15.4: Msawazo pamoja

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mifano ya mifumo inayohusisha mbili (au zaidi) pamoja na usawa wa kemikali
• Tumia viwango vya ufanisi na bidhaa kwa mifumo ya usawa wa pamoja

Kama ilivyojadiliwa katika sura zilizotangulia juu ya usawa, ulinganifu wa pamoja unahusisha athari mbili au zaidi tofauti za kemikali ambazo zinashiriki moja au zaidi ya reactants au bidhaa. Sehemu hii ya sura hii itashughulikia umumunyifu usawa pamoja na athari za asidi-msingi na tata.

Mfano unaofaa wa mazingira unaoonyesha kuunganisha umumunyifu na usawa wa asidi-msingi ni athari za acidification ya bahari juu ya afya ya miamba ya matumbawe ya bahari. Miamba hii imejengwa juu ya mifupa ya carbonate ya kalsiamu iliyosababishwa na makoloni ya matumbawe (vidonda vidogo vya baharini). Msawazo unaofaa wa kuvunjwa ni

$${\text{CaCO}}_3(s)\rightleftharpoons {\text{Ca}}^{2+}(aq)+{\text{USHIRIKIANO}}_3{}^{-2}(aq)K_{\text{sp}}=8.7\times {10}^{-9}$$

Kupanda kwa viwango vya dioksidi kaboni ya anga huchangia kuongezeka kwa asidi ya maji ya bahari kutokana na kuvunjwa, hidrolisisi, na ionization ya asidi ya dioksidi kaboni:

$${\text{USHIRIKIANO}}_2(g)\rightleftharpoons {\text{USHIRIKIANO}}_2(aq)$$

$${\text{USHIRIKIANO}}_2(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq)$$

$$\begin{array}{ccc}\hfill {\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq) +{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{HCO}}_3{}^{-}(aq)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}\left(aq\right) \hfill & & \hfill K_{\text{a}1}=4.3\times {10}^{-7}\hfill \end{array}$$

$$\begin{array}{ccc}\hfill {\text{HCO}}_3{}^{-}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{USHIRIKIANO}}_3{}^{2-}(aq)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}\left(aq\right)\hfill & & \hfill K_{\text{a}2 }=4.7\times {10}^{-11}\hfill \end{array}$$

Ukaguzi wa usawa huu unaonyesha ioni ya carbonate inahusika katika kufutwa kwa calcium carbonate na hidrolisisi ya asidi ya ioni ya bicarbonate. Kuchanganya equation ya kuvunjwa na reverse ya mazao ya asidi ya hidrolisisi equation

$$\begin{array}{ccc}\hfill {\text{CaCO}}_3(s)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}(aq)\rightleftharpoons {\text{Ca}}^{2+}(aq)+{\text{HCO}}_3{}^{-}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l) \hfill & & \hfill K=K_{\text{sp}}\text{/}{K}_{\text{a}2}=180\hfill \end{array}$$

Mara kwa mara ya usawa kwa mmenyuko huu wavu ni kubwa zaidi kuliko K _sp kwa carbonate ya kalsiamu, inayoonyesha umumunyifu wake umeongezeka sana katika ufumbuzi wa tindikali. Kama kupanda kwa viwango vya dioksidi kaboni katika anga kuongeza asidi ya maji ya bahari, calcium carbonate mifupa ya miamba ya matumbawe kuwa zaidi ya kukabiliwa na kuvunjwa na hatimaye chini ya afya (Kielelezo 15.7).

Kielelezo 15.7 Miamba ya matumbawe yenye afya (a) inasaidia safu kubwa na tofauti ya maisha ya bahari katika mlolongo wa chakula cha bahari. Lakini wakati matumbawe hawawezi kujenga na kudumisha mifupa yao ya calcium carbonate kwa sababu ya asidi ya bahari ya ziada, mwamba usio na afya (b) una uwezo tu wa kuhudhuria sehemu ndogo ya aina kama hapo awali, na mlolongo wa chakula wa ndani huanza kuanguka. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Maktaba ya Picha ya NOAA; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “prilfish” /Flickr)

Unganisha na Kujifunza

Pata maelezo zaidi kuhusu acidification ya bahari na jinsi unavyoathiri viumbe wengine wa baharini.

Tovuti hii ina maelezo ya kina kuhusu jinsi acidification ya bahari huathiri miamba ya matumbawe.

Ongezeko kubwa la umumunyifu na asidi inayoongezeka ilivyoelezwa hapo juu kwa carbonate ya kalsiamu ni mfano wa chumvi zenye anions za msingi (kwa mfano, carbonate, fluoride, hidroksidi, sulfidi). Mfano mwingine unaojulikana ni malezi ya cavities ya meno katika enamel ya jino. Sehemu kubwa ya madini ya enamel ni hydroxyapatite ya kalsiamu (Kielelezo 15.8), kiwanja kidogo cha ionic cha mumunyifu ambacho usawa wa uharibifu ni

$${\text{Ca}}_{\text{5}}({\text{P}{\text{O}}_4)}_3\text{OH}(s)\rightleftharpoons 5{\text{Ca}}^{\text{2+}}(aq)+3{\text{PO}}_4{}^{\text{3-}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)$$

Kielelezo 15.8 Crystal ya hydroxyapatite ya madini, Ca ₅ (PO ₄) ₃ OH, inavyoonekana hapa. Kiwanja safi ni nyeupe, lakini kama madini mengine mengi, sampuli hii ni rangi kwa sababu ya kuwepo kwa uchafu.

Kiwanja hiki kufutwa kwa mavuno mbili tofauti ions msingi: triprotic phosphate ions

$${\text{PO}}_4{}^{\text{3-}}(\mathrm{aq})+{\text{H}}_3{\text{O}}^{\mathrm{+}}(\mathrm{aq})⟶{\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{2}}(\mathrm{aq})+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

$${\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{2}}(aq)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{\mathrm{+}}(\mathrm{aq})⟶{\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{-}}(\mathrm{aq})+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

$${\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{-}}(\mathrm{aq})+{\text{H}}_3{\text{O}}^{\mathrm{+}}(\mathrm{aq})⟶{\text{H}}_3{\text{PO}}_4(\mathrm{aq})+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

na ions monoprotic hidroksidi:

$${\text{OH}}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_3{\text{O}}^{\mathrm{+}}⟶2{\text{H}}_2\text{O}$$

Kati ya uzalishaji mbili za msingi, hidroksidi ni, bila shaka, kwa msingi mkubwa (ni msingi wenye nguvu ambao unaweza kuwepo katika suluhisho la maji), na hivyo ni sababu kubwa ya kutoa kiwanja umumunyifu wa asidi. Mifuko ya meno hutengenezwa wakati taka ya asidi ya bakteria inayoongezeka juu ya uso wa meno huharakisha kuvunjwa kwa enamel ya jino kwa kukabiliana kabisa na hidroksidi ya msingi yenye nguvu, na kuhama usawa wa umumunyifu wa hidroxyapatite kwa haki. Baadhi ya meno ya meno na rinses ya kinywa vyenye NaF au SNF ₂ iliyoongezwa ambayo hufanya enamel zaidi ya asidi sugu kwa kuchukua nafasi ya hidroksidi ya msingi yenye nguvu na fluoride ya msingi dhaifu:

$$\text{NaF}+{\text{Ca}}_{\text{5}}({\text{P}{\text{O}}_4)}_3\text{OH}\rightleftharpoons {\text{Ca}}_{\text{5}}({\text{P}{\text{O}}_4)}_3\text{F}+{\text{Na}}^{\mathrm{+}}+{\text{OH}}^{\text{-}}$$

Ioni dhaifu ya msingi ya fluoride humenyuka kwa sehemu tu na taka ya asidi ya bakteria, na kusababisha mabadiliko ya chini sana katika usawa wa umumunyifu na upinzani ulioongezeka kwa uharibifu wa asidi. Angalia Kemia katika Everyday Life kipengele juu ya jukumu la fluoride katika kuzuia kuoza kwa jino kwa taarifa zaidi.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Jukumu la fluoride katika kuzuia kuoza kwa meno

Kama tulivyoona hapo awali, ioni za fluoride husaidia kulinda meno yetu kwa kukabiliana na hidroxylapatite kuunda fluorapatite, Ca ₅ (PO ₄) ₃ F. kwa kuwa inakosa ioni ya hidroksidi, fluorapatite ni sugu zaidi kwa mashambulizi ya asidi katika midomo yetu na hivyo ni chini ya mumunyifu, kulinda meno yetu. Wanasayansi waligundua kwamba maji ya kawaida ya fluorinated inaweza kuwa na manufaa kwa meno yako, na hivyo ikawa kawaida mazoezi ya kuongeza fluoride kwa maji ya kunywa. Toothpastes na mouthwashes pia zina kiasi cha fluoride (Kielelezo 15.9).

