Šarminių ir šarminių žemių elementų chemija

Bendri jonų dėsningumai nepanaikina svarbių skirtumų

Šarminių metalų atomai turi pasirinktą išorinio elektronų sluoksnio ns¹ konfigūraciją ir paprastai sudaro +1 katijonus. Šarminių žemių metalų atomai turi ns² konfigūraciją ir paprastai sudaro +2 katijonus. Šie dėsningumai padeda sisteminti daugelio druskų formules, tačiau mažesni pirmieji grupių nariai ir pokyčiai leidžiantis grupe žemyn gali lemti ryšių, hidratacijos, koordinacijos ir kitokios elgsenos skirtumus.

Lyginant redukcinę gebą vandeniniame tirpale, įtraukiama solvatacija ir kiti termodinaminiai dėmenys; stebimas reakcijos intensyvumas papildomai gali priklausyti nuo paviršių, fazės ir kinetikos. Ličio pavyzdys parodo, kodėl vien jonizacijos dujinėje fazėje tendencija nelemia visų palyginimų vandeniniame tirpale. Druskos tirpimui svarbūs ir kristalinės gardelės, ir hidratacijos poveikiai, o teiginiuose apie tirpumą būtina nurodyti temperatūrą ir fazę.

Visiška disociacija dalelių apskaitoje – nustatyta prielaida

Tarkime, kad 0.100 mol MgCl₂ yra visiškai disocijavęs, galutinis tirpalo tūris yra 0.500 L ir kitų ištirpusių medžiagų nėra. Jonų kiekiai yra 0.100 mol Mg²⁺ ir 0.200 mol Cl⁻; molinės koncentracijos yra 0.200 ir 0.400 mol L⁻¹. Jų medžiagos kiekių suma, pasverta jonų krūvio skaičiais, yra 2× 0.100−0.200=0.

Tai dalelių apskaitos prielaida, o ne duomenys, rodantys, kad esant šioms koncentracijoms iš tikrųjų išnyksta jonų porų susidarymas ar aktyvumo pataisos. Jono koncentracija savaime nėra jo bedimensis aktyvumas. Hidratacijos struktūroms ir nuo koncentracijos priklausančiam neidealumui apibūdinti reikia papildomų duomenų; paprasta apskaita vis tiek naudinga, kai nurodomos jos taikymo ribos.

Vienodos elementų masės nereiškia vienodų medžiagos kiekių

Pasirinkę po 24.0 g kiekvieno elemento, naudokite pateiktas apytiksles molines mases Mg=24.305 ir Ca=40.078 g mol⁻¹. Jų medžiagos kiekiai yra apytiksliai 0.987451 ir 0.598832 mol, todėl Mg/Ca medžiagos kiekių santykis yra apytiksliai 1.64896. Trimis reikšminiais skaitmenimis išreikštos vertės yra 0.987 mol, 0.599 mol ir santykis 1.65.

Šiuo medžiagos kiekio skaičiavimu nelyginamas reakcijos greitis, redukcijos potencialas ar naudingojo produkto išeiga. Tikrosