SOLUŢII APOASE

Soluţiile sunt amestecuri omogene de doua sau mai multe substante pure. În soluţiile apoase, apa este
considerata în mod obişnuit ca fiind solventul cel mai bun. Soluţiile apoase se împart în trei categorii:
soluţii apoase acide, soluţii apoase bazice şi soluţii apoase de sare.
Exemple de acizi:
HCl –acid clorhidric
H2SO4 –acid sulfuric
CH3COOH –acid acetic
H3PO4 –acid fosforic

Proprietaţile unei soluţii apoase acide

1. are gust acru;
2. reacţionează cu metale, ca zincul şi magneziul, cu degajare de hidrogen;
3. coloratul turnesol devine roşu atunci când este introdus într-o soluţie acidă;
4. conduce electricitatea;
Exemple de baze:
NaOH –hidroxid de sodiu
KOH –hidroxid de potasiu
NH4OH –hidroxid de amoniu
Ca(OH)2 –hidroxid de calciu
Ba(OH)2 –hidroxid de bariu

Proprietaţile unei soluţii apoase bazice

1. are gust leşietic, este lunecoasă la pipăit;
2. colorantul turnesol devine albastru când este adăugat la o soluţie bazică;
3. reacţionează cu o soluţie acidă, distrugând sau neutralizând proprietăţile caracteristice ale unui acid
4. conduce electricitatea
Reacţia dintre un acid şi o bază este una din cele mai vechi reacţii chimice cunoscute omului. Putem scrie o ecuaţie generală pentru această reacţie:
Acid+Bază=Apă+Sare
Când se încălzeşte soluţia, apa poate fi îndepărtată. Cristalizează din soluţie un compus, numit sare. Iată câteva ecuaţii care arată formarea unei sări:
HCl(aq)+NaOH(aq)=H2O+NaCl(aq)
H2SO4(aq)+KOH(aq)=H2O+KHSO4(aq)
H2SO4(aq)+2KOH(aq)=2H2O+K2SO4(aq)
CH3COOH+NH4OH(aq)=H2O+(NH4)(C2H3O2)(aq)
Exemple de săruri:
NaCl –clorură de sodiu
KHSO4 –sulfat acid de potasiu
K2SO4 –sulfat de potasiu
(NH4)(CH3COOH) –acetat de amoniu
AgNO3 –azotat de argint
CaCl2 –clorură de calciu
Acidul sulfuric H2SO4, reacţionează cu o bază de tipul KOH şi formează două săruri diferite. Sarea normală K2SO4, se formează atunci când 2 moli de bază reacţionează cu un mol de acid. Sarea acidă se formează atunci când un mol de bază reacţionează cu un mol de acid . KHSO4 şi K2SO4 sunt solide cristaline albe. Ca şi NaCl cristalină, aceste săruri au o structură ionică în stare solidă.
Întâlnim deseori şi acasă o serie de acizi şi baze:sucul de lămâie îşi datorează gustul său acru acidului
citric;vinul conţine acid tartric;oţetul conţine acid acetic;praful de copt conţine carbonat acid de sodiu,
iar amoniacul apos conţine hidroxid de amoniu.

Definiţii operaţionale ale acizilor şi bazelor

Electroliţii sunt substanţe care se dizolvă în apă şi formează soluţii care conduc electricitatea. Clasifi-
carea electroliţilor ca acizi, baze şi săruri se bazează pe proprităţile observabile ale soluţiilor.
Arrhenius a definit baza şi acidul astfel:un acid este o substanţă care se dizolvă în apă formând ionul de hidrogen, H+;o bază este o substanţă care formează ionul hidroxil, OH-.
Când un acid ca HCl se dizolvă în apă, el se ionizează aproape complet. Arrhenius a numit acizii care se comportă în acest fel, acizi tari. El a reprezentat reacţia chimică sub forma echilibrului :
HCl=H++Cl- K are valoare mare
Când acidul acetic se dizolvă în apă, numai o mică fracţie de molecule se ionizează. Un astfel de acid este denumit acid slab. Reacţia de echilibru poate fi scrisă sub forma:
CH3COOH=H++CH3COO K are valoare mică
Cuvintele tare şi slab folosite în acest sens sunt uneori confuze. Ele nu se referă la concentraţia iniţială a electroliţilor, ci la gradul de ionizare.

