
2.2 Calculate pH of the solution in the container after combustion.
2.3 At the end point of titration, \(\ce{NH4+}\) and \(\ce{SO4^2-}\) ions are present in the solution. Write the equations for the relevant equilibria to show how the presence of these two ions affects the pH and calculate their equilibrium constant(s).
2.4 Tick the correct statement for the pH of the solution at the equivalence point.
\[ \square\ \mathrm{pH}>7 \qquad \square\ \mathrm{pH}=7 \qquad \square\ \mathrm{pH}<7 \]
Official English text of the problem.
Answers
- 2.1: Heat released: \(\boxed{227.7\ \mathrm{kJ}}\). Thus \(q_V=-227.7\ \mathrm{kJ}\) for the reacting system.
- 2.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=10.59\approx10.6}\). The usual weak-base approximation gives \(10.60\).
- 2.3: Ammonium ion,
[NH4+], undergoes acidic hydrolysis with \(\boxed{K_a=5.6\times10^{-10}}\). Sulfate ion,[O-]S(=O)(=O)[O-], undergoes basic hydrolysis with \(\boxed{K_b=9.1\times10^{-13}}\). The balanced equilibria are given below. - 2.4: Tick \(\boxed{\mathrm{pH}<7}\).
Solution
The chemical species used below have the following names and SMILES. Physical states are indicated in the equations; SMILES do not specify physical state.
| Formula | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | Ammonia | N |
| \(\ce{O2}\) | Dioxygen | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Dinitrogen | N#N |
| \(\ce{H2O}\) | Water | O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Sulfuric acid | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaOH}\) | Sodium hydroxide | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ammonium ion | [NH4+] |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Sulfate ion | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HSO4-}\) | Hydrogen sulfate ion | OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Hydronium ion | [OH3+] |
| \(\ce{OH-}\) | Hydroxide ion | [OH-] |
2.1 — Heat released at constant volume
The balanced combustion equation is
\[ \ce{4NH3(g) + 3O2(g) -> 2N2(g) + 6H2O(l)}. \]
Since ammonia remains unreacted, oxygen is the limiting reagent and is completely consumed:
\[ n(\ce{O2})=\frac{14.40\ \mathrm g}{32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.4500\ \mathrm{mol}. \]
The reaction extent is therefore
\[ \xi=\frac{0.4500}{3}=0.1500\ \mathrm{mol}. \]
The standard formation enthalpies of elemental \(\ce{N2(g)}\) and \(\ce{O2(g)}\) are zero. Thus, per mole of reaction as written,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=6\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)}) -4\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})\\ &=6(-285.83)-4(-46.11)\\ &=-1530.54\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
At constant volume, with only pressure–volume work, the heat equals the internal-energy change. Using ideal-gas behavior and neglecting the liquid’s \(pV\) contribution,
\[ \Delta_{\mathrm r}U^\circ =\Delta_{\mathrm r}H^\circ-\Delta\nu_gRT. \]
Water is liquid, so the change in gaseous stoichiometric coefficients is
\[ \Delta\nu_g=2-(4+3)=-5. \]
Consequently,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}U^\circ &=-1530.54-(-5)(8.314\times10^{-3})(298)\\ &=-1518.15\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \end{aligned} \]
and
\[ q_V=\xi\Delta_{\mathrm r}U^\circ =(0.1500)(-1518.15) =-227.7\ \mathrm{kJ}. \]
Therefore, the heat released is \(227.7\ \mathrm{kJ}\).
2.2 — pH of the solution after combustion
Sulfuric acid supplies two acid equivalents per mole. Ammonia consumes one acid equivalent per mole; the overall neutralization is
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2NH3(aq) -> 2NH4+(aq) + SO4^2-(aq)}. \]
The excess acid is then neutralized by hydroxide during the back titration, through reactions including
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
and
\[ \ce{HSO4-(aq) + OH-(aq) -> SO4^2-(aq) + H2O(l)}. \]
The initial amount of sulfuric acid is
\[ n(\ce{H2SO4}) =(0.0100)(15.0\times10^{-3}) =1.50\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
The amount of hydroxide used is
\[ n(\ce{OH-}) =(0.0200)(10.64\times10^{-3}) =2.128\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Hence the total amount of dissolved ammonia in the aliquot is
\[ \begin{aligned} n_{\mathrm{ammonia}} &=2n(\ce{H2SO4})-n(\ce{OH-})\\ &=3.00\times10^{-4}-2.128\times10^{-4}\\ &=8.72\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Its analytical concentration in the original solution is
\[ C=\frac{8.72\times10^{-5}}{10.00\times10^{-3}} =8.72\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Ammonia establishes the equilibrium
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}. \]
Neglecting water’s small contribution to the hydroxide concentration, let
\[ x=[\ce{OH-}]=[\ce{NH4+}],\qquad [\ce{NH3}]=C-x. \]
Then
\[ K_b=\frac{x^2}{C-x}=1.8\times10^{-5}, \]
so
\[ x=\frac{-K_b+\sqrt{K_b^2+4K_bC}}{2} =3.8728\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Using \(K_w=1.0\times10^{-14}\) at 298 K,
\[ \mathrm{pOH}=3.412, \qquad \boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.412=10.59}. \]
The approximation \(x\approx\sqrt{K_bC}\) gives \(\mathrm{pH}=10.60\), consistent with reporting the result as approximately \(10.6\).
2.3 — Hydrolysis equilibria and their constants
Ammonium is the conjugate acid of ammonia. It produces hydronium ions and therefore lowers the pH:
\[ \boxed{\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> NH3(aq) + H3O+(aq)}}. \]
Its acid-dissociation constant is
\[ \boxed{ K_a(\ce{NH4+}) =\frac{K_w}{K_b(\ce{NH3})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} =5.6\times10^{-10} }. \]
Sulfate is the conjugate base of hydrogen sulfate. It produces hydroxide ions and therefore raises the pH:
\[ \boxed{\ce{SO4^2-(aq) + H2O(l) <=> HSO4-(aq) + OH-(aq)}}. \]
Its base-dissociation constant is
\[ \boxed{ K_b(\ce{SO4^2-}) =\frac{K_w}{K_a(\ce{HSO4-})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.1\times10^{-2}} =9.1\times10^{-13} }. \]
2.4 — pH at the equivalence point
The acidic hydrolysis constant of ammonium is approximately
\[ \frac{K_a(\ce{NH4+})}{K_b(\ce{SO4^2-})} \approx6.1\times10^2 \]
times the basic hydrolysis constant of sulfate.
Their analytical amounts are comparable: the sulfate-to-ammonium ratio is only
\[ \frac{1.50\times10^{-4}}{8.72\times10^{-5}}=1.72. \]
Thus ammonium’s acidic effect dominates sulfate’s basic effect. Tick the third box:
\[ \boxed{\mathrm{pH}<7}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 2011 · Theorieaufgabe 2
Verbrennung von Ammoniak
Wasserfreies Ammoniak ist ein äußerst sauberer alternativer Flüssigbrennstoff mit hoher Energiedichte. Bei seiner Verbrennung entstehen keine Treibhausgase.
In einem Experiment wird gasförmiges \(\ce{NH3}\) mit \(\ce{O2}\) in einem Behälter mit konstantem Volumen gemäß der unten angegebenen Gleichung verbrannt.

Anfangs- und Endzustand liegen bei 298 K vor. Nach der Verbrennung mit 14.40 g \(\ce{O2}\) bleibt ein Teil des \(\ce{NH3}\) unumgesetzt.
2.1 Berechnen Sie die während des Vorgangs freigesetzte Wärme.
\[ \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})=-46.11\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \quad\text{und}\quad \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285.83\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
Um die Menge des im Verbrennungswasser gelösten \(\ce{NH3}\)-Gases zu bestimmen, wurde dem Reaktionsgefäß eine Probe von 10.00 \(\mathrm{cm^3}\) der wässrigen Lösung entnommen und zu 15.0 \(\mathrm{cm^3}\) einer \(\ce{H2SO4}\)-Lösung (\(c=0.0100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) gegeben. Die erhaltene Lösung wurde mit einer \(\ce{NaOH}\)-Maßlösung (\(c=0.0200\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) titriert; der Äquivalenzpunkt wurde bei 10.64 \(\mathrm{cm^3}\) erreicht.
\[ \left(K_b(\ce{NH3})=1.8\cdot10^{-5};\quad K_a(\ce{HSO4-})=1.1\cdot10^{-2}\right) \]
2.2 Berechnen Sie den pH-Wert der Lösung im Behälter nach der Verbrennung.
2.3 Am Endpunkt der Titration sind \(\ce{NH4+}\)- und \(\ce{SO4^2-}\)-Ionen in der Lösung vorhanden. Stellen Sie die Gleichungen für die relevanten Gleichgewichte auf, um zu zeigen, wie die Anwesenheit dieser beiden Ionen den pH-Wert beeinflusst, und berechnen Sie ihre Gleichgewichtskonstante(n).
2.4 Kreuzen Sie die richtige Aussage zum pH-Wert der Lösung am Äquivalenzpunkt an.
\[ \square\ \mathrm{pH}>7 \qquad \square\ \mathrm{pH}=7 \qquad \square\ \mathrm{pH}<7 \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 2.1: Freigesetzte Wärme: \(\boxed{227.7\ \mathrm{kJ}}\). Somit gilt für das reagierende System \(q_V=-227.7\ \mathrm{kJ}\).
- 2.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=10.59\approx10.6}\). Die übliche Näherung für schwache Basen ergibt \(10.60\).
- 2.3: Das Ammonium-Ion,
[NH4+], unterliegt einer sauren Hydrolyse mit \(\boxed{K_a=5.6\times10^{-10}}\). Das Sulfat-Ion,[O-]S(=O)(=O)[O-], unterliegt einer basischen Hydrolyse mit \(\boxed{K_b=9.1\times10^{-13}}\). Die ausgeglichenen Gleichgewichtsgleichungen sind unten angegeben. - 2.4: Kreuzen Sie \(\boxed{\mathrm{pH}<7}\) an.
Lösung
Die im Folgenden verwendeten chemischen Spezies haben die folgenden Namen und SMILES. Die Aggregatzustände sind in den Gleichungen angegeben; SMILES geben keinen Aggregatzustand an.
| Formel | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | Ammoniak | N |
| \(\ce{O2}\) | Disauerstoff | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Distickstoff | N#N |
| \(\ce{H2O}\) | Wasser | O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Schwefelsäure | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaOH}\) | Natriumhydroxid | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ammonium-Ion | [NH4+] |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Sulfat-Ion | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HSO4-}\) | Hydrogensulfat-Ion | OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Oxonium-Ion | [OH3+] |
| \(\ce{OH-}\) | Hydroxid-Ion | [OH-] |
2.1 — Bei konstantem Volumen freigesetzte Wärme
Die ausgeglichene Verbrennungsgleichung lautet
\[ \ce{4NH3(g) + 3O2(g) -> 2N2(g) + 6H2O(l)}. \]
Da Ammoniak unumgesetzt zurückbleibt, ist Sauerstoff der limitierende Reaktand und wird vollständig verbraucht:
\[ n(\ce{O2})=\frac{14.40\ \mathrm g}{32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.4500\ \mathrm{mol}. \]
Der Reaktionsfortschritt beträgt daher
\[ \xi=\frac{0.4500}{3}=0.1500\ \mathrm{mol}. \]
Die Standardbildungsenthalpien von elementarem \(\ce{N2(g)}\) und \(\ce{O2(g)}\) sind null. Somit gilt pro Mol Reaktionsumsatz gemäß der angegebenen Gleichung:
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=6\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)}) -4\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})\\ &=6(-285.83)-4(-46.11)\\ &=-1530.54\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Bei konstantem Volumen entspricht die Wärme der Änderung der inneren Energie, sofern ausschließlich Druck-Volumen-Arbeit auftritt. Unter Annahme idealen Gasverhaltens und unter Vernachlässigung des \(pV\)-Beitrags der Flüssigkeit gilt
\[ \Delta_{\mathrm r}U^\circ =\Delta_{\mathrm r}H^\circ-\Delta\nu_gRT. \]
Wasser liegt flüssig vor, daher beträgt die Änderung der Summe der stöchiometrischen Koeffizienten der gasförmigen Stoffe
\[ \Delta\nu_g=2-(4+3)=-5. \]
Folglich gilt
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}U^\circ &=-1530.54-(-5)(8.314\times10^{-3})(298)\\ &=-1518.15\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \end{aligned} \]
und
\[ q_V=\xi\Delta_{\mathrm r}U^\circ =(0.1500)(-1518.15) =-227.7\ \mathrm{kJ}. \]
Die freigesetzte Wärme beträgt somit \(227.7\ \mathrm{kJ}\).
2.2 — pH-Wert der Lösung nach der Verbrennung
Schwefelsäure liefert zwei Säureäquivalente pro Mol. Ammoniak verbraucht ein Säureäquivalent pro Mol; die Gesamtgleichung der Neutralisation lautet
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2NH3(aq) -> 2NH4+(aq) + SO4^2-(aq)}. \]
Die überschüssige Säure wird anschließend bei der Rücktitration durch Hydroxid neutralisiert, unter anderem durch die Reaktionen
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
und
\[ \ce{HSO4-(aq) + OH-(aq) -> SO4^2-(aq) + H2O(l)}. \]
Die anfängliche Stoffmenge an Schwefelsäure beträgt
\[ n(\ce{H2SO4}) =(0.0100)(15.0\times10^{-3}) =1.50\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Die eingesetzte Stoffmenge an Hydroxid beträgt
\[ n(\ce{OH-}) =(0.0200)(10.64\times10^{-3}) =2.128\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Damit beträgt die gesamte Stoffmenge an gelöstem Ammoniak im Aliquot
\[ \begin{aligned} n_{\mathrm{ammonia}} &=2n(\ce{H2SO4})-n(\ce{OH-})\\ &=3.00\times10^{-4}-2.128\times10^{-4}\\ &=8.72\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Seine analytische Konzentration in der ursprünglichen Lösung beträgt
\[ C=\frac{8.72\times10^{-5}}{10.00\times10^{-3}} =8.72\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Ammoniak stellt das folgende Gleichgewicht ein:
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}. \]
Unter Vernachlässigung des geringen Beitrags des Wassers zur Hydroxidkonzentration setzen wir
\[ x=[\ce{OH-}]=[\ce{NH4+}],\qquad [\ce{NH3}]=C-x. \]
Dann gilt
\[ K_b=\frac{x^2}{C-x}=1.8\times10^{-5}, \]
also
\[ x=\frac{-K_b+\sqrt{K_b^2+4K_bC}}{2} =3.8728\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Mit \(K_w=1.0\times10^{-14}\) bei 298 K ergibt sich
\[ \mathrm{pOH}=3.412, \qquad \boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.412=10.59}. \]
Die Näherung \(x\approx\sqrt{K_bC}\) ergibt \(\mathrm{pH}=10.60\), was mit der Angabe des Ergebnisses als ungefähr \(10.6\) übereinstimmt.
2.3 — Hydrolysegleichgewichte und ihre Konstanten
Ammonium ist die konjugierte Säure von Ammoniak. Es bildet Oxonium-Ionen und senkt daher den pH-Wert:
\[ \boxed{\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> NH3(aq) + H3O+(aq)}}. \]
Seine Säuredissoziationskonstante beträgt
\[ \boxed{ K_a(\ce{NH4+}) =\frac{K_w}{K_b(\ce{NH3})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} =5.6\times10^{-10} }. \]
Sulfat ist die konjugierte Base von Hydrogensulfat. Es bildet Hydroxid-Ionen und erhöht daher den pH-Wert:
\[ \boxed{\ce{SO4^2-(aq) + H2O(l) <=> HSO4-(aq) + OH-(aq)}}. \]
Seine Basendissoziationskonstante beträgt
\[ \boxed{ K_b(\ce{SO4^2-}) =\frac{K_w}{K_a(\ce{HSO4-})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.1\times10^{-2}} =9.1\times10^{-13} }. \]
2.4 — pH-Wert am Äquivalenzpunkt
Die Konstante der sauren Hydrolyse von Ammonium ist ungefähr
\[ \frac{K_a(\ce{NH4+})}{K_b(\ce{SO4^2-})} \approx6.1\times10^2 \]
mal so groß wie die Konstante der basischen Hydrolyse von Sulfat.