Kielelezo 15.9 Fluoride, iliyopatikana katika dawa nyingi za meno, husaidia kuzuia kuoza kwa jino (mikopo: Kerry Ceszyk).

Kwa bahati mbaya, fluoride ya ziada inaweza kupuuza faida zake. Vyanzo vya asili vya maji ya kunywa katika sehemu mbalimbali za dunia vina viwango tofauti vya fluoridi, na mahali ambako ukolezi huo ni wa juu hupatikana kwa hatari fulani za afya wakati hakuna chanzo kingine cha maji ya kunywa. Athari kubwa zaidi ya fluoride ya ziada ni ugonjwa wa mfupa, fluorosis ya mifupa. Wakati fluoride ya ziada iko katika mwili, inaweza kusababisha viungo kuwa ngumu na mifupa kuenea. Inaweza kuathiri sana uhamaji na inaweza kuathiri vibaya tezi ya tezi. Fluorosis ya mifupa ni hali ya kuwa zaidi ya watu milioni 2.7 wanakabiliwa na duniani kote. Hivyo wakati fluoride inaweza kulinda meno yetu kutokana na kuoza, Shirika la Ulinzi wa Mazingira la Marekani linaweka kiwango cha juu cha 4 ppm (4 mg/L) ya fluoride katika maji ya kunywa nchini Marekani. Viwango vya fluoride katika maji havijasimamiwa katika nchi zote, hivyo fluorosis ni tatizo katika maeneo yenye viwango vya juu vya fluoride katika maji ya chini.

Umumunyifu wa misombo ya ionic pia inaweza kuongezeka wakati uharibifu unahusishwa na kuundwa kwa ion tata. Kwa mfano, hidroksidi ya alumini hupasuka katika suluhisho la hidroksidi ya sodiamu au msingi mwingine wenye nguvu kwa sababu ya kuundwa kwa ion tata$\text{Al}{(\text{OH})}_4{}^{\text{-}}.$

Ulinganisho wa uharibifu wa hidroksidi ya alumini, uundaji wa ion tata, na equation ya pamoja (wavu) inavyoonyeshwa hapa chini. Kama ilivyoonyeshwa na thamani kubwa ya K kwa mmenyuko wavu, kuunganisha malezi tata na kuvunjwa kwa kiasi kikubwa huongeza umumunyifu wa Al (OH) ₃.

$$\begin{array}{ccc}\hfill \text{Al}{(\text{OH})}_3(s)\rightleftharpoons {\text{Al}}^{\text{3+}}(aq)+3{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\hfill & & \hfill K_{\text{sp}}=2\times {10}^{-32}\hfill \\ \hfill {\text{Al}}^{\text{3+}}(aq)+4{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\rightleftharpoons \text{Al}{(\text{OH})}_4{}^{\text{-}}(aq)\hfill & & \hfill K_{\text{f}}=1.1\times {10}^{33}\hfill \\ \hfill \text{Net:}\text{Al}{(\text{OH})}_3(s)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\rightleftharpoons \text{Al}{(\text{OH})}_4{}^{\text{-}}(aq)\hfill & & \hfill K=K_{\text{sp}}{K}_{\text{f}}=22\hfill \end{array}$$

Mfano 15.15

Kuongezeka kwa umumunyifu katika ufumbuzi wa Tindikali

Compute na kulinganisha solublities molar kwa hidroksidi alumini, Al (OH) ₃, kufutwa katika (a) maji safi na (b) bafa zenye 0.100 M asidi asetiki na 0.100 M sodium acetate.

Suluhisho

(a) Umumunyifu wa molar wa hidroksidi ya alumini katika maji huhesabiwa kwa kuzingatia usawa wa kuvunjwa tu kama ilivyoonyeshwa katika mifano kadhaa ya awali:

$$\begin{array}{}\\ \\ {\text{Al (OH)}}_3(s)\underset{}{\overset{}{\rightleftharpoons }}{\text{Al}}_{}^{3+}(aq)+{\text{3OH}}^{-}(aq)K_{\text{sp}}=\text{2}\times {\text{10}}^{-32}\\ \text{umumunyifu wa molar katika maji}=[{\text{Al}}^{3+}]={(2\times {10}^{-32}\text{/}27)}^{1\text{/}4}=5\times {10}^{-9}M\end{array}$$

