Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Готов_Бугаевский_new.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
09.11.2019
Размер:
5 Мб
Скачать
☆

7.5. Графіки логарифмів умовних констант

Вплив частки одного реагенту. Якщо лише частка r(Aj| L) одного з учасників реакції, Aj, відрізняється від 1, то графік логарифма умовної константи зміщено на lg K за ординатою на |j| lg r(Aj| L), де j – відповідний стехіометричний коєфіцієнт при продуктові розчинення, Aj. Почнімо з прикладів «показників» добутку розчинності, pKs = ‑ lg Ks .

Рис. 7.5. Залежність від рН частки іона етилендіамінтетраацетату, Y4‑. Спряження не проведенi.

Таблиця 7.3

Параметри графіка залежності lg r(Y4‑) від pH (приклад 7.14)

рН

Тангенс кута нахилу

Ордината кінця інтервалу

від

до

…

1,5

5

-14,93

1,5

2,0

4

-12,93

2,0

2,65

3

-10,99

2,65

6,11

2

-4,06

6,11

10,17

1

0

10,17

…

0

0

Приклад 7.15. Залежності показників умовних добутків розчинності AgCl(s) та Ag2CrO4(s) від pNH3.

Розв’язок. У реакціях AgCl(s)  Ag+ + Cl‑,     lg Ks = ‑ 9,74, Ag2CrO4(s)  2 Ag+ + CrO42‑,    lg Ks = ‑ 11,56,

лише один продукт – іон Ag+ – реагує з NH3, отже

pKs’ (Ag+, Cl‑ | NH3) = pKs(Ag+, Cl‑) + lg r(Ag+[ NH3), pKs’ (2 Ag+, CrO42‑ | NH3) = pKs(2 Ag+, CrO42‑) + 2 lg r(Ag+| NH3).

Залежність r(Ag+| NH3) від pNH3 розглянуто у прикладі 7.10. Графік pKs(Ag+, Cl‑), рис. 7.6, починаємо з горизонтальної асимптоти, де r(Ag+| NH3)  1, а ордината дорівнює pKs(Ag+, Cl‑). Лівіше за ТС, при pNH3 < (lg 2) / 2 = 3,61, як і на КЛД, наближений графік переходить у промінь із тангенсом кута нахилу (‑ 2). Гілки графіка з’єднуємо спряженням, на lg 3  0,5 нижчим за точку перетину лінійних відрізків прямих, бо у ТС є близькими рівноважні концентрації трьох представників класу {Ag+| NH3}.

Рис. 7.6. Залежність показників умовних добутків розчинності AgCl(s) – графік ліворуч, та Ag2CrO4(s) – графік праворуч – від pNH3. Жирні точки – перетин асимптот графіка (приклад 7.15). Пунктири – графічний розв’язок прикладу 9.13 (глава 9).

Коефіцієнт при Ag+ у реакції, що відповідає графікові pKs’(2 Ag+, CrO42‑), дорівнює 2, і лівіше за ТС наближений графік переходить у промінь із подвоєним тангенсом кута нахилу, (‑ 4). Спряження гілок відхиляється від точки перетину промінів на величину 2 lg 3  1,0.

Приклад 7.16. Залежність показника умовного добутку розчинності KH(C4H4O6)(s) від pH.

Розв’язок. У реакції

KH(C4H4O6)(s)  K+ + H(C4H4O6)‑,      lg Ks = ‑ 2,9,

тільки іон H(C4H4O6)‑, або HL‑ – реагує з H+ (для L2‑: маємо lg KH1 = 4,4, lg KH2 = 3,0), отже

pKs’(K+, HL‑| H+) = pKs(K+, HL‑) + lg r(HL‑| H+).

Рис. 7.7. Залежність показника умовного добутку розчинності гідротартрату калію, KHL(s), від pH.

Графік pKs’(K+, HL‑| H+), рис. 7.7, починаємо із горизонтальної ділянки з ординатою pKs(K+, HL‑), де переважає HL‑, при 3,0 < pH < 4,8. По обидва боки від неї склад частинки, що переважає, змінюється на 1 координований іон H+, й горизонтальна ділянка при pH = 3,0 та при pH = 4,4 переходить у похилі із тангенсами ±1. Спряження (на рис. 7.7 не проведені) – нижче за точки перетину лінійних гілок графіка на lg 2  0,3.

Приклад 7.17. Залежність логарифма умовної константи стійкості комплексу Mg2+ із аніоном етилендіамінтетраоцтової кислоти, Y4‑, від рН.

Розв’язок. Серед учасників реакції

Mg2+ + Y4‑  MgY2‑,     lg  = 8,83 [I = 0,1, 20oC],

лише Y4‑ в середній області pH помітно піддається кислотно-основним перетворенням, де наближено

lg ’( | H+) = lg  + lg r(Y4‑| H+).

Графік рис. 7.8 відрізняється від наведеного на рис. 7.5 графіка lg r(Y4‑| H+) зміщенням за ординатою на lg .

У далекій кислій області є істотною протонізація

H+ + MgY2‑  MgHY‑,    lg KH = 3,85, [I = 0,1, 20oC],

а у далекій лужній – утворення гідроксокомплексів Mg2+ (lg K = 2,55) [I = 0]. Там графік lg ’( | H+) потребує уточнення. На рис. 7.8 ці уточнення й спряження не враховано.

Рис. 7.8. Залежність логарифма умовної константи стійкості комплексу Mg(II) з EDTA від pH.

Загальний випадок. Для реакції (2.1) залежність логарифма умовної константи, lg K’( | L), від pL визначають залежності логарифмів часток й внесок (L pL):

pKs’ ( | L) = pKs +  j lg r(Aj| L) ‑ L pL.

Вплив різних доданків на тангенси кутів нахилу сумуємо. Це врахуємо в алгоритмі побудови графіка залежності:

1. Обчислити значення головної змінної на границях областей переважання в класах для учасників реакції.

2. Знайти tg j = tg (Aj) – тангенси кутів нахилу наближених графіків lg r(Aj| L), що дорівнюють різницям стехіометричних індексів при L для частинки, що переважає у відповідній області, та Aj. Для Aj = L тангенс прийняти рівним (‑ 1).

3. Для відрізків осі pL між сусідніми границями областей переважання (з кроку 1) обчислити тангенс кута нахилу наближеного графіка

tg  = ‑  j tg j.

4. Вибрати значення абсциси pL й обчислити відповідне значення наближеної ординати lg K’. Відкласти цю точку на наближеному графіку. Щоб зручніше оцінювати координати цієї точки, доцільно:

(a) Якщо є стаціонарна область у наближених значеннях lg K’, із tg  = 0, то вибрати pL у цій області. Інакше вибрати pL у межах будь-якої спільної області переважання реагентів.

(b) Щоб спростити розрахунок ординати lg K’, використати реакцію між переважаючими учасниками, обчислити її lg K, склавши лінійну комбінацію реакцій, і оцінити lg K’ за цією lg K, вважаючи, що для переважаючих реагентів lg r(Aj| L) = 0. Нагадуємо, що, як показано у розділі 7.2, lg K’ не залежить від вибору представників класів.

5. Починаючи з відкладеної точки, провести неперервну ламану з тангенсами кутів нахилу, обчислених на кроці 3, та зі зломами на границях областей переважання.

6. Замінити зломи плавними спряженнями, що відхиляються на (‑ l ) від точки злому, де  – відхил, визначений у п. 5 алгоритму побудови КЛД (розділ 3.6).

У багатьох застосуваннях графіків уточнювати ламані плавними спряженнями (крок 6) не потрібно.

Приклад 7.18. Залежність реального потенціалу системи As(III) – As(V) від pH.

Розв’язок. Розглядувана напівреакція —

(1/2) H3AsO4 + H+ + e‑  (1/2) As(OH)3 + (1/2) H2O,

lg K’ ( | H+) = Ереал /  =

= lg K ‑ (1/2) lg r(As(OH)3| H+) + (1/2) lg r(H3AsO4| H+) ‑ pH,

де lg K = (1/2) lg K53 = 9,45 (дивись приклад 7.3).

На осі ординат рис. 7.9 – дві шкали, lg K’ та ’ = Ереал. На кроці 1 визначаємо границі областей переважання у класах для учасників напівреакції. Це логарифми ступінчатих констант продуктів AsO43‑, lg KH1 = 11,5, lg KH2 = 6,9, lg KH3 = 2,2 (приклад 7.4), та As(OH)4‑, lg KH = 9,2.

Рис. 7.9. Залежність від рН логарифма умовної константи напівреакції (1/2) H3AsO4 + H+ + e‑  (1/2) As(OH)3 + (1/2) H2O.

Тангенси кутів нахилу наближених графіків (крок 2) дорівнюють різницям стехіометричних індексів при H+ у хімічних формулах частинок, що переважають у відповідних областях, тобто 0 для H3AsO4, (– 1) для H2AsO4‑, (– 2) для HAsO42‑, (– 3) для AsO43‑. Тангенс дорівнює 0 для As(OH)3 та 1 для As(OH)4‑ – коефіцієнтові при H+ у реакції As(OH)3 + H2O  As(OH)4‑ + H+.

На кроці 3 обчислюємо tg . Кроки 1-3 зведено у табл. 7.4. Координати точки (крок 4) обчислюємо для абсциси pH = 0, де переважають реагенти, що беруть участь у вихідній напівреакції, й lg K’ практично дорівнює логарифмові константи напівреакції, lg K  9,45. На кроці 5 продовжуємо графік (нахили з табл. 7.4). Спряження лінійних гілок (крок 6) не наведено. Враховуючи стехіометричні коефіцієнти, вони мали б відхилятися від зломів на 0,3 / 2 = 0,15. Для реакції iз участю 2e‑ константа дорівнює (K’)2.

Таблиця 7.4

Параметри графіка залежності від pH для lg K’( | H+) для напівреакції відновлення As(V) до As(III)

pH

(1/2) tg As(V))

(1/2) tg As(III))

- tg H+)

tg 

Ордината кінця інтервалу

Від

До

…

…

0

0

-1

-1

9,45 (pH = 0)

…

…

0

0

-1

-1

8,45 (pH = 1)

…

2,2

0

0

-1

-1

7,25

2,2

6,9

-0,5

0

-1

-1,5

0,20

6,9

9,2

-1

0

-1

-2

-4,40

9,2

11,5

-1

0,5

-1

-1,5

-7,85

11,5

…

-1,5

0,5

-1

-2

-8,85 (pH=12)

Стаціонарна область на наближеному графіку, де tg  = 0 й логарифм умовної константи є логарифмом «звичайної» константи для реакції між переважаючими частинками. На кроці 4 будуємо не точку, а горизонтальний відрізок.

Якщо знаки tg  праворуч та ліворуч від області є різними, то стаціонарним точкам відповідає екстремум.

Приклад 7.19. Залежність «показника» умовного добутку розчинності MgNH4PO4(s) від pH.

Розв’язок. У прикладі 7.5 обчислено умовний добуток розчинності при pH = 11,6. Обговорювана реакція –

MgNH4PO4(s)  Mg2+ + NH4+ + PO43‑,     lg Ks = ‑ 12,6.

Крок 1. рН границь областей переважання представників класів наведені у прикладі 7.5.

Крок 2. Тангенси кутів нахилу наближених графіків логарифмів часток – це різниці стехіометричних індексів при H+ у формулах Мg2+, NH4+ та PO43‑ та частинок, що переважають у відповідних областях pH (табл. 7.5).

Крок 3. Тангенси кутів нахилу наближеного графіка дорівнюють

tg  = tg (Mg2+) + tg (NH4+) + tg (PO43‑).

Рис. 7.10. Залежність «показника» умовного добутку розчинності MgNH4PO4(s) від pH.

Крок 4. Горизонтальний відрізок – стаціонарна область, 9,24 < pH < 11,45, ордината – логарифм константи лінійної комбінації,

1

MgNH4PO4(s)

 Mg2+ + NH4+ + PO43‑

lg Ks = ‑ 12,6

1

H+ + PO43‑

 HPO42‑

 lg Ka = ‑ 9,24

1

NH4+

 NH3 + H+

lg KH1 = 12,35  

MgNH4PO4(s)

 Mg2+ + NH3 + HPO42‑

  lg K = ‑ 9,49

Крок 5. Будуємо похилі по обидва боки від горизонтального відрізка, точки злому та tg  наведено у табл. 7.5. Спряження (крок 6, на рис. 7.11 не проведені) лежали би нижче за зломи на lg 2  0,3.

Таблиця 7.5