Ihre analytischen Stoffmengen sind vergleichbar: Das Verhältnis von Sulfat zu Ammonium beträgt lediglich
\[ \frac{1.50\times10^{-4}}{8.72\times10^{-5}}=1.72. \]
Somit überwiegt die saure Wirkung des Ammoniums die basische Wirkung des Sulfats. Kreuzen Sie das dritte Kästchen an:
\[ \boxed{\mathrm{pH}<7}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2011 · Teori sorusu 2
Amonyağın yanması
Susuz amonyak, son derece temiz, enerji yoğunluğu yüksek bir alternatif sıvı yakıttır. Yanması sırasında sera gazı oluşmaz.
Bir deneyde, gaz hâlindeki \(\ce{NH3}\), sabit hacimli bir kapta aşağıda verilen denkleme göre \(\ce{O2}\) ile yakılmaktadır.

Başlangıç ve son durumlarda sıcaklık 298 K'dir. 14.40 g \(\ce{O2}\) ile yanma sonrasında \(\ce{NH3}\)'ün bir kısmı tepkimeye girmeden kalmaktadır.
2.1 Bu süreçte açığa çıkan ısıyı hesaplayınız.
\[ \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})=-46.11\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \quad\text{ve}\quad \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285.83\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
Yanma sırasında oluşan suda çözünmüş \(\ce{NH3}\) gazının miktarını belirlemek için, tepkime kabındaki sulu çözeltiden 10.00 \(\mathrm{cm^3}\) örnek alınarak 15.0 \(\mathrm{cm^3}\) \(\ce{H2SO4}\) çözeltisine (\(c=0.0100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) eklenmiştir. Elde edilen çözelti, standart bir \(\ce{NaOH}\) çözeltisi (\(c=0.0200\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) ile titre edilmiş ve 10.64 \(\mathrm{cm^3}\) eklendiğinde eşdeğerlik noktasına ulaşılmıştır.
\[ \left(K_b(\ce{NH3})=1.8\cdot10^{-5};\quad K_a(\ce{HSO4-})=1.1\cdot10^{-2}\right) \]
2.2 Yanma sonrasında kaptaki çözeltinin pH değerini hesaplayınız.
2.3 Titrasyonun dönüm noktasında çözeltide \(\ce{NH4+}\) ve \(\ce{SO4^2-}\) iyonları bulunmaktadır. Bu iki iyonun varlığının pH'ı nasıl etkilediğini göstermek için ilgili denge denklemlerini yazınız ve denge sabitlerini hesaplayınız.
2.4 Eşdeğerlik noktasındaki çözeltinin pH değeri için doğru ifadeyi işaretleyiniz.
\[ \square\ \mathrm{pH}>7 \qquad \square\ \mathrm{pH}=7 \qquad \square\ \mathrm{pH}<7 \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 2.1: Açığa çıkan ısı: \(\boxed{227.7\ \mathrm{kJ}}\). Dolayısıyla tepkimeye giren sistem için \(q_V=-227.7\ \mathrm{kJ}\) olur.
- 2.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=10.59\approx10.6}\). Yaygın olarak kullanılan zayıf baz yaklaşımı \(10.60\) sonucunu verir.
- 2.3: Amonyum iyonu,
[NH4+], \(\boxed{K_a=5.6\times10^{-10}}\) sabitiyle asidik hidrolize uğrar. Sülfat iyonu,[O-]S(=O)(=O)[O-], \(\boxed{K_b=9.1\times10^{-13}}\) sabitiyle bazik hidrolize uğrar. Denkleştirilmiş denge denklemleri aşağıda verilmiştir. - 2.4: \(\boxed{\mathrm{pH}<7}\) ifadesini işaretleyiniz.
Çözüm
Aşağıda kullanılan kimyasal türlerin adları ve SMILES gösterimleri şöyledir. Fiziksel hâller denklemlerde belirtilmiştir; SMILES gösterimleri fiziksel hâli belirtmez.
| Formül | Ad | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | Amonyak | N |
| \(\ce{O2}\) | Dioksijen | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Diazot | N#N |
| \(\ce{H2O}\) | Su | O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Sülfürik asit | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaOH}\) | Sodyum hidroksit | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{NH4+}\) | Amonyum iyonu | [NH4+] |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Sülfat iyonu | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HSO4-}\) | Hidrojen sülfat iyonu | OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Hidronyum iyonu | [OH3+] |
| \(\ce{OH-}\) | Hidroksit iyonu | [OH-] |
2.1 — Sabit hacimde açığa çıkan ısı
Denkleştirilmiş yanma denklemi şöyledir:
\[ \ce{4NH3(g) + 3O2(g) -> 2N2(g) + 6H2O(l)}. \]
Amonyağın bir kısmı tepkimeye girmeden kaldığından, oksijen sınırlayıcı reaktiftir ve tamamen tüketilir:
\[ n(\ce{O2})=\frac{14.40\ \mathrm g}{32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.4500\ \mathrm{mol}. \]
Dolayısıyla tepkimenin ilerleme miktarı şöyledir:
\[ \xi=\frac{0.4500}{3}=0.1500\ \mathrm{mol}. \]
Element hâlindeki \(\ce{N2(g)}\) ve \(\ce{O2(g)}\)'nin standart oluşum entalpileri sıfırdır. Dolayısıyla, yazıldığı biçimiyle tepkimenin bir molü başına,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=6\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)}) -4\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})\\ &=6(-285.83)-4(-46.11)\\ &=-1530.54\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Sabit hacimde ve yalnızca basınç–hacim işi söz konusu olduğunda, ısı iç enerji değişimine eşittir. İdeal gaz davranışı kabul edilip sıvının \(pV\) katkısı ihmal edildiğinde,
\[ \Delta_{\mathrm r}U^\circ =\Delta_{\mathrm r}H^\circ-\Delta\nu_gRT. \]
Su sıvı hâlde olduğundan, gaz hâlindeki türlerin stokiyometrik katsayıları toplamındaki değişim şöyledir:
\[ \Delta\nu_g=2-(4+3)=-5. \]
Bunun sonucunda,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}U^\circ &=-1530.54-(-5)(8.314\times10^{-3})(298)\\ &=-1518.15\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \end{aligned} \]
ve
\[ q_V=\xi\Delta_{\mathrm r}U^\circ =(0.1500)(-1518.15) =-227.7\ \mathrm{kJ}. \]
Dolayısıyla açığa çıkan ısı \(227.7\ \mathrm{kJ}\)'dür.
