كيفية حل المسائل المتعلقة بالحوامض الضعيفة

1. أكتب معادلة تفكك الحامض الضعيف بعد أن شخصت (إن المحلول يحتوي على حامض ضعيف فقط).
2. أكتب المخطط كما مر في الاتزان الكيميائي حيث X تمثل المتأين من الحامض الضعيف وأهمل كتابة مرحلة التغير في التراكيز.
3. المتبقي من تركيز الإلكتروليت الضعيف عند التوازن الأيوني = التركيز الأصلي – تركيز المتأين منها.
4. أهمل قيمة تركيز المتأين المطروحة من التركيز الأصلي في حالة اذا كانت النسبة المئوية للتأين أقل من 5% أو إذا كانت قيمة ثابت التفكك أكبر من ${10}^{-4}$ فما فوق وخلافه يستخدم الدستور لحل المعادلة، (لكن سنتجنب استخدام الدستور في حل المسائل).

الدرس: 3-3 الإلكتروليتات

الحامض حسب نظرية برونشتد - لوري:

المادة التي لها القابلية على فقدان بروتون وتكوين القاعدة القرينة.

قاعدة قرينة + بروتون $\rightleftharpoons$حامض.

وحوامض برونشتد إما أن تكون متعادلة مثل: HNO₃, HCl, CH3COOH أو أيون أيونات موجبة مثل: ${\mathrm{NH}}_4^{+},{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_3^{+}$ أو أيونات سالبة مثل: ${\mathrm{HSO}}_4^{-},{\mathrm{H}}_2{\mathrm{PO}}_4^{-}$.

القاعدة حسب نظرية برونشتد:

هي المادة التي لها القابلية على اكتساب البروتون لتكوين الحامض القرين وقواعد برونشتد إما أن تكون جزيئة متعادلة مثل C₆H₅NH₂ أو NH₃ أو تكون أيونات سالبة مثل: ${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-},{\mathrm{OH}}^{-},{\mathrm{CN}}^{-}$ إلخ وقد تكون موجبة${\left[\mathrm{Fe}\left({\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\right)(\mathrm{OH}{)}_2\right]}^{+}$.

تعيين القرائن:

لكل حامض برونشتد قاعدة قرينة تخالفه في القوة ولكل قاعدة برونشتد حامض قرين يخالفها في القوة.

$$\begin{gathered} {\mathrm{NH}}_3+\mathrm{HCl} ⟶ { \mathrm{NH}}_4^{+} + {\mathrm{Cl}}^{-} \\ \mathrm{قاعدة} \mathrm{حامض} \mathrm{قرين} \mathrm{حامض} \mathrm{قرينة} \mathrm{قاعدة} \end{gathered}$$

الحامض القرين: هو المادة الناتجة بعد اكتساب بروتون من قبل قاعدة برونشتد.

حامض قرين${\mathrm{H}}^{+}⟶$+ قاعدة برونشتد

القرينة: هي المادة الناتجة بعد فقدان البروتون من قبل حامض برونشتد.

قرينة${\mathrm{H}}^{+}⟶$+ حامض برونشتد.

تعتمد قوة الحامض حسب نظرية برونشتد – لوري ........................

على مدى قدرة الحامض على فقدان البروتون وعلى الوسط الذي يحتوي هذا الصنف .

تعتمد قوة القاعدة حسب نظرية برونشتد – لوري ........................

على مدى قابلية القاعدة على اكتساب البروتون و على الوسط الذي يحتوي هذا الصنف.

عين حامض وقاعدة برونشتد وقرائنها في التفاعل؟

$$\begin{gathered} {\mathrm{CN}}^{-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{HCN} +{ \mathrm{OH}}^{-} \\ \mathrm{قاعدة} \mathrm{حامض} \mathrm{قرين} \mathrm{حامض} \mathrm{قرينة} \mathrm{قاعدة} \end{gathered}$$

عين مع التسمية صيغ القواعد القرينة للحوامض التالية: (HCl, HCOOH, H₂CrO₄)؟

${\mathrm{CrO}}_4^{-}$: ايون الكرومات.

$\mathrm{HCOO}$: ايون الفورمات.