Comparaţie între acizii tari şi acizii slabi

ACID TARE ACID SLAB [H+] aproximativ Conductibilitatea electrică
HCl –1,0 M 1M mare
H2SO4 –1,0 M 1M mare
H3PO4 –1,0M 0,1M intermediară
CH3COOH –1,0M 0,004M scăzută

Proprietăţile electrice ale fazelor condensate

Conductibilitatea electrică a unei soluţii apoase depinde de cât solvit s-a dizolvat în apă şi, de asemenea,
de ce fel de ioni s-au format. O soluţie care conţine 0,1 moli NaCl la litru prezintă o conductibilitate mai ridicată decât o soluţie conţinând 0,01 moli NaCl la litru.
Apa este un conductor foarte slab de electricitate. În schimb când în apă se dizolvă clorura de sodiu,
sarea de bucătărie , soluţia conduce mai uşor curentul. Clorura de sodiu dizolvată trebuie să fie răspunzătoare pentru acest fenomen. Cum este influenţată soluţia de sarea dizolvată astfel încât sarcina electrică să se poată deplasa prin lichid?O posibilitate ar fi că în soluţia de sare se găsesc ioni. Mişcarea acestor particule încărcate prin soluţie ar putea fi o explicaţie a curentului electric . Sarea are formulala NaCl. La fiecare atom de sodiu există un atom de clor. Chimiştii au descoperit că în soluţia de NaCL în apă există ioni Na+ şi ioni Cl-. Putem scrie acest lucru prin ecuaţia:
NaCl(solid)+apă=Na+(în apă)+Cl-(ăn apă)
Solidul se dizolvă formând particulele încărcate cu sarcină electrică Na+(aq) şi Cl-(aq). Ele se pot mişca
Independent în soluţie. Atracţia uneia pentru cealaltă este micşorată deoarece ele sunt înconjurate de multe molecule de apă. Ionii cu sarcină pozitivă sunt denumiţi cationi. Ionii cu sarcină negativă sunt denemiţi anioni. Curentul electric poate trece prin soluţie datorită deplasării acestor ioni. Ionii Cl-(aq) se
Deplasează într-o direcţie, făcând ca sarcina negativă să se mişte în acest sens. Ionii Na+(aq) se deplasează în direcţia opusă, făcând ca sarcina pozitivă să se mişte în celălalt sens. Aceste deplăsări poartă sarcina prin soluţie şi, astfel, trece curentul electric.
Zahărul se dizolvă şi el în apă. Soluţia nu conduce însă curentul electric mai bine decât apa pură. Tragem concluzia că în soluţia de zahăr nu sunt prezente particule cu sarcină. Nu se formează ioni. Clorura de calciu CaCl2, este un alt solid cristalin care se dizolvă uşor în apă. Soluţia conduce curentul electric. Din acest punct de vedere, clorura de calciu este asemănătoare clorurii de sodiu şi nu seamănă cu zahărul. Când se dizolvă clorura de calciu în apă, în soluţie se formează ioni. Ecuaţia reacţiei este:
CaCl(s)=Ca2+(aq)+2Cl-(aq)

Căldura de reacţie

1. Hidroxidul de sodiu solid se dizolvă în apă formând o soluţie apoasă de ioni:
NaOH(s)=Na+(aq)+OH-(aq)+x1kcal
2. Hidroxidul de sodiu solid reacţionează cu o soluţie apoasă de acid clorhidric, formând apăşi o soluţie apoasă de clorură de sodiu:
NaOH(s)+H+(aq)+Cl-(aq)=H2O+Na+(aq)+Cl-(aq)+x2kcal
3. O soluţie apoasă de hidroxid de sodiu reacţionează cu o soluţie apoasă de acid clorhidric formând apă şi o soluţie apoasă de clorură de sodiu:
Na+(aq)+OH-(aq)+H+(aq)+Cl-(aq)=H2O+Na+(aq)+Cl-(aq)+x3kcal


pH — solutii tampon

Definitie

Solutiile tampon sunt solutii de electroliti a caror prezenta se opune variatiei pH-ului atunci cand se adauga un acid sau o baza.Actiunea tampon este o consecinta a echilibrelor dintre apa,acizi slabi (HA),baze (B),amfoliti (Z±) si ioni in care se transforma aceste specii în solutie apoasã.
Datorita reversibilitatii reactiei ,adaosul de acid tare la o solutie tampon de acetat nu produce o variatie mare a pH-ului ,deoarece acidul adaugat este neutralizat de ionul de acetat ce functioneaza ca baza.Similar, un adaos de hidroxid alcalin este neutralizat de ionul de hidroniu, conducand la formare de acid acetic.