2.2 — Yanma sonrasında çözeltinin pH değeri
Sülfürik asit, mol başına iki eşdeğer asit sağlar. Amonyak, mol başına bir eşdeğer asit tüketir; toplam nötralleşme tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2NH3(aq) -> 2NH4+(aq) + SO4^2-(aq)}. \]
Ardından fazla asit, geri titrasyon sırasında hidroksit tarafından, aşağıdaki tepkimeleri de içeren tepkimeler yoluyla nötralleştirilir:
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
ve
\[ \ce{HSO4-(aq) + OH-(aq) -> SO4^2-(aq) + H2O(l)}. \]
Başlangıçtaki sülfürik asit miktarı şöyledir:
\[ n(\ce{H2SO4}) =(0.0100)(15.0\times10^{-3}) =1.50\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Kullanılan hidroksit miktarı şöyledir:
\[ n(\ce{OH-}) =(0.0200)(10.64\times10^{-3}) =2.128\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Buna göre, alınan örnekteki toplam çözünmüş amonyak miktarı şöyledir:
\[ \begin{aligned} n_{\mathrm{ammonia}} &=2n(\ce{H2SO4})-n(\ce{OH-})\\ &=3.00\times10^{-4}-2.128\times10^{-4}\\ &=8.72\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Başlangıçtaki çözeltide analitik derişimi şöyledir:
\[ C=\frac{8.72\times10^{-5}}{10.00\times10^{-3}} =8.72\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Amonyak aşağıdaki dengeyi kurar:
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}. \]
Suyun hidroksit derişimine yaptığı küçük katkıyı ihmal ederek şu tanımları yapalım:
\[ x=[\ce{OH-}]=[\ce{NH4+}],\qquad [\ce{NH3}]=C-x. \]
Bu durumda,
\[ K_b=\frac{x^2}{C-x}=1.8\times10^{-5}, \]
dolayısıyla
\[ x=\frac{-K_b+\sqrt{K_b^2+4K_bC}}{2} =3.8728\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
298 K'de \(K_w=1.0\times10^{-14}\) kullanılarak,
\[ \mathrm{pOH}=3.412, \qquad \boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.412=10.59}. \]
\(x\approx\sqrt{K_bC}\) yaklaşımı \(\mathrm{pH}=10.60\) sonucunu verir; bu, sonucun yaklaşık \(10.6\) olarak verilmesiyle tutarlıdır.
2.3 — Hidroliz dengeleri ve sabitleri
Amonyum, amonyağın eşlenik asididir. Hidronyum iyonları oluşturur ve bu nedenle pH'ı düşürür:
\[ \boxed{\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> NH3(aq) + H3O+(aq)}}. \]
Asit ayrışma sabiti şöyledir:
\[ \boxed{ K_a(\ce{NH4+}) =\frac{K_w}{K_b(\ce{NH3})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} =5.6\times10^{-10} }. \]
Sülfat, hidrojen sülfatın eşlenik bazıdır. Hidroksit iyonları oluşturur ve bu nedenle pH'ı yükseltir:
\[ \boxed{\ce{SO4^2-(aq) + H2O(l) <=> HSO4-(aq) + OH-(aq)}}. \]
Baz ayrışma sabiti şöyledir:
\[ \boxed{ K_b(\ce{SO4^2-}) =\frac{K_w}{K_a(\ce{HSO4-})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.1\times10^{-2}} =9.1\times10^{-13} }. \]
2.4 — Eşdeğerlik noktasındaki pH değeri
Amonyumun asidik hidroliz sabiti, sülfatın bazik hidroliz sabitinin yaklaşık
\[ \frac{K_a(\ce{NH4+})}{K_b(\ce{SO4^2-})} \approx6.1\times10^2 \]
katıdır.
Analitik miktarları birbirine yakındır: sülfatın amonyuma oranı yalnızca
\[ \frac{1.50\times10^{-4}}{8.72\times10^{-5}}=1.72. \]
Bu nedenle amonyumun asidik etkisi, sülfatın bazik etkisine baskın gelir. Üçüncü kutuyu işaretleyiniz:
\[ \boxed{\mathrm{pH}<7}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2011 · Problema teórico 2
Combustión del amoníaco
El amoníaco anhidro es un combustible líquido alternativo ultralimpio y de alta densidad energética. No produce gases de efecto invernadero al quemarse.
En un experimento, se quema \(\ce{NH3}\) gaseoso con \(\ce{O2}\) en un recipiente de volumen fijo según la ecuación que se muestra a continuación.

Los estados inicial y final se encuentran a 298 K. Tras la combustión con 14.40 g de \(\ce{O2}\), parte del \(\ce{NH3}\) queda sin reaccionar.
2.1 Calcule el calor liberado durante el proceso.
\[ \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})=-46.11\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \quad\text{y}\quad \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285.83\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
Para determinar la cantidad de gas \(\ce{NH3}\) disuelto en el agua producida durante el proceso de combustión, se extrajo del recipiente de reacción una muestra de 10.00 \(\mathrm{cm^3}\) de la disolución acuosa y se añadió a 15.0 \(\mathrm{cm^3}\) de una disolución de \(\ce{H2SO4}\) (\(c=0.0100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)). La disolución resultante se valoró con una disolución patrón de \(\ce{NaOH}\) (\(c=0.0200\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) y se alcanzó el punto de equivalencia a los 10.64 \(\mathrm{cm^3}\).
\[ \left(K_b(\ce{NH3})=1.8\cdot10^{-5};\quad K_a(\ce{HSO4-})=1.1\cdot10^{-2}\right) \]
2.2 Calcule el pH de la disolución en el recipiente después de la combustión.
2.3 En el punto final de la valoración, los iones \(\ce{NH4+}\) y \(\ce{SO4^2-}\) están presentes en la disolución. Escriba las ecuaciones de los equilibrios pertinentes para mostrar cómo afecta la presencia de estos dos iones al pH y calcule su(s) constante(s) de equilibrio.
2.4 Marque la afirmación correcta sobre el pH de la disolución en el punto de equivalencia.
\[ \square\ \mathrm{pH}>7 \qquad \square\ \mathrm{pH}=7 \qquad \square\ \mathrm{pH}<7 \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 2.1: Calor liberado: \(\boxed{227.7\ \mathrm{kJ}}\). Por tanto, \(q_V=-227.7\ \mathrm{kJ}\) para el sistema reaccionante.
- 2.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=10.59\approx10.6}\). La aproximación habitual para una base débil da \(10.60\).
- 2.3: El ion amonio,
[NH4+], experimenta hidrólisis ácida con \(\boxed{K_a=5.6\times10^{-10}}\). El ion sulfato,[O-]S(=O)(=O)[O-], experimenta hidrólisis básica con \(\boxed{K_b=9.1\times10^{-13}}\). Las ecuaciones ajustadas de los equilibrios se presentan a continuación. - 2.4: Marque \(\boxed{\mathrm{pH}<7}\).
Solución
Las especies químicas utilizadas a continuación tienen los siguientes nombres y SMILES. Los estados físicos se indican en las ecuaciones; los SMILES no especifican el estado físico.
| Fórmula | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | Amoníaco | N |
| \(\ce{O2}\) | Dioxígeno | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Dinitrógeno | N#N |
| \(\ce{H2O}\) | Agua | O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Ácido sulfúrico | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaOH}\) | Hidróxido de sodio | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ion amonio | [NH4+] |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Ion sulfato | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HSO4-}\) | Ion hidrogenosulfato | OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Ion hidronio | [OH3+] |
| \(\ce{OH-}\) | Ion hidróxido | [OH-] |
2.1 — Calor liberado a volumen constante
La ecuación ajustada de la combustión es
\[ \ce{4NH3(g) + 3O2(g) -> 2N2(g) + 6H2O(l)}. \]
Como queda amoníaco sin reaccionar, el oxígeno es el reactivo limitante y se consume por completo:
\[ n(\ce{O2})=\frac{14.40\ \mathrm g}{32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.4500\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto, el avance de la reacción es
\[ \xi=\frac{0.4500}{3}=0.1500\ \mathrm{mol}. \]
Las entalpías estándar de formación de las sustancias elementales \(\ce{N2(g)}\) y \(\ce{O2(g)}\) son cero. Así, por mol de reacción tal como está escrita,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=6\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)}) -4\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})\\ &=6(-285.83)-4(-46.11)\\ &=-1530.54\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
A volumen constante, cuando el único trabajo es el de presión–volumen, el calor es igual a la variación de energía interna. Suponiendo un comportamiento de gas ideal y despreciando la contribución \(pV\) del líquido,
\[ \Delta_{\mathrm r}U^\circ =\Delta_{\mathrm r}H^\circ-\Delta\nu_gRT. \]
El agua es líquida, por lo que la variación de los coeficientes estequiométricos de las especies gaseosas es
\[ \Delta\nu_g=2-(4+3)=-5. \]
En consecuencia,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}U^\circ &=-1530.54-(-5)(8.314\times10^{-3})(298)\\ &=-1518.15\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \end{aligned} \]
y
\[ q_V=\xi\Delta_{\mathrm r}U^\circ =(0.1500)(-1518.15) =-227.7\ \mathrm{kJ}. \]
Por tanto, el calor liberado es \(227.7\ \mathrm{kJ}\).