${\mathrm{Cl}}^{-}$: ايون الكلوريد.

الحوامض الضعيفة:

إن عملية التفكك (التأين) لحامض ضعيف في الوسط المائي تخضع إلى حالة اتزان بين الجزيئات غير المتفككة وبين الأيونات الناتجة من التفكك وعليه يمكن التعبير عنها بواسطة ثابت الاتزان وثابت الاتزان هنا يمثل ثابت تأين (تفكك) الحامض الضعيف K_a وعلى ضوء كتابة معادلة التفكك يمكن كتابة علاقة ثابت التفكك للحامض الضعيف.

$\mathrm{HA}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{A}}^{-}$

${\mathrm{K}}_{\mathrm{eq}}=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{A}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{HA}\right]\left[{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\right]}$

ولكن: K_eq [ H₂O] = K_a وحيث إن K_a: تمثل ثابت تفكك الحامض الضعيف.

$K_a=\frac{{\displaystyle \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{A}}^{-}\right]}}{{\displaystyle \text{ [ HA] }}}$

$\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]$: تمثل تراكيز المتأين من الحامض الضعيف.

$\left[\mathrm{HA}\right]$: يمثل التركيز الابتدائي.

ملاحظات:

1. إن العلاقة أعلاه تنطبق فقط على الحوامض الضعيفة دون الحوامض القوية لأن الحوامض القوية تامة التأين وبذلك لا يكون هناك اتزان بين جزيئاتها غير المتفككة وأيونات الحامض القوي.
2. تعتبر قيم ثوابت تفكك الحوامض الضعيفة مقياساً لقوة الحوامض لأنه كلما كانت القيمة كبيرة كلما كان مقدار تفككه كبيراً أي تحرره للبروتونات كبيراً وبالتالي ازدياد حموضته.
3. من علاقة ثابت التفكك يمكن إيجاد تركيز أيون الهيدروجين في محلول الحامض الضعيف المائي وذلك من معرفة تركيز الحامض الضعيف وثابت التفكك.

كيفية حل المسائل المتعلقة بالحوامض الضعيفة:

1. أكتب معادلة تفكك الحامض الضعيف بعد أن شخصت (إن المحلول يحتوي على حامض ضعيف فقط).
2. أكتب المخطط كما مر في الاتزان الكيميائي حيث X تمثل المتأين من الحامض الضعيف وأهمل كتابة مرحلة التغير في التراكيز.
3. المتبقي من تركيز الإلكتروليت الضعيف عند التوازن الأيوني = التركيز الأصلي – تركيز المتأين منها.
4. أهمل قيمة تركيز المتأين المطروحة من التركيز الأصلي في حالة اذا كانت النسبة المئوية للتأين أقل من 5% أو إذا كانت قيمة ثابت التفكك أكبر من ${10}^{-4}$ فما فوق وخلافه يستخدم الدستور لحل المعادلة، (لكن سنتجنب استخدام الدستور في حل المسائل).

يمكن استخدام العلاقات الآتية في إيجاد المطلوب:

أولاً: علاقة ثابت تأين الحامض الضعيف:

ثانياً: درجة تأين (تفكك) الحامض الضعيف:

درجة التفكك (التأين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}$

ثالثاً: النسبة المئوية للتاين:

النسبة المئوية للتفكك (التاين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}\times \% 100$

احسب تركيز أيون الهيدروجين المائي في المحلول المائي لحامض الهيدروسيانيك (Ka=4.9x10^-10) تركيزه يساوي 0.2M؟

$$\begin{gathered} \mathrm{HCN}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+ {\mathrm{CN}}^{-} \\ 0.2\mathrm{M} 0 0 \\ 0.2-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} {\mathrm{K}}_{\mathbf{a}}=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{CN}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{HCN}\right]} \\ 4.9\times {10}^{-10}=\frac{\left(X\right)\left(X\right)}{0.2} \end{gathered}$$

$\begin{array}{r}{X}^2=0.98\times {10}^{-10}\\ \\ X=\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\approx 1\times {10}^{-5}\mathrm{M}\end{array}$

احسب النسبة المئوية لتأين حامض HF في محلوله المائي المخفف الذي تركيزه 0.1M حيث: (Ka=6.4x10^-4)؟

$$\begin{gathered} \mathrm{HF} \rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{F}}^{-} \\ 0.1\mathrm{M} 0 0 \\ 0.1-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

${\mathrm{K}}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{F}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{HF}\right]}$

$6.4\times {10}^{-4}=\frac{{\displaystyle \left(\mathrm{X}\right)\times \left(\mathrm{X}\right)}}{{\displaystyle 0.1}}$

$X^2=64\times {10}^{-6}$

$X=8\times {10}^{-3}$ يمثل تركيز المتأين من الحامض عند الاتزان.

• النسبة المئوية للتفكك (التاين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}\times \% 100$
• النسبة المئوية للتاين = 8%

احسب تركيز أيون الهيدروجين المائي في 0.1M محلول مائي لحامض الخليك ودرجة التأين والنسبة محلول مائي لحامض الخليك ودرجة التأين والنسبة المئوية للتأين؟ (Ka=1.8x10^-5).

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-}+ {\mathrm{H}}^{+} \\ 0.1\mathrm{M} 0 0 \\ 0.1-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

$K_a=\frac{\left[{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-}\right]\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]}{\left[{\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\right]}$

$1.8\times {10}^{-5}=\frac{\left[X\right]\left[X\right]}{\left[0.1\right]}$

$X^2=1.8\times {10}^{-6}$

$\mathrm{X}=1.34\times {10}^{-3}\mathrm{M}$ تركيز أيون الهيدروجين المائي.

• درجة التفكك (التأين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}$
• درجة التفكك (التأين) = $0.013=\frac{1.34\times {10}^{-3}}{0.1}$

100% x درجة التأين = النسبة المئوية للتأين %.

100 0.013x= النسبة المئوية للتأين.

1.3%= النسبة المئوية للتأين.

احسب تركيز أيون الهيدروجين المائي لحامض الفينول C₆ H₅ OH حيث إن: (Ka=1.8x10^-10)، الذي تركيزه.

0.2M

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-}+ {\mathrm{H}}^{+} \\ 0.2\mathrm{M} 0 0 \\ 0.2-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

${\mathbf{K}}_{\mathbf{a}}=\frac{{\displaystyle \left[{\mathbf{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{C}}_6{\mathbf{H}}_5{\mathbf{O}}^{-}\right]}}{{\displaystyle \left[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}\right]}}$

$1.3\times {10}^{-10}=\frac{\left(X\right)\left(X\right)}{0.2}$

$\begin{array}{r}{X}^2=26\times {10}^{-12}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=X=5.1\times {10}^{-6}\mathrm{M}\end{array}$

بعد تخفيفه بالماء مائة مرة.

عدد مرات التخفيف = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{المحلول} \mathrm{قبل} \mathrm{التخفيف}}{\mathrm{تركيز} \mathrm{المحلول} \mathrm{بعد} \mathrm{التخفيف}}$

100 = $\frac{2.0}{\mathrm{تركيز} \mathrm{المحلول} \mathrm{بعد} \mathrm{التخفيف}}$

0.002M = تركيز المحلول بعد التخفيف

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-}+ {\mathrm{H}}^{+} \\ 0.002\mathrm{M} 0 0 \\ 0.002-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

${\mathrm{K}}_a=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{O}}^{-}\right]}{\left[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}\right]}$

$1.3\times {10}^{-10}=\frac{\left(X\right)\left(X\right)}{0.002}$

$\begin{array}{r}{X}^2=26\times {10}^{-14}\\ \\ X=\left[H^{+}\right]=5.1\times {10}^{-7}\mathrm{M}\end{array}$

احسب تركيز محلول من الأنلين C₆H₅NH₂ درجة تفككه ^-10⁴ وثابت تفككه 4x10^-4.

$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_3^{+}+{\mathrm{OH}}^{-} \\ \mathrm{\alpha } 0 0 \\ \mathrm{\alpha }-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

${\mathbf{k}}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_3^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}{\left[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_2\right]}$

$4\times {10}^{-10}=\frac{{\displaystyle \left(\mathrm{X}\right)\times \left(\mathrm{X}\right)}}{\mathrm{\alpha }}$

درجة التفكك = $\frac{[ \mathrm{المتاين} \mathrm{تركيز}]}{{\displaystyle \left[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_2\right]}}$

${10}^{-4}=\frac{-1}{\alpha }\to \mathbf{X}={10}^{-4}\alpha$

بالتعويض في المعادلة رقم (1) نحصل على 0.04M=α تركيز الأنلين.

محلول لحامض الهيدروسيانيك بتركيز 0.2M وثابت تفككه 5x10^-5 احسب:

1. تركيز أيونات الهيدروجين المائية فيه؟

$$\begin{gathered} \mathrm{HCN} \rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{CN} \\ 0.2 0 0 \\ 0.2-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

$\mathrm{Ka}=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{CN}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{HCN}\right]}$

$5\times {10}^{-10}=\frac{\mathrm{X}\times \mathrm{X}}{0.2}$

$\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=X=1\times {10}^{-5}\mathrm{M}$

2. النسبة المئوية لتأين الحامض؟

• النسبة المئوية للتفكك (التاين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}\times \% 100$
• النسبة المئوية للتاين $\mathrm{\%}100\times \frac{1\times {10}^{-5}}{0.2}=$ $\stackrel{~}{}\Leftarrow$النسبة المئوية لتأين الحامض = 0.005%

3. درجة تفكك مادة الحامض؟

درجة التفكك (التأين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}$ $\stackrel{~}{}\Leftarrow$درجة تفكك الحامض $5\times {10}^{-5}$

4. تركيز الحامض غير المتفكك؟

$\left[\mathrm{HCN}\right]$ غير المتفكك = [التركيز الأصلي للحامض] - [تركيز المتأين من الحامض].

$\left[\mathrm{HCN}\right]$ غير المتفكك = 0.20000 - 0.00001

=0.19999M

5. النسبة المئوية لتأين الحامض عند تخفيفه إلى 0.002M ثم ناقش الاختلاف في النسبة المئوية؟

$$\begin{gathered} {\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{NH}}_4^{+}+{\mathrm{OH}}^{-} \\ 0.002 0 0 \\ 0.002-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

$\begin{array}{r}{\mathbf{K}}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[\mathrm{CN}\right]}{\left[\mathrm{HCN}\right]}\\ \\ \mathbf{X}=\mathbf{1}\times {\mathbf{10}}^{-6}\mathrm{M}\end{array}$

النسبة المئوية للتفكك (التاين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}\times \% 100$$\stackrel{~}{}\Leftarrow$النسبة المئوية لتأين الحامض = 0.05%

المناقشة: نلاحظ أن النسبة المئوية قد ازدادت، وذلك لأن التخفيف يميل إلى تقليل عدد أجزاء المذاب في وحدة الحجم و لإزالة تأثير عملية التخفيف حسب قاعدة ليه - شاتيليه يزاح موقع الاتزان الأصلي إلى موقع جديد وذلك بأن يزداد تفكك جزيئات الحامض غير المتفككة فتنقص كميتها وتزاد كمية الأيونات الناتجة من التفكك في وحدة الحجم من المحلول فيرجع المحلول إلى حالة الاتزان مرة أخرى ولكن بموقع جديد.

الحوامض الضعيفة أحادية البروتون ومتعددة البروتون:

الحوامض الضعيفة أحادية البروتون: حوامض تمتلك ذرة هيدروجين واحدة قابلة للتأين (بروتون حامضي واحد) ولها ثابت تأين واحد مثل حامض HCN وحامض CH₃COOH وغيرها من الحوامض التي تناولنا دراستها.

الحوامض متعددة البروتون: هي الحوامض التي تحتوي على أكثر من بروتون واحد قابل للتأين وتمتاز بخطوات تأين متعاقبة ولكل خطوة ثابت تاين خاص بها، بسبب اختلاف درجة حموضة البروتون الأول عن درجة حموضة البروتون الثاني مثل ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3,{\mathrm{H}}_2\mathrm{S},{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_3$ فمثلاً لحامض الفوسفوريك ثلاث تفاعلات تفكك وثلاث ثوابت بسبب وجود ثلاث بروتونات قابلة للتأين.