(b) Mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi ya suluhisho la buffered huhesabiwa kwa urahisi na equation ya Henderson-Hasselbalch:

$$\begin{array}{l}\text{pH}={\text{Pk}}_{\text{a}}+\text{kigogo}[{\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-}]\text{/}[{\text{CH}}_3\text{KOOH}]\\ \\ \text{pH}=4.74+\text{kigogo}(0.100\text{/}0.100)=4.74\end{array}$$

Katika pH hii, mkusanyiko wa ion hidroksidi ni

$$\begin{array}{l}\text{oH}=14.00—4.74=9.26\\ [{\text{OH}}^{-}]={10}^{-9.26}=5.5\times {10}^{-10}\end{array}$$

Umumunyifu wa Al (OH) ₃ katika buffer hii ni kisha mahesabu kutoka maneno yake umumunyifu bidhaa:

$$\begin{array}{l}\hfill K_{\text{sp}}=[{\text{Al}}^{3+}]{[{\text{OH}}^{-}]}^3\hfill \\ \text{umumunyifu wa molar katika buffer}=\left[{\text{Al}}^{3+}\right]=K_{\text{sp}}\text{/}{[{\text{OH}}^{-}]}^3=(2\times {10}^{-32})\text{/}{(5.5\times {10}^{-10})}^3=1.2\times {10}^{-4}M\end{array}$$

Ikilinganishwa na maji safi, umumunyifu wa hidroksidi ya alumini katika buffer hii ya upole ni takriban mara milioni kumi zaidi (ingawa bado ni ndogo).

Angalia Kujifunza Yako

Je, ni umumunyifu wa hidroksidi alumini katika buffer yenye 0.100 M asidi formic na 0.100 M sodiamu formate?

Jibu:

0.1 M

Mfano 15.16

Mlinganyo Mingi

Halidi za fedha zisizo wazi zinaondolewa kwenye filamu ya picha wakati zinaguswa na thiosulfate ya sodiamu (Na _{2 S 2} O ₃, inayoitwa hypo) ili kuunda ioni tata$\text{Ag}{({\text{S}}_2{\text{O}}_3)}_2{}^{\text{3-}}$(K _f = 4.7)$\times$10 ¹³).

Ni umati gani wa Na _{2 S 2} O ₃ inahitajika kuandaa 1.00 L ya suluhisho ambalo litafuta 1.00 g ya AgBr kwa kuundwa kwa$\text{Ag}{({\text{S}}_2{\text{O}}_3)}_2{}^{\text{3-}}?$

Suluhisho

Mizani miwili inahusishwa wakati bromidi ya fedha hupasuka katika suluhisho la thiosulfate yenye maji yenye${\text{S}}_2{\text{O}}_3{}^{\text{2}}$ioni:

kuvunjwa:$\text{AGBr}(s)\rightleftharpoons {\text{Ag}}^{\text{+}}(aq)+{\text{Br}}^{\text{-}}(aq)K_{\text{sp}}=5.0\times {10}^{\text{-13}}$

utata:${\text{Ag}}^{\text{+}}(aq)+{\text{2S}}_2{\text{O}}_3{}^{\text{2}}(aq)\rightleftharpoons \text{Ag}{({\text{S}}_2{\text{O}}_3)}_2{}^{\text{3-}}(aq)K_{\text{f}}=4.7\times {10}^{13}$

Kuchanganya hizi mbili usawa equations mavuno

$\begin{array}{cc}\text{AGBr}(s)+2{\text{S}}_2{{\text{O}}_3}^{\mathrm{2—}}(\text{aq})& \text{Ag}({\text{S}}_2{\text{O}}_3{)}_2{}^{\mathrm{3—}}(\text{aq})\\ \frac{K=[\text{Ag}({\text{S}}_2{\text{O}}_3{)}_2{}^{\mathrm{3—}}][{\text{Br}}^{—}]}{[{\text{S}}_2{\text{O}}_3{}^{\mathrm{2—}}]{}^2}=K_{\text{sp}}{K}_{\text{f}}=24& \end{array}$

Mkusanyiko wa bromidi kutokana na kufutwa kwa 1.00 g ya AgBr katika 1.00 L ya suluhisho ni

$$[{\text{Br}}^{—}]=\frac{1.00\text{g Gabr}\times \frac{1\text{mol Gabr}}{187.77\text{g/mol}}\times \frac{1{\text{mol bar}}^{—}}{1\text{mol Gabr}}}{1.00\text{L}}=0.00532M$$