2.2 — pH de la disolución después de la combustión
El ácido sulfúrico aporta dos equivalentes de ácido por mol. El amoníaco consume un equivalente de ácido por mol; la neutralización global es
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2NH3(aq) -> 2NH4+(aq) + SO4^2-(aq)}. \]
A continuación, el exceso de ácido se neutraliza con hidróxido durante la valoración por retroceso, mediante reacciones entre las que se incluyen
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
y
\[ \ce{HSO4-(aq) + OH-(aq) -> SO4^2-(aq) + H2O(l)}. \]
La cantidad inicial de ácido sulfúrico es
\[ n(\ce{H2SO4}) =(0.0100)(15.0\times10^{-3}) =1.50\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
La cantidad de hidróxido utilizada es
\[ n(\ce{OH-}) =(0.0200)(10.64\times10^{-3}) =2.128\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Por consiguiente, la cantidad total de amoníaco disuelto en la alícuota es
\[ \begin{aligned} n_{\mathrm{ammonia}} &=2n(\ce{H2SO4})-n(\ce{OH-})\\ &=3.00\times10^{-4}-2.128\times10^{-4}\\ &=8.72\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Su concentración analítica en la disolución original es
\[ C=\frac{8.72\times10^{-5}}{10.00\times10^{-3}} =8.72\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
El amoníaco establece el equilibrio
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}. \]
Despreciando la pequeña contribución del agua a la concentración de hidróxido, sea
\[ x=[\ce{OH-}]=[\ce{NH4+}],\qquad [\ce{NH3}]=C-x. \]
Entonces,
\[ K_b=\frac{x^2}{C-x}=1.8\times10^{-5}, \]
por lo que
\[ x=\frac{-K_b+\sqrt{K_b^2+4K_bC}}{2} =3.8728\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Utilizando \(K_w=1.0\times10^{-14}\) a 298 K,
\[ \mathrm{pOH}=3.412, \qquad \boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.412=10.59}. \]
La aproximación \(x\approx\sqrt{K_bC}\) da \(\mathrm{pH}=10.60\), lo que concuerda con expresar el resultado como aproximadamente \(10.6\).
2.3 — Equilibrios de hidrólisis y sus constantes
El amonio es el ácido conjugado del amoníaco. Produce iones hidronio y, por tanto, disminuye el pH:
\[ \boxed{\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> NH3(aq) + H3O+(aq)}}. \]
Su constante de disociación ácida es
\[ \boxed{ K_a(\ce{NH4+}) =\frac{K_w}{K_b(\ce{NH3})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} =5.6\times10^{-10} }. \]
El sulfato es la base conjugada del hidrogenosulfato. Produce iones hidróxido y, por tanto, aumenta el pH:
\[ \boxed{\ce{SO4^2-(aq) + H2O(l) <=> HSO4-(aq) + OH-(aq)}}. \]
Su constante de disociación básica es
\[ \boxed{ K_b(\ce{SO4^2-}) =\frac{K_w}{K_a(\ce{HSO4-})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.1\times10^{-2}} =9.1\times10^{-13} }. \]
2.4 — pH en el punto de equivalencia
La constante de hidrólisis ácida del amonio es aproximadamente
\[ \frac{K_a(\ce{NH4+})}{K_b(\ce{SO4^2-})} \approx6.1\times10^2 \]
veces la constante de hidrólisis básica del sulfato.
Sus cantidades analíticas son comparables: la relación entre la cantidad de sulfato y la de amonio es de tan solo
\[ \frac{1.50\times10^{-4}}{8.72\times10^{-5}}=1.72. \]
Por tanto, el efecto ácido del amonio predomina sobre el efecto básico del sulfato. Marque la tercera casilla:
\[ \boxed{\mathrm{pH}<7}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2011 · 理论题 2
氨的燃烧
无水氨是一种超清洁、高能量密度的替代液体燃料。其燃烧时不产生温室气体。
在一项实验中,气态 \(\ce{NH3}\) 在固定容积的容器中与 \(\ce{O2}\) 按照下列方程式燃烧。

初态和终态的温度均为 298 K。与 14.40 g 的 \(\ce{O2}\) 燃烧反应后,仍有部分 \(\ce{NH3}\) 未反应。
2.1 计算该过程中放出的热量。
\[ \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})=-46.11\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \quad\text{和}\quad \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285.83\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
为测定溶解在燃烧过程中生成的水中的 \(\ce{NH3}\) 气体的量,从反应容器中取出 10.00 \(\mathrm{cm^3}\) 水溶液试样,加入 15.0 \(\mathrm{cm^3}\) 的 \(\ce{H2SO4}\) 溶液(\(c=0.0100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\))中。用标准 \(\ce{NaOH}\) 溶液(\(c=0.0200\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\))滴定所得溶液,消耗 10.64 \(\mathrm{cm^3}\) 时达到化学计量点。
\[ \left(K_b(\ce{NH3})=1.8\cdot10^{-5};\quad K_a(\ce{HSO4-})=1.1\cdot10^{-2}\right) \]
2.2 计算燃烧后容器内溶液的 pH。
2.3 在滴定终点,溶液中存在 \(\ce{NH4+}\) 和 \(\ce{SO4^2-}\) 离子。写出相关的平衡方程式,说明这两种离子的存在如何影响 pH,并计算相应的平衡常数。
2.4 勾选关于化学计量点时溶液 pH 的正确表述。
\[ \square\ \mathrm{pH}>7 \qquad \square\ \mathrm{pH}=7 \qquad \square\ \mathrm{pH}<7 \]
题目译自官方英文原文。
答案
- 2.1: 放出的热量:\(\boxed{227.7\ \mathrm{kJ}}\)。因此,对于反应体系,\(q_V=-227.7\ \mathrm{kJ}\)。
- 2.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=10.59\approx10.6}\)。采用通常的弱碱近似可得 \(10.60\)。
- 2.3: 铵离子
[NH4+]发生呈酸性的水解,\(\boxed{K_a=5.6\times10^{-10}}\)。硫酸根离子[O-]S(=O)(=O)[O-]发生呈碱性的水解,\(\boxed{K_b=9.1\times10^{-13}}\)。配平后的平衡方程式见下文。 - 2.4: 勾选 \(\boxed{\mathrm{pH}<7}\)。
解答
下文所用化学物种的名称和 SMILES 如下。物态在方程式中标明;SMILES 不指定物态。
| 化学式 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | 氨 | N |
| \(\ce{O2}\) | 氧气 | O=O |
| \(\ce{N2}\) | 氮气 | N#N |
| \(\ce{H2O}\) | 水 | O |
| \(\ce{H2SO4}\) | 硫酸 | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaOH}\) | 氢氧化钠 | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{NH4+}\) | 铵离子 | [NH4+] |
| \(\ce{SO4^2-}\) | 硫酸根离子 | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HSO4-}\) | 硫酸氢根离子 | OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{H3O+}\) | 水合氢离子 | [OH3+] |
| \(\ce{OH-}\) | 氢氧根离子 | [OH-] |
2.1 — 恒容条件下放出的热量
配平后的燃烧方程式为
\[ \ce{4NH3(g) + 3O2(g) -> 2N2(g) + 6H2O(l)}. \]
由于仍有氨未反应,氧气是限量试剂,已完全消耗:
\[ n(\ce{O2})=\frac{14.40\ \mathrm g}{32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.4500\ \mathrm{mol}. \]
因此,反应进度为
\[ \xi=\frac{0.4500}{3}=0.1500\ \mathrm{mol}. \]