$\begin{array}{r}{\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{PO}}_4^{-}{\mathrm{k}}_{\mathrm{a}1}=7.11\times {10}^{-3}\\ \\ {\mathrm{H}}_2{\mathrm{PO}}_4^{-}\rightleftharpoons {\mathrm{k}}^{+}+{\mathrm{HPO}}_4^{-}{k}_{22}=6.32\times {10}^{-8}\\ \\ {\mathrm{HPO}}_4^{-}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{PO}}_{4^{--}}{k}_{\mathrm{a}3}=4.8\times {10}^{-13}\end{array}$

درجة حموضة البروتون الأول أكبر من درجة حموضة البروتون الثاني في محاليل الحوامض متعددة البروتون .. أو بعبارة أخرى ثابت التفكك الأول للحامض متعدد البروتون أكبر من ثابت تفككه الثاني؟

بسبب نقصان قابلية الأيون السالب على فقدان بروتون موجب الشحنة بسبب ازدياد التجاذب الالكتروستاتيكي بين الشحنتين المختلفتين.

تقل قيم k_a لخطوات التأين المتعاقبة للحامض متعدد البروتون بتقدم أو استمرار تأين الهيدروجين؟

بسبب نقصان قابلية الأيون السالب على فقدان بروتون موجب الشحنة بسبب ازدياد التجاذب الالكتروستاتيكي بين الشحنتين المختلفتين.

يعاني حامض الأوكزاليك في محلوله المائي من تفاعلين للتفكك وله ثابتين للتفكك؟

• لأنه يمتلك بروتونين حامضيين ولكل منهما ثابت تفكك خاص به بسبب اختلاف درجة حموضة البروتون الأول عن الثاني.
• (ملاحظة: كلما ازدادت قيمة ثابت تفكك الحامض الضعيف k_a ازدادت قوة الحامض).

القواعد الضعيفة:

القاعدة الضعيفة حسب برونشتد: هي الصنف الذي له قابلية جزئية على اكتساب البروتونات من المذيب لذلك تتميز بأن لها ثابت تفكك (تأين).

كيفية حل المسائل المتعلقة بالقواعد الضعيفة:

1. أكتب معادلة تفكك القاعدة الضعيفة بعد أن شخصت (إن المحلول يحتوي على قاعدة ضعيفة فقط).
2. أكتب المخطط كما مر في الاتزان الكيميائي حيث X تمثل المتأين من القاعدة الضعيفة وأهمل كتابة مرحلة التغير في التراكيز.
3. المتبقي من تركيز الإلكتروليت الضعيف عند التوازن الأيوني = التركيز الأصلي - تركيز المتأين منها
4. أهمل قيمة تركيز المتأين المطروحة من التركيز الأصلي في حالة إذا كانت النسبة المؤية للتاين أقل من 5%، أو إذا كانت قيمة ثابت التفكك أكبر من ^4-10 فما فوق وخلافه يستخدم الدستور لحل المعادلة (سنتجنب استخدام الدستور في حل المسائل).

5 – يمكن استخدام العلاقات الآتية في إيجاد المطلوب:

أولاً: علاقة ثابت تأين القاعدة الضعيفة K_b

$\mathrm{B}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{BH}}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}$

ثانياً: درجة تأين (تفكك) القاعدة الضعيفة.

درجة التفكك (التأين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}$

ثالثاً: النسبة المئوية للتاين.

• النسبة المئوية للتفكك (التاين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}\times \% 100$
• النسبة المئوية للتفكك (التأين) = درجة التفكك (التأين) $\mathrm{\%}100\times$

احسب درجة تأين الانلين C₆H₅NH₂ حيث أن: (K_b=3.8x10^-10). في محلوله المائي بتركيز 0.1M؟

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_6{\mathrm{NH}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_3^{+}+{\mathrm{OH}}^{-} \\ 0.1 0 0 \\ 0.1-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

${\mathbf{K}}_{\mathbf{b}}=\frac{\left.{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_3^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}{\left[{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_2\right]}$

