تأثير الأيون المشترك

Common Ion Effect

الأيون المشترك: أيون يدخل في تركيب مادتين مختلفتين (حمض ضعيف وملح، أو قاعدة ضعيفة وملح)، وينتج من تأينهما.

في هذا الدرس سندرس أثر إضافة الملح إلى محلول الحمض، وأثر إضافة الملح إلى محلول القاعدة، وهو ما يعرف بتأثير الأيون المشترك.

تأثير الأيون المشترك: التغير في تراكيز المواد والأيونات الناتج من إضافة الملح إلى المحلول.

في هذا الدرس سنتعامل مع حالتين، هما:

الحالة الأولى: (الأثر القاعدي للأيون المشترك)

ماذا يحدث لقيمة pH عند إضافة محلول سيانيد الصوديوم NaCN (ملح قاعدي) إلى محلول حمض الهيدروسيانيكHCN  (حمض ضعيف)؟

يتحلل حمض الهيدروسيانيك في الماء وفق المعادلة:

يتحلل ملح سيانيد الصوديوم في الماء وفق المعادلة:

قبل إضافة الملح NaCN إلى محلول الحمض الضعيف HCN ، تكون أيونات H₃O⁺ و CN^- في حالة اتزان مع جزيئات HCN في محلول الحمض، وتركيزهما متساوٍ.

عند إضافة الملح NaCN إلى محلول الحمض الضعيف HCN ، يتأين الملح كلياً في الماء، فيعمل على زيادة تركيز الأيون المشترك (CN^-)، ونتيجة لذلك سوف يندفع الاتزان في معادلة الحمض الضعيف باتجاه اليسار (المتفاعلات)، ما يزيد من تركيز الحمض الضعيف، ويقلل تأينه، كما يقلل من تركيز أيونات H₃O⁺ ، وزيادة قيمة pH .

الحالة الأولى: (الأثر الحمضي للأيون المشترك)

ماذا يحدث لقيمة pH عند إضافة ملح كلوريد الأمونيوم NH₄Cl (ملح حمضي) إلى محلول الأمونياNH₃  (قاعدة ضعيفة)؟

تتحلل الأمونيا في الماء وفق المعادلة:

يتحلل ملح كلوريد الأمونيوم في الماء وفق المعادلة:

قبل إضافة الملح NH₄Cl إلى محلول القاعدة الضعيفة NH₃، تكون أيونات NH₄⁺ و OH^- في حالة اتزان مع جزيئات NH₃ في محلول القاعدة، وتركيزهما متساوٍ.

عند إضافة الملح NH₄Cl إلى محلول القاعدة الضعيفة NH₃ ، يتأين الملح كلياً في الماء، فيعمل على زيادة تركيز الأيون المشترك (NH₄⁺)، ونتيجة لذلك سوف يندفع الاتزان في معادلة القاعدة الضعيفة باتجاه اليسار (المتفاعلات)، ما يزيد من تركيز القاعدة الضعيفة، ويقلل تأينها، كما يقلل من تركيز أيونات OH^- ، ونقصان قيمة pH .

سؤال (1):

أضيف محلول ملح NaNO₂ إلى محلول الحمض HNO₂ .

1- اكتب صيغة الأيون المشترك.

2- ماذا يحدث لتركيز أيون الهيدرونيوم؟

3- ماذا يحدث لتركيز أيون الهيدروكسيد؟

4- ماذا يحدث لقيمة pH ؟

5- ماذا يحدث لقيمة K_a ؟

6- أين يتجه الاتزان في معادلة الحمض بعد إضافة الملح؟

7- ماذا يحدث لـ [HNO₂] بعد إضافة الملح؟

8- ماذا يحدث لتأين الحمض بعد إضافة الملح؟

سؤال (2):

أضيف محلول ملح N₂H₅NO₃ إلى محلول القاعدة N₂H₄ .

1- اكتب صيغة الأيون المشترك.

2- ماذا يحدث لتركيز أيون الهيدروكسيد؟

3- ماذا يحدث لتركيز أيون الهيدرونيوم؟

4- ماذا يحدث لقيمة pH ؟

5- ماذا يحدث لقيمة K_b ؟

6- أين يتجه الاتزان في معادلة القاعدة بعد إضافة الملح؟

7- ماذا يحدث لـ [N₂H₄] بعد إضافة الملح؟

8- ماذا يحدث لتأين القاعدة بعد إضافة الملح؟

سؤال (3):

اكتب صيغة مادتان تنجان الأيونات المشتركة التالية في محاليلها:

أ- CH₃NH₃⁺                     

ب- C₂H₅COO^- 

ج- C₅H₅NH⁺                    

د- NH₂OH₂⁺

الحسابات المتعلقة بالأيون المشترك

الأثر القاعدي للأيون المشترك

مثال (1):

أحسب التغير في الرقم الهيدروجيني لمحلول الحمض الضعيف CH₃COOH ، الذي تركيزه 0.1 M ورقمه الهيدروجيني pH = 2.9 إذا أضيف إلى لتر منه 0.2 mol من ملح إيثانوات الصوديوم CH₃COONa . علماً أن K_a = 1.7 x 10^-5 و log 8.5 = 0.93

الحل:

أحسب تركيز الملح المضاف:

M = $\frac{n}{V}$ =  $\frac{0.2}{1}$ = 0.2 M

يتأين الحمض الضعيف وفق المعادلة:

+ H₃O⁺ CH₃COOH + H₂O  $\rightleftharpoons$  CH₃COO^-    

ويكون [CH₃COO^-] = [H₃O⁺]

وعند إضافة الملح CH₃COONa إلى محلول الحمض، يتأين الملح وفق المعادلة:

+ Na⁺ CH₃COONa  $\stackrel{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}{\to }$  CH₃COO^-    

وللأيون المشترك CH₃COO^- الناتج من إضافة الملح إلى محلول الحمض مصدران:

1- الحمض الضعيف، وكميته قليلة، فيهمل.

2- الملح المضاف؛ ولأن تأين الملح كلي، فيمكن اعتباره المصدر الوحيد في المحلول.

أي أن: [CH₃COO^-] = [CH₃COONa] = 0.2 M

أعوض تركيز الحمض وتركيز الأيون المشترك من الملح وقيمة K_a في العلاقة:

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

1.7 x 10^-5 = $\frac{\left[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}\right] (0.2)}{(0.1)}$

[H₃O⁺] = 8.5 x 10^-6 M

pH₂ = - log [H₃O⁺] = -log (8.5 x 10^-6) = 6 – (0.93) = 5.07

ΔpH = pH₂ – pH₁ =  5.07 – 2.9 = 2.17

وهذا يعني أن الرقم الهيدروجيني زاد بمقدار (2.17) بعد إضافة الملح القاعدي إلى محلول الحمض الضعيف.

مثال (2):

أحسب الرقم الهيدروجيني لمحلول مكون من الحمض HNO₂ تركيزه 0.085 M والملح KNO₂ 0.1 M

علماً أن K_a = 4.5 x 10^-4 و log 3.825 = 0.58

الحل:

يتأين الحمض الضعيف وفق المعادلة:

+ H₃O⁺ HNO₂ + H₂O   $\rightleftharpoons$  NO₂^-    

ويكون [NO₂^-] = [H₃O⁺]

وعند إضافة الملح KNO₂ إلى محلول الحمض، يتأين الملح وفق المعادلة:

+ K⁺ KNO₂  $\stackrel{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}{\to }$  NO₂^-    

نعتبر أن المصدر الوحيد للأيون المشترك NO₂^- من الملح.

أي أن: [NO₂^-] = [KNO₂] = 0.1 M

أعوض تركيز الحمض وتركيز الأيون المشترك من الملح وقيمة K_a في العلاقة:

K_a = $\frac{\left[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}\right] \left[{{\mathrm{NO}}_2}^{-}\right]}{\left[{\mathrm{HNO}}_2\right]}$ 

4.5 x 10^-4 = $\frac{\left[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}\right] (0.1)}{(0.085)}$

[H₃O⁺] = 3.825 x 10^-4 M

pH₂ = - log [H₃O⁺] = - log (3.825 x 10^-4) = 4 – (0.58) = 3.42

الأثر الحمضي للأيون المشترك

مثال (3):

أحسب التغير في الرقم الهيدروجيني لمحلول الأمونيا NH₃ ، الذي حجمه 1 L وتركيزه 0.1 M ورقمه الهيدروجيني يساوي 11 إذا أضيف إليه 0.2 mol من ملح كلوريد الأمونيوم NH₄Cl .

علماً أن K_b = 1.8 x 10^-5 , log 1.1 = 0.04

الحل:

أحسب تركيز الملح المضاف:

M = $\frac{n}{V}$ =  $\frac{0.2}{1}$ = 0.2 M

تتأين القاعدة الضعيفة وفق المعادلة:

+ OH^- NH₃ + H₂O   $\rightleftharpoons$  NH₄⁺    

يتأين الملح NH₄Cl وفق المعادلة:

+ Cl^- NH₄Cl  $\stackrel{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}{\to }$  NH₄⁺    

أعوض تركيز القاعدة وتركيز الأيون المشترك من الملح وقيمة K_b في العلاقة:

K_b = $\frac{\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right] \left[{{\mathrm{NH}}_4}^{+}\right]}{\left[{\mathrm{NH}}_3\right]}$ 

1.8 x 10^-5 = $\frac{\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right] (0.2)}{(0.1)}$

[OH^-] = 0.9 x 10^-5 M

[OH^-] [H₃O⁺] = 1 x 10^-14 K_w =

[H₃O⁺] = $\frac{{\mathrm{K}}_{\mathrm{w}}}{\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}$ = $\frac{1 \mathrm{x} {10}^{-14}}{0.9 x {10}^{-5}}$ = 1.1 x 10^-9 M

[H₃O⁺] = 1.1 x 10^-9 M

pH₂ = - log [H₃O⁺] = -log (1.1 x 10^-9) = 9 – (0.04) = 8.96

أحسب التغير في قيمة الرقم الهيدروجيني:

ΔpH = pH₂ – pH₁ = 8.96 – 11 = -2.04

الإشارة السالبة تعني نقصان في قيمة pH .

سؤال (4):

أحسب التغير على قيمة pH عند إضافة 0.4 M من ملح إيثانوات البوتاسيوم CH₃COOK إلى محلول حمض الإيثانويك CH₃COOH بتركيز 0.2 M (K_a = 2 x 10^-5)، (log 2 = 0.3).

سؤال (5):

أحسب التغير في قيمة الرقم الهيدروجيني لمحلول الأمونيا NH₃ تركيزه 0.2 M إذا أضيف إليه ملح كلوريد الأمونيوم NH₄Cl بتركيز 0.2 M علماً أن K_b = 2 x 10^-5 و   log 5 = 0.7

سؤال (6):

1- أحسب قيمة pH لمحلول تركيزه  0.01 Mمن القاعدة N₂H₄ (K_b = 1 x 10^-6).

2- أحسب قيمة pH للمحلول السابق إذا أضيف إلى لتر منه 0.01 mol من الملح N₂H₅NO₃ .

سؤال (7):

إذا كانت قيمة pH لمحلول مكوّن من الحمض HA والملح KA لهما التركيز نفسه تساوي (4)، أحسب قيمة K_a للحمض.

سؤال (8):

حُضر محلول من قاعدة ضعيفة (B) والملح (BHCl) بالتركيز نفسه، فإذا علمت أن K_b لـ B = (1 x 10^-4). أحسب قيمة pH للمحلول الناتج.

سؤال (9):

محلول من حمض HNO₂ تركيزه (0.1 M)، أضيفت إليه بلورات من ملح NaNO₂ فأصبحت قيمة pH = (4). أحسب تركيز الملح المضاف بوحدة (M). (أهمل تغيّر الحجم، K_a للحمض HNO₂ = 4 x 10^-4)

سؤال (10):

أضيف (0.09 mol) من الملح KZ إلى (250 mL) من محلول الحمض HZ (0.1 M). أحسب قيمة pH للمحلول الناتج.   K_a لـ HZ = (3.6 x 10^-6)

سؤال (11):

محلول يتألف من حمض HOCl وملح NaOCl ، فإذا كان تركيز الملح ضعفي تركيز الحمض، إذا علمت أن قيمة ثابت تأين الحمض= 2 x 10^-8  K_a . أحسب قيمة pH للمحلول.

سؤال (12):

إذا كان لديك محلولاً للحمض HA بتركيز 0.1 M، وأضيف إلى لتر منه ملح KA فكان التغير في قيمة pH تساوي (1)، فأوجد كتلة الملح المضاف إذا علمت أن K_a للحمض = 1 x 10^-5 ، والكتلة المولية للملح =  40 g/mol

سؤال (13):

محلول حمض الميثانويك HCOOH حجمه (500 mL)، وتركيزه (0.5 M)، أضيفت إليه بلورات من ملح ميثانوات الصوديوم HCOONa ، كتلته المولية (68 g/mol)، فتغيرت قيمة pH بمقدار (2)، فإذا علمت أن K_a للحمض (2 x 10^-4)، أحسب كتلة بلورات الملح المضافة بوحدة (g).

سؤال (14):

عند إضافة عدد معين من مولات ملح إيثانوات الصوديومCH₃COONa  إلى لتر من محلول حمض الإيثانويك CH₃COOH بتركيز (0.2 M)، تغيرت قيمة pH المحلول بمقدار 2.3 . أحسب تركيز الملح المضاف.

(log 2 = 0.3) (K_a للحمض = 2 x 10^-5)

سؤال (15):

أضيف ملح C₆H₅NH₃Cl إلى لتر من محلول C₆H₅NH₂ بتركيز (0.01 M) فتغيرت قيمة (pH) بمقدار (-0.3). أحسب كتلة الملح المضاف علماً أن الكتلة المولية للملح تساوي (130 g/mol)، وثابت تأين القاعدة C₆H₅NH₂ (K_b) = 4 x 10^-10 ، (log 5 = 0.7). بافتراض أن حجم المحلول لم يتغير.

سؤال (16):

أضيف 0.1 mol من ملح NH₄Cl إلى لتر من محلول NH₃ فأصبحت قيمة pH = (9). أحسب قيمة pH للقاعدة قبل إضافة الملح. (أهمل التغير في الحجم بعد إضافة الملح)

سؤال (17):

أضيفت بلورات من ملح KA إلى محلول الحمض HA فتغيرت قيمة  pH من (2) إلى (5). أحسب تركيز الملح (أهمل التغير في الحجم بعد إضافة الملح).

سؤال (18):

إذا كانت قيمة pH في محلول يحتوي على 0.1 M من حمض HX = (3)، أحسب تركيز الملح NaX الذي يجب أن يضاف للمحلول لتتغير قيمة pH بمقدار (2).