单质 \(\ce{N2(g)}\) 和 \(\ce{O2(g)}\) 的标准生成焓均为零。因此,按所写反应方程式,每摩尔反应的标准反应焓为
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=6\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)}) -4\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})\\ &=6(-285.83)-4(-46.11)\\ &=-1530.54\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
在恒容且仅有体积功的条件下,热量等于内能变化。将气体视为理想气体,并忽略液体的 \(pV\) 贡献,可得
\[ \Delta_{\mathrm r}U^\circ =\Delta_{\mathrm r}H^\circ-\Delta\nu_gRT. \]
水为液态,因此气态物种的化学计量数之差为
\[ \Delta\nu_g=2-(4+3)=-5. \]
由此可得
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}U^\circ &=-1530.54-(-5)(8.314\times10^{-3})(298)\\ &=-1518.15\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \end{aligned} \]
以及
\[ q_V=\xi\Delta_{\mathrm r}U^\circ =(0.1500)(-1518.15) =-227.7\ \mathrm{kJ}. \]
因此,放出的热量为 \(227.7\ \mathrm{kJ}\)。
2.2 — 燃烧后溶液的 pH
每摩尔硫酸提供两个酸当量。每摩尔氨消耗一个酸当量;总中和反应为
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2NH3(aq) -> 2NH4+(aq) + SO4^2-(aq)}. \]
随后,在返滴定过程中,过量的酸被氢氧根离子中和,其中包括以下反应:
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
和
\[ \ce{HSO4-(aq) + OH-(aq) -> SO4^2-(aq) + H2O(l)}. \]
硫酸的初始物质的量为
\[ n(\ce{H2SO4}) =(0.0100)(15.0\times10^{-3}) =1.50\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
所用氢氧根离子的物质的量为
\[ n(\ce{OH-}) =(0.0200)(10.64\times10^{-3}) =2.128\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
因此,所取试样中溶解的氨的总物质的量为
\[ \begin{aligned} n_{\mathrm{ammonia}} &=2n(\ce{H2SO4})-n(\ce{OH-})\\ &=3.00\times10^{-4}-2.128\times10^{-4}\\ &=8.72\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
氨在原溶液中的分析浓度为
\[ C=\frac{8.72\times10^{-5}}{10.00\times10^{-3}} =8.72\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
氨建立如下平衡:
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}. \]
忽略水对氢氧根离子浓度的微小贡献,令
\[ x=[\ce{OH-}]=[\ce{NH4+}],\qquad [\ce{NH3}]=C-x. \]
则
\[ K_b=\frac{x^2}{C-x}=1.8\times10^{-5}, \]
所以
\[ x=\frac{-K_b+\sqrt{K_b^2+4K_bC}}{2} =3.8728\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
利用 298 K 时的 \(K_w=1.0\times10^{-14}\),可得
\[ \mathrm{pOH}=3.412, \qquad \boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.412=10.59}. \]
采用近似式 \(x\approx\sqrt{K_bC}\) 可得 \(\mathrm{pH}=10.60\),与将结果报告为约 \(10.6\) 一致。
2.3 — 水解平衡及其常数
铵离子是氨的共轭酸。它生成水合氢离子,因此使 pH 降低:
\[ \boxed{\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> NH3(aq) + H3O+(aq)}}. \]
其酸解离常数为
\[ \boxed{ K_a(\ce{NH4+}) =\frac{K_w}{K_b(\ce{NH3})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} =5.6\times10^{-10} }. \]
硫酸根离子是硫酸氢根离子的共轭碱。它生成氢氧根离子,因此使 pH 升高:
\[ \boxed{\ce{SO4^2-(aq) + H2O(l) <=> HSO4-(aq) + OH-(aq)}}. \]
其碱解离常数为
\[ \boxed{ K_b(\ce{SO4^2-}) =\frac{K_w}{K_a(\ce{HSO4-})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.1\times10^{-2}} =9.1\times10^{-13} }. \]
2.4 — 化学计量点时的 pH
铵离子呈酸性的水解常数约为硫酸根离子呈碱性的水解常数的
\[ \frac{K_a(\ce{NH4+})}{K_b(\ce{SO4^2-})} \approx6.1\times10^2 \]
倍。
两者的分析物质的量相近:硫酸根离子与铵离子的物质的量之比仅为
\[ \frac{1.50\times10^{-4}}{8.72\times10^{-5}}=1.72. \]
因此,铵离子的酸性作用强于硫酸根离子的碱性作用。勾选第三个方框:
\[ \boxed{\mathrm{pH}<7}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 2011 · Теоретическая задача 2
Горение аммиака
Безводный аммиак — сверхчистое альтернативное жидкое топливо с высокой плотностью энергии. При его сгорании не образуются парниковые газы.
В эксперименте газообразный \(\ce{NH3}\) сжигают в \(\ce{O2}\) в сосуде постоянного объёма в соответствии с приведённым ниже уравнением.

Температура в начальном и конечном состояниях составляет 298 K. После сжигания с 14.40 g \(\ce{O2}\) часть \(\ce{NH3}\) остаётся непрореагировавшей.
2.1 Рассчитайте количество теплоты, выделившейся в ходе процесса.
\[ \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})=-46.11\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \quad\text{и}\quad \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285.83\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
Для определения количества газообразного \(\ce{NH3}\), растворившегося в воде, образовавшейся в процессе горения, из реакционного сосуда отобрали пробу водного раствора объёмом 10.00 \(\mathrm{cm^3}\) и добавили её к 15.0 \(\mathrm{cm^3}\) раствора \(\ce{H2SO4}\) (\(c=0.0100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)). Полученный раствор титровали стандартным раствором \(\ce{NaOH}\) (\(c=0.0200\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)); точка эквивалентности была достигнута при добавлении 10.64 \(\mathrm{cm^3}\).
\[ \left(K_b(\ce{NH3})=1.8\cdot10^{-5};\quad K_a(\ce{HSO4-})=1.1\cdot10^{-2}\right) \]
2.2 Рассчитайте pH раствора в сосуде после горения.
2.3 В конечной точке титрования в растворе присутствуют ионы \(\ce{NH4+}\) и \(\ce{SO4^2-}\). Запишите уравнения соответствующих равновесий, чтобы показать, как присутствие этих двух ионов влияет на pH, и рассчитайте константу (константы) этих равновесий.
2.4 Отметьте правильное утверждение о pH раствора в точке эквивалентности.
\[ \square\ \mathrm{pH}>7 \qquad \square\ \mathrm{pH}=7 \qquad \square\ \mathrm{pH}<7 \]
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 2.1: Выделившаяся теплота: \(\boxed{227.7\ \mathrm{kJ}}\). Следовательно, для реагирующей системы \(q_V=-227.7\ \mathrm{kJ}\).
- 2.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=10.59\approx10.6}\). Обычное приближение для слабого основания даёт \(10.60\).
- 2.3: Ион аммония,
[NH4+], подвергается гидролизу с образованием кислой среды, причём \(\boxed{K_a=5.6\times10^{-10}}\). Сульфат-ион,[O-]S(=O)(=O)[O-], подвергается гидролизу с образованием щелочной среды, причём \(\boxed{K_b=9.1\times10^{-13}}\). Уравнения равновесий с расставленными коэффициентами приведены ниже. - 2.4: Отметьте \(\boxed{\mathrm{pH}<7}\).