$3.8\times {10}^{-10}=\frac{\left[X\right]\left[X\right]}{\left[0.1\right]}$

$X=6.16\times {10}^{-6}M$

درجة التفكك (التأين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}$

$\frac{6.16\times {10}^{-6}}{0.1}=6.16\times {10}^{-5}$

احسب درجة تاين مثيل أمين حيث أن: (K_b=4.9x10^-4). في محلوله المائي بتركيز 0.1M؟

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_3^{+}+{\mathrm{OH}}^{-} \\ 0.1 0 0 \\ 0.1-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

$\begin{array}{r}{\mathrm{K}}_{\mathrm{b}}=\frac{\left[{\mathrm{CH}}_3{{\mathrm{NH}}_3}^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}{\left[{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_2\right]}\\ \\ 4.9\times {10}^{-4}=\frac{\left[X\right]\left[X\right]}{\left[0.1\right]}\end{array}$

${\mathrm{X}}^2=49\times {10}^{-6}\Rightarrow \mathrm{X}=7\times {10}^{-3}\mathrm{M}$

درجة التفكك (التأين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الابتدائي} \mathrm{للمادة}}$ $\stackrel{~}{}\Leftarrow$$7\times {10}^{-2}=\frac{7\times {10}^{-3}}{0.1}$

محلول 0.1M من الأمونيا ودرجة تفككها 0.01 احسب درجة تفككها بعد تخفيف محلولها بالماء 100 مرة.

قبل التخفيف:

$$\begin{gathered} {\mathrm{NH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{NH}}_4^{+}+{\mathrm{OH}}^{-} \\ 0.002 0 0 \\ 0.002-X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }\mathit{ }X \end{gathered}$$

درجة التأين =$\frac{\mathrm{المتأين} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{\mathrm{التركيز} \mathrm{الاصلي}}$

$\begin{array}{c}\frac{X}{0.1}=0.01\\ \\ X=0.001\mathrm{M}\\ \\ {\mathrm{K}}_{\mathrm{b}}=\frac{\left[{\mathrm{NH}}_4^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}{\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}\\ \\ {\mathrm{K}}_{\mathrm{b}}=\frac{\left[0.001\right]\left[0.001\right]}{\left[0.1\right]}=1\times {10}^{-5}\end{array}$

بعد التخفيف:

عدد مرات التخفيف = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الامونيا} \mathrm{قبل} \mathrm{التخفيف}}{\mathrm{تركيز} \mathrm{الامونيا} \mathrm{بعد} \mathrm{التخفيف}}$

تركيز الأمونيا بعد التخفيف = 0.001M

100 = $\frac{0.1 }{\mathrm{تركيز} \mathrm{الامونيا} \mathrm{بعد} \mathrm{التخفيف}}$

تركيز الامونيا بعدالتخفيف = 0.001M

$\begin{array}{r}{\mathrm{K}}_{\mathrm{b}}=\frac{\left[{\mathrm{NH}}_4^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}{\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}\\ \\ {10}^{-5}=\frac{\left[\mathrm{X}\right]\left[\mathrm{X}\right]}{\left[0.001\right]}\end{array}$

$X={10}^{-4}\mathrm{M}$ المتأين من الأمونيا.

• درجة التفكك (التأين) = $\frac{\mathrm{تركيز} \mathrm{الجزء} \mathrm{المتأين} \mathrm{من} \mathrm{المادة} \mathrm{عند} \mathrm{الاتزان}}{{\displaystyle \left[3\mathbf{NH}\right]}}$ $\stackrel{~}{}\Leftarrow$درجة تفكك الحامض $5\times {10}^{-5}$
• درجة التفكك (التأين) =$0.1=\frac{{10}^{-4}\mathrm{M}}{{10}^{-3}\mathrm{M}}=$

تخفيف الالكتروليتات الضعيفة:

إن حالة الاتزان التي تتميز بها الإلكتروليتات الضعيفة هي نفس حالة الاتزان التي درسناها في الفصل الثاني فهي تتأثر بقاعدة لو شاتليه، فخلال عملية التخفيف (إضافة الماء إلى محلول الإلكتروليت الضعيف) تزداد درجة تأين الإلكتروليت الضعيف، وذلك لأن التخفيف يميل إلى تقليل عدد.