Stoichiometry ya usawa wa kuvunjwa inaonyesha mkusanyiko huo wa ion ya fedha yenye maji itasababishwa, 0.00532 M, na thamani kubwa sana ya$K_{\text{f}}$kuhakikisha kwamba kimsingi ioni yote ya fedha iliyoharibiwa itakuwa ngumu na ioni ya thiosulfate:

$$[\text{Ag}({\text{S}}_2{\text{O}}_3{)}_2{}^{\mathrm{3—}}]=0.00532M$$

Kurekebisha maneno ya K kwa usawa wa usawa wa pamoja na kutatua kwa mkusanyiko wa mavuno ya ioni ya thiosulfate

$$[{\text{S}}_2{{\text{O}}_3}^{\mathrm{2—}}]=\frac{[\text{Ag}({\text{S}}_2{\text{O}}_3{)}_2{}^{\mathrm{3—}}][{\text{Br}}^{—}]}{K}=\frac{(0.00532M)(0.00532M)}{24}=0.0011M$$

Hatimaye, molekuli jumla ya${\text{Na}}_2{\text{S}}_2{\text{O}}_3$required kutoa thiosulfate kutosha mavuno viwango zilizotajwa hapo juu inaweza kuwa mahesabu.

Misa ya${\text{Na}}_2{\text{S}}_2{\text{O}}_3$required mavuno 0.00532 M$\text{Ag}({\text{S}}_2{\text{O}}_2{)}_2{}^{\mathrm{3—}}$

$$0.00532\frac{\text{mol}\text{Ag}({\text{S}}_2{\text{O}}_3{)}_2{}^{\mathrm{3—}}}{1.00\text{L}}\times \frac{2\text{mol}{\text{S}}_2{\text{O}}_3{}^{\mathrm{2—}}}{1\text{mol}\text{Ag}({\text{S}}_2{\text{O}}_3{)}_2{}^{\mathrm{3—}}}\times \frac{1\text{mol}\text{Na}{\text{S}}_2{\text{O}}_3}{1\text{mol}{\text{S}}_2{\text{O}}_3{}^{\mathrm{2—}}}\times \frac{158.1\text{g}\text{Na}{\text{S}}_2{\text{O}}_3}{1\text{mol}\text{Na}{\text{S}}_2{\text{O}}_3}=1.68\text{g}$$

Misa ya${\text{Na}}_2{\text{S}}_2{\text{O}}_3$inahitajika kuzalisha 0.00110 M${\text{S}}_2{\text{O}}_3{}^{\mathrm{2—}}$

$$0.0011\frac{\text{mol}{\text{S}}_2{\text{O}}_3{}^{\mathrm{2—}}}{1.00\text{L}}\times \frac{1\text{mol}{\text{S}}_2{\text{O}}_3{}^{\mathrm{2—}}}{1\text{mol}{\text{Na}}_2{\text{S}}_2{\text{O}}_3}\times \frac{158.1\text{g}{\text{Na}}_2{\text{S}}_2{\text{O}}_3}{1\text{mol}{\text{Na}}_2{\text{S}}_2{\text{O}}_3}=0.17\text{g}$$

Masi ya${\text{Na}}_2{\text{S}}_2{\text{O}}_3$required kufuta 1.00 g ya AgBr katika 1.00 L ya maji ni hivyo 1.68 g + 0.17 g = 1.85 g

Angalia Kujifunza Yako

AgCl (s), kloridi ya fedha, ina umumunyifu mdogo sana:$\text{AgCl}(s)\rightleftharpoons {\text{Ag}}^{\text{+}}(aq)+{\text{Cl}}^{\text{-}}(aq),$K _sp = 1.6$\times$10 ^—10. Kuongeza amonia kwa kiasi kikubwa huongeza umumunyifu wa AgCl kwa sababu ion tata huundwa:${\text{Ag}}^{\text{+}}(aq)+2{\text{NH}}_3(aq)\rightleftharpoons \text{Ag}{({\text{NH}}_3)}_2{}^{+}(aq),$K _f = 1.7$\times$10 ⁷. Masi gani ya NH ₃ inahitajika kuandaa 1.00 L ya suluhisho ambayo itafuta 2.00 g ya AgCl kwa kuundwa kwa$\text{Ag}{({\text{NH}}_3)}_2{}^{\text{+}}?$

Jibu:

1.00 L ya suluhisho iliyoandaliwa na 4.81 g NH ₃ hupasuka 2.0 g ya AgCl.