Fctorii ce modifica pH-ul solutiilor tampon

1.Efectele dilutiei(raportul dintre o cantitate de solutie si cantitatea de solvent din acea solutie)

Prin diluarea solutiei tampon se modifica atat concentratia componentelor ei cat si taria ionica, ambele efecte avand drept urmare o variatie a pH-ului.Un prim efect al dilutiei este datorat solventului amfiprotic(apa) care actioneaza , fie ca un acid slab, fie ca o baza slaba, deplasand echilibrele in sensul neutralizarii.Alt efect asupra coeficientilor de activitate , care cresc o data cu micsorarea tariei ionice prin diluare;pH-ul solutiilor tampon este mai putin influentata de dilutie decat pH-ul solutiilor de acid clorhidric.Solutiile de acizi si baze tari, desi au o capacitate de tamponare mai mare decat solutiile de acizi si baze slabe, isi schimba mai mult pH-ul la diluare decat sistemele care contin electroliti incomplet disociati.

2.Efectul de sare

Sarurile neutre produc o micsorare a coeficientilor de activitate, efectul fiind contrar celui provocat de diluare.Astfel, prin adaos de saruri neutre, pH-ul solutiilor tampon baza slaba-sare se mareste, pe cand cel al solutiilor de acid slab-sare este micsorat.In absenta unor interactiuni directe intre sarea adaugata si componenta tamponului, variatia pH-ului este cauzata in principal de influenta asupra coeficientilor de activitate si in mai mica masura datorita schimbarii raportului de tamponare.





3.Efectele variatiei temperaturii

Efectul variatiilor de temperatura asupra paH-ului(sarii) unei solutii tampon se pot gasi prin derivarea in raport cu temperatura a legii actiunii maselor, corespunzatoare cazului concret considerat.Pentru multi electroliti slabi, curbele variatiei constantei de disociere cu temperatura au o forma parabolica, cu un minim in domeniul de temperatura cuprins intre 0ºC si 60ºC.Minimul acesta este in general deplasat catre temperatura de 60C, o data cu descresterea tariei acidului sau catre 0 C cand descreste taria bazei.

4.Efectul presiunii

Echilibrele in solutie sunt mult mai putin influentate de variatiile presiunii decat de variatiile temperaturii. In consecinta, modificarea paH-ului solutiilor tampon, cauzata de schimbarile presiunii barometrice, poate fi neglijata. Totusi, cand variatiile sunt foarte mari, de ordinul a sute de atmosfere, modificarile paH-ului sunt sesizabile datorita variatiilor de volum rezultate din fenomenul de electrostrictiune al dizolvantului.Acest fenomen, este cu atat mai puternic cu cat creste sarcina ionica si descreste marimea razelor ionilor.

Solutii tampon etalon

Standarde primare.
Importanta masurilor de pH in diferite domenii a dus la standardizarea metodelor in tari ca Anglia, Japonia si U.S.A.In esenta, recomandarile facute de I.U.P.A.C in 1959 pentru adoptatea une scari internationale de pH ar fi urmatoarele:
• simbolul pH(X) se refera la valoarea practica a pH-ului determinat experimental.Valorile standard, bazate pe activitatea conventionala a ionului de hidrogen se noteaza cu paH sau pH(S);
• scara de pH este realizata prin adoptarea uneia sau mai multor standarde primare;
• determinarea pH(S)-ului solutiilor standard primare se face dupa procedeul elaborat de Biroul National de Standarde American.
Definitia operationala a pH-ului, implica utilizarea unor solutii standard de pH(S) cunoscut.Considerentul constantei potentialului de jonctiune lichida impune anumite conditii acestor standarde:sa fie solutii apoase, cu tarie ionica mai mica de 0,1 si sa aiba pH(S)-ul cuprins intre valorile de2,5 si 11,5pH.Este important ca temperatura, schimbarea concentratiei (prin dilutie sau evaporare) sau contaminarea accidentala cu baze sau acizi tari sa nu modifice mult pH(S)-ul solutiei standard.din aceste motive, standardele primare sunt solutii tampon, alese astfel incat sa indeplineasca toate conditiile amintite.Pentru alegerea unei solutii tampon ca standard primar, trebuie mai intai sa se determine cu precizie valoarea pH(S)-ului sau si sa se studieze caracteristicile ei tampon.