Решение
Названия и SMILES химических частиц, используемых ниже, приведены в следующей таблице. Агрегатные состояния указаны в уравнениях; SMILES не задают агрегатное состояние.
| Формула | Название | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | Аммиак | N |
| \(\ce{O2}\) | Кислород | O=O |
| \(\ce{N2}\) | Азот | N#N |
| \(\ce{H2O}\) | Вода | O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Серная кислота | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaOH}\) | Гидроксид натрия | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{NH4+}\) | Ион аммония | [NH4+] |
| \(\ce{SO4^2-}\) | Сульфат-ион | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HSO4-}\) | Гидросульфат-ион | OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{H3O+}\) | Ион гидроксония | [OH3+] |
| \(\ce{OH-}\) | Гидроксид-ион | [OH-] |
2.1 — Теплота, выделившаяся при постоянном объёме
Уравнение горения с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{4NH3(g) + 3O2(g) -> 2N2(g) + 6H2O(l)}. \]
Поскольку часть аммиака остаётся непрореагировавшей, кислород является лимитирующим реагентом и расходуется полностью:
\[ n(\ce{O2})=\frac{14.40\ \mathrm g}{32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.4500\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, глубина реакции равна
\[ \xi=\frac{0.4500}{3}=0.1500\ \mathrm{mol}. \]
Стандартные энтальпии образования простых веществ \(\ce{N2(g)}\) и \(\ce{O2(g)}\) равны нулю. Поэтому в расчёте на один моль реакции, записанной выше,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=6\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)}) -4\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})\\ &=6(-285.83)-4(-46.11)\\ &=-1530.54\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
При постоянном объёме, если совершается только работа расширения или сжатия, теплота равна изменению внутренней энергии. Считая газы идеальными и пренебрегая вкладом жидкости в \(pV\), получаем
\[ \Delta_{\mathrm r}U^\circ =\Delta_{\mathrm r}H^\circ-\Delta\nu_gRT. \]
Вода находится в жидком состоянии, поэтому изменение суммы стехиометрических коэффициентов газообразных веществ равно
\[ \Delta\nu_g=2-(4+3)=-5. \]
Следовательно,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}U^\circ &=-1530.54-(-5)(8.314\times10^{-3})(298)\\ &=-1518.15\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \end{aligned} \]
и
\[ q_V=\xi\Delta_{\mathrm r}U^\circ =(0.1500)(-1518.15) =-227.7\ \mathrm{kJ}. \]
Таким образом, количество выделившейся теплоты составляет \(227.7\ \mathrm{kJ}\).
2.2 — pH раствора после горения
Один моль серной кислоты даёт два эквивалента кислоты. Один моль аммиака расходует один эквивалент кислоты; суммарное уравнение нейтрализации имеет вид
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2NH3(aq) -> 2NH4+(aq) + SO4^2-(aq)}. \]
Затем в ходе обратного титрования избыток кислоты нейтрализуется гидроксид-ионами в результате реакций, в том числе
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
и
\[ \ce{HSO4-(aq) + OH-(aq) -> SO4^2-(aq) + H2O(l)}. \]
Исходное количество серной кислоты равно
\[ n(\ce{H2SO4}) =(0.0100)(15.0\times10^{-3}) =1.50\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Количество израсходованных гидроксид-ионов равно
\[ n(\ce{OH-}) =(0.0200)(10.64\times10^{-3}) =2.128\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Отсюда общее количество растворённого аммиака в аликвоте составляет
\[ \begin{aligned} n_{\mathrm{ammonia}} &=2n(\ce{H2SO4})-n(\ce{OH-})\\ &=3.00\times10^{-4}-2.128\times10^{-4}\\ &=8.72\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Его аналитическая концентрация в исходном растворе равна
\[ C=\frac{8.72\times10^{-5}}{10.00\times10^{-3}} =8.72\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
В растворе аммиака устанавливается равновесие
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}. \]
Пренебрегая малым вкладом диссоциации воды в концентрацию гидроксид-ионов, положим
\[ x=[\ce{OH-}]=[\ce{NH4+}],\qquad [\ce{NH3}]=C-x. \]
Тогда
\[ K_b=\frac{x^2}{C-x}=1.8\times10^{-5}, \]
откуда
\[ x=\frac{-K_b+\sqrt{K_b^2+4K_bC}}{2} =3.8728\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Используя \(K_w=1.0\times10^{-14}\) при 298 K, получаем
\[ \mathrm{pOH}=3.412, \qquad \boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.412=10.59}. \]
Приближение \(x\approx\sqrt{K_bC}\) даёт \(\mathrm{pH}=10.60\), что согласуется с представлением результата в виде приближённого значения \(10.6\).
2.3 — Равновесия гидролиза и их константы
Ион аммония является сопряжённой кислотой аммиака. Он образует ионы гидроксония и поэтому понижает pH:
\[ \boxed{\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> NH3(aq) + H3O+(aq)}}. \]
Его константа кислотной диссоциации равна
\[ \boxed{ K_a(\ce{NH4+}) =\frac{K_w}{K_b(\ce{NH3})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} =5.6\times10^{-10} }. \]
Сульфат-ион является сопряжённым основанием гидросульфат-иона. Он образует гидроксид-ионы и поэтому повышает pH:
\[ \boxed{\ce{SO4^2-(aq) + H2O(l) <=> HSO4-(aq) + OH-(aq)}}. \]
Его константа основности равна
\[ \boxed{ K_b(\ce{SO4^2-}) =\frac{K_w}{K_a(\ce{HSO4-})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.1\times10^{-2}} =9.1\times10^{-13} }. \]
2.4 — pH в точке эквивалентности
Константа гидролиза иона аммония с образованием кислой среды приблизительно в
\[ \frac{K_a(\ce{NH4+})}{K_b(\ce{SO4^2-})} \approx6.1\times10^2 \]
раз больше константы гидролиза сульфат-иона с образованием щелочной среды.
Их аналитические количества сопоставимы: отношение количества сульфата к количеству аммония составляет всего
\[ \frac{1.50\times10^{-4}}{8.72\times10^{-5}}=1.72. \]
Таким образом, кислотное действие иона аммония преобладает над основным действием сульфат-иона. Отметьте третий квадратик:
\[ \boxed{\mathrm{pH}<7}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2011 · مسألة نظرية 2
احتراق الأمونيا
الأمونيا اللامائية وقود سائل بديل فائق النظافة وعالي كثافة الطاقة. ولا تنتج أي غازات دفيئة عند احتراقها.
في تجربة، يُحرق غاز \(\ce{NH3}\) مع \(\ce{O2}\) في وعاء ثابت الحجم وفقًا للمعادلة الواردة أدناه.

تكون درجتا الحرارة في الحالتين الابتدائية والنهائية 298 K. وبعد الاحتراق باستخدام 14.40 g من \(\ce{O2}\)، تبقى كمية من \(\ce{NH3}\) دون تفاعل.
2.1 احسب الحرارة المنطلقة أثناء العملية.
\[ \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})=-46.11\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \quad\text{و}\quad \Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)})=-285.83\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
لتحديد كمية غاز \(\ce{NH3}\) الذائب في الماء الناتج أثناء عملية الاحتراق، سُحبت عينة حجمها 10.00 \(\mathrm{cm^3}\) من المحلول المائي من وعاء التفاعل وأُضيفت إلى 15.0 \(\mathrm{cm^3}\) من محلول \(\ce{H2SO4}\) (\(c=0.0100\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)). عُويِر المحلول الناتج بمحلول قياسي من \(\ce{NaOH}\) (\(c=0.0200\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\))، وبُلغت نقطة التكافؤ عند 10.64 \(\mathrm{cm^3}\).
\[ \left(K_b(\ce{NH3})=1.8\cdot10^{-5};\quad K_a(\ce{HSO4-})=1.1\cdot10^{-2}\right) \]
2.2 احسب الأس الهيدروجيني للمحلول في الوعاء بعد الاحتراق.
2.3 عند نقطة نهاية المعايرة، توجد أيونات \(\ce{NH4+}\) و\(\ce{SO4^2-}\) في المحلول. اكتب معادلات الاتزانات ذات الصلة لتوضيح كيفية تأثير وجود هذين الأيونين في الأس الهيدروجيني، واحسب ثابت اتزانها أو ثوابت اتزانها.
2.4 ضع علامة في المربع المقابل للعبارة الصحيحة بشأن الأس الهيدروجيني للمحلول عند نقطة التكافؤ.
\[ \square\ \mathrm{pH}>7 \qquad \square\ \mathrm{pH}=7 \qquad \square\ \mathrm{pH}<7 \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 2.1: الحرارة المنطلقة: \(\boxed{227.7\ \mathrm{kJ}}\). ومن ثم فإن \(q_V=-227.7\ \mathrm{kJ}\) للنظام المتفاعل.