أجزاء المذاب في وحدة الحجم ولإزالة تأثير عملية التخفيف حسب قاعدة لو شاتيليه يزاح موقع الاتزان الأصلي إلى موقع جديد وذلك بأن يزداد تفكك جزيئات الحامض غير المتفككة فتنقص كميتها وتزاد كمية الأيونات الناتجة من التفكك في وحدة الحجم من المحلول فيرجع المحلول إلى حاله.

الاتزان مرة أخرى ولكن بموقع جديد.

قانون التخفيف:

إن إضافة حجم معين من الماء إلى حجم معين من محلول أو بالعكس سيؤدي إلى تغير في تركيز تلك المادة ولغرض إيجاد تركيز هذه المواد بعد الإضافة أو عدد مرات التخفيف يمكن تطبيق قانون التخفيف.

M₁ . V₁ = M ₂ . V₂

• V₂: حجمه بعد التخفيف (الحجم الكلي).
• M ₂: تركيز المحلول بعد التخفيف.
• M₁: مولارية المحلول قبل التخفيف.
• V₁: حجم المحلول قبل التخفيف.

عدد مرات التخفيف = $\frac{M_1}{M_2}=\frac{V_2}{V_1}$

إثراء:

قد ينطرح تساؤل وهو لماذا عند التخفيف يتفكك الإلكتروليت الضعيف إلى أيوناته وليس العكس أي تتحد الأيونات لتكوين الجزيئات غير المتفككة طالما تنخفض تراكيز جميع الأصناف المذابة بنفس عدد مرات التخفيف؟ لنأخذ المثال الآتي وعند تركيز معين لمحلول مخفف من HCN تنشأ حالة الاتزان حسب التفاعل: $\mathrm{HCN}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{CN}}^{-}$ وبتطبيق علاقة ثابت تفكك الحامض الضعيف.

فإن: ${\mathrm{K}}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{CN}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{HCN}\right]}$

لو خففنا المحلول الى 10 مرات مثلاً فإن تراكيز جميع مكونات المحلول تنخفض 10 مرات عما كانت عليه قبل التخفيف وبتطبيق قانون التخفيف أو العلاقة الآتية يمكننا إيجاد تركيز كل مكون من مكونات المحلول بعد التخفيف:

عدد مرات التخفيف = $\frac{\mathrm{التركيزقبل} \mathrm{التخفيف}}{\mathrm{التركيزبعد} \mathrm{التخفيف}}$

أي:

• $\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]$ بعد التخفيف = $\frac{{\displaystyle \left[\mathrm{H}\right]} \mathrm{التركيزقبل} \mathrm{التخفيف}}{10}$
• $[\mathrm{CN}-]$ بعد التخفيف=$\frac{{\displaystyle \text{ [ CN-] }}\mathrm{التركيزقبل} \mathrm{التخفيف}}{ 10}$
• $\text{ [H CN ] }$ بعد التخفيف=$\frac{\mathrm{التخفيف} \mathrm{قبل} \mathrm{لتركيز} {\displaystyle \text{ [H CN ] }}}{ 10}$

وعند إيجاد نسبة تراكيز الأيونات الناتجة من التفكك إلى تركيز جزيئات الحامض غير المتفككة والتي تمثل اصطلاحاً حاصل التفاعل (Q).

$\mathrm{Q}=\frac{\frac{{\displaystyle \frac{{\displaystyle \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]}}{10}}}{ }\mathrm{X}\frac{\frac{{\displaystyle \left[{\mathrm{CN}}^{-}\right]}}{10}}{ }}{\frac{{\displaystyle \text{ [ HCN ] }}}{10}}$

$\mathrm{Q}=\frac{1}{10}\mathrm{x}\frac{{\displaystyle \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{CN}}^{-}\right]}}{{\displaystyle \text{ [ }\mathrm{HCN}]}}$

ولما كانت: ${\mathrm{K}}_{\mathrm{a}}=\frac{\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{CN}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{HCN}\right]}$

إذاً: $\mathrm{Q}=\frac{1}{10}$

وعليه فإن حاصل التفاعل أقل من ثابت تفكك الحامض وهذا يعني أن الحامض يزيد من تفككه (اتجاه التفاعل أمامي) لحين الوصول إلى حالة الاتزان ثانية.