Standarde secundare
Cu ajutorul standardelor primare se pot face masuri directe ale valorilor pH numai in solutii apoase diluate de aciditati mijlocii.constanta valorii potentialului de jonctiune intre cele doua operatii de etalonare si masura a pH-ului este totusi asigurata si in alte medii, daca tamponul cu care se face etalonarea este apropiat ca pH, tarie ionica si solvent, de solutia al carui pH trebuie masurat.Aceste solutii tampon, desi au mai putine calitati si o aplicabilitate mai restransa ca standardele primare, sunt mai potrivite totusi pentru standardizarea masurilor de pH in medii cu caracteristici asemanatoare lor, deci pot constitui standarde secundare.Pana in prezent, ca standarde secundare au fost adoptate pentru solutii apoase hidroxidul de calciu saturat la 25º C si tetroxalatul de potasiu 0,05m.
In practica sunt necesare si masurari ale pH -ului pentru solutii mai concentrate, cu o tarie ionica mai mare de 0,1 (limita impusa pentru etalonarea cu solutiile standard primare).Pentru masuri directe de pH, neafectate de variatia potentialului de jonctiune lichida, este necesara constituirea

unei scari de solutii tampon cu tarie ionica ridicata.In aceasta situatie, metoda preconizata de B.N.S. American, fiind limitata la tarii ionice mai mici de 0,1, nu mai poate fi utilizata pentru determinarea paH-urilor unor astfel de solutii.La baza scarii de pH realizata in medii concentrate, sta teoria activitatii compensate a lui G.Valensi.Conform acestei teorii,introducerea notiunii de activitate compensata face ca atat relatiile termodinamice cat si notiunea de pH sa-si pastreze semnificatia in astfel de medii.

Amestecuri tampon
In multe echilibre influentate de pH, este necesar ca valoarea aciditatii sa fie mentinuta constanta.Acest lucru se poate realiza adaugand in solutia respectiva un amestec tampon cu caracteristici convenabil alese scopului urmarit.In primul rand trebuie ca substantele din care este alcatuit tammonul sa fie compatibile cu mediul, adica sa nu duca la reactii secundare de precipitare,complexare,redox etc.Desigur, amestecul tampon trebuie ales astfel ca sa fixeze valoarea pH-ului solutiei la valoarea dorita.In acest sens, este necesar ca tamponul sa aiba o capacitate de tamponare ridicata si un coeficient de dilutie mic, pentru a nu se modifica mult pH-ul la introducerea lui in solutie.Pentru aceste motive, gama de amestecuri tampon este variata si in general solutiile sunt mai concentrate.Ele sunt mai putin potrivite ca solutii standard, dar foarte utile pentru controlul pH-ului.

Utilizarea solutiilor tampon
Solutiile tampon servesc pentru atingerea a doua scopuri:
• masurarea pH-ului unei solutii etalonata in prealabil cu o solutie tampon standard;
• fixarea activitatii ionolui de hidrogen la o anumita valoare, prin adaosul direct de tampon in solutie.
Alegerea unui standard pentru etalonare implica intai stabilirea aproximativa a pH-ului, tariei ionice si compozitiei mediului al carui pH trebuie masurat.Pe baza datelor initiale, completate eventual si cu masuri asupra conductibilitatii soloutiei, se alege cel mai potrivit standard din anexa. In acest fel se asigura o variatie minima a potentialului de jonctione si deci o precizie ridicata a valorilor pH masurate.
Introducerea de substanta tampon in solutie pentru a fixa nivelul activitatii ionului de hidrogen la o anumita valoare, pune si problema compatibilitatii substantei respective cu mediul. In privinta caracteristicilor ce trebuie vizate, acestea depind de conditia si evolutie ulterioara a mediului respectiv.Astfel,daca se face diluarea mediulu, tamponul ales trebuie sa aiba un indice de dilutie mic; daca vor fi variatiimari de temperatura, coeficientul de temperatura trebuie sa fie mic.Pentru controlul unei reactii acid-baza trebuie ales un tampon cu capacitate mare de tamponare, pe cand daca este vorba de un mediu puternic salin, se cauta un amestec tampon mai putin influentat de efectul de sare. Atingerea acestor scopuri diferite se poate face deoarece actualmente exista o multitudine de amestecuri si solutii tampon. In general acestea se obtin usor, fie prin cantarirea si dizolvarea substantelor solide, fie prin amestecul unor solutii initiale.