- 2.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=10.59\approx10.6}\). يعطي التقريب المعتاد للقاعدة الضعيفة القيمة \(10.60\).
- 2.3: يخضع أيون الأمونيوم،
[NH4+]، لحلمهة حمضية بثابت \(\boxed{K_a=5.6\times10^{-10}}\). ويخضع أيون الكبريتات،[O-]S(=O)(=O)[O-]، لحلمهة قاعدية بثابت \(\boxed{K_b=9.1\times10^{-13}}\). ترد معادلات الاتزان الموزونة أدناه. - 2.4: ضع علامة عند \(\boxed{\mathrm{pH}<7}\).
الحل
للأنواع الكيميائية المستخدمة أدناه الأسماء وتمثيلات SMILES التالية. تُبيَّن الحالات الفيزيائية في المعادلات؛ ولا تحدد تمثيلات SMILES الحالة الفيزيائية.
| الصيغة | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | الأمونيا | N |
| \(\ce{O2}\) | ثنائي الأكسجين | O=O |
| \(\ce{N2}\) | ثنائي النيتروجين | N#N |
| \(\ce{H2O}\) | الماء | O |
| \(\ce{H2SO4}\) | حمض الكبريتيك | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaOH}\) | هيدروكسيد الصوديوم | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{NH4+}\) | أيون الأمونيوم | [NH4+] |
| \(\ce{SO4^2-}\) | أيون الكبريتات | [O-]S(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{HSO4-}\) | أيون الهيدروجين كبريتات | OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{H3O+}\) | أيون الهيدرونيوم | [OH3+] |
| \(\ce{OH-}\) | أيون الهيدروكسيد | [OH-] |
2.1 — الحرارة المنطلقة عند حجم ثابت
معادلة الاحتراق الموزونة هي
\[ \ce{4NH3(g) + 3O2(g) -> 2N2(g) + 6H2O(l)}. \]
بما أن جزءًا من الأمونيا يبقى دون تفاعل، فإن الأكسجين هو المتفاعل المحدِّد ويُستهلك بالكامل:
\[ n(\ce{O2})=\frac{14.40\ \mathrm g}{32.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.4500\ \mathrm{mol}. \]
ومن ثم فإن مدى التفاعل هو
\[ \xi=\frac{0.4500}{3}=0.1500\ \mathrm{mol}. \]
إن إنثالبيتي التكوين القياسيتين لكل من \(\ce{N2(g)}\) و\(\ce{O2(g)}\) في حالتيهما العنصريتين تساويان صفرًا. لذلك، لكل مول من التفاعل كما هو مكتوب،
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=6\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{H2O(l)}) -4\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\ce{NH3(g)})\\ &=6(-285.83)-4(-46.11)\\ &=-1530.54\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
عند حجم ثابت، ومع اقتصار الشغل على شغل الضغط–الحجم، تساوي الحرارة التغير في الطاقة الداخلية. وبافتراض سلوك الغاز المثالي وإهمال مساهمة السائل في \(pV\)،
\[ \Delta_{\mathrm r}U^\circ =\Delta_{\mathrm r}H^\circ-\Delta\nu_gRT. \]
الماء سائل، لذا فإن التغير في المعاملات الستوكيومترية للمواد الغازية هو
\[ \Delta\nu_g=2-(4+3)=-5. \]
وبناءً على ذلك،
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}U^\circ &=-1530.54-(-5)(8.314\times10^{-3})(298)\\ &=-1518.15\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}, \end{aligned} \]
و
\[ q_V=\xi\Delta_{\mathrm r}U^\circ =(0.1500)(-1518.15) =-227.7\ \mathrm{kJ}. \]
إذن، الحرارة المنطلقة هي \(227.7\ \mathrm{kJ}\).
2.2 — الأس الهيدروجيني للمحلول بعد الاحتراق
يوفر حمض الكبريتيك مكافئين حمضيين لكل مول. وتستهلك الأمونيا مكافئًا حمضيًا واحدًا لكل مول؛ ويكون تفاعل التعادل الكلي
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2NH3(aq) -> 2NH4+(aq) + SO4^2-(aq)}. \]
ثم يُعادَل الحمض الزائد بالهيدروكسيد أثناء المعايرة الراجعة، من خلال تفاعلات تشمل
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
و
\[ \ce{HSO4-(aq) + OH-(aq) -> SO4^2-(aq) + H2O(l)}. \]
كمية حمض الكبريتيك الابتدائية هي
\[ n(\ce{H2SO4}) =(0.0100)(15.0\times10^{-3}) =1.50\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
وكمية الهيدروكسيد المستخدمة هي
\[ n(\ce{OH-}) =(0.0200)(10.64\times10^{-3}) =2.128\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
وعليه، فإن الكمية الكلية للأمونيا الذائبة في العينة المسحوبة هي
\[ \begin{aligned} n_{\mathrm{ammonia}} &=2n(\ce{H2SO4})-n(\ce{OH-})\\ &=3.00\times10^{-4}-2.128\times10^{-4}\\ &=8.72\times10^{-5}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
وتركيزها التحليلي في المحلول الأصلي هو
\[ C=\frac{8.72\times10^{-5}}{10.00\times10^{-3}} =8.72\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
تُقيم الأمونيا الاتزان
\[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}. \]
بإهمال مساهمة الماء الضئيلة في تركيز الهيدروكسيد، لنفرض أن
\[ x=[\ce{OH-}]=[\ce{NH4+}],\qquad [\ce{NH3}]=C-x. \]
عندئذٍ
\[ K_b=\frac{x^2}{C-x}=1.8\times10^{-5}, \]
ومن ثم
\[ x=\frac{-K_b+\sqrt{K_b^2+4K_bC}}{2} =3.8728\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
باستخدام \(K_w=1.0\times10^{-14}\) عند 298 K،
\[ \mathrm{pOH}=3.412, \qquad \boxed{\mathrm{pH}=14.00-3.412=10.59}. \]
يعطي التقريب \(x\approx\sqrt{K_bC}\) القيمة \(\mathrm{pH}=10.60\)، وهو ما يتفق مع التعبير عن النتيجة بالقيمة التقريبية \(10.6\).
2.3 — اتزانات الحلمهة وثوابتها
الأمونيوم هو الحمض المرافق للأمونيا. وهو ينتج أيونات الهيدرونيوم، ولذلك يخفض الأس الهيدروجيني:
\[ \boxed{\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> NH3(aq) + H3O+(aq)}}. \]
وثابت تفككه الحمضي هو
\[ \boxed{ K_a(\ce{NH4+}) =\frac{K_w}{K_b(\ce{NH3})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} =5.6\times10^{-10} }. \]
الكبريتات هي القاعدة المرافقة للهيدروجين كبريتات. وهي تنتج أيونات الهيدروكسيد، ولذلك ترفع الأس الهيدروجيني:
\[ \boxed{\ce{SO4^2-(aq) + H2O(l) <=> HSO4-(aq) + OH-(aq)}}. \]
وثابت تفككها القاعدي هو
\[ \boxed{ K_b(\ce{SO4^2-}) =\frac{K_w}{K_a(\ce{HSO4-})} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.1\times10^{-2}} =9.1\times10^{-13} }. \]
2.4 — الأس الهيدروجيني عند نقطة التكافؤ
يساوي ثابت الحلمهة الحمضية للأمونيوم نحو
\[ \frac{K_a(\ce{NH4+})}{K_b(\ce{SO4^2-})} \approx6.1\times10^2 \]
ضعف ثابت الحلمهة القاعدية للكبريتات.
وكميتاهما التحليليتان متقاربتان: فنسبة الكبريتات إلى الأمونيوم لا تتجاوز
\[ \frac{1.50\times10^{-4}}{8.72\times10^{-5}}=1.72. \]
لذلك يغلب التأثير الحمضي للأمونيوم التأثيرَ القاعدي للكبريتات. ضع علامة في المربع الثالث:
\[ \boxed{\mathrm{pH}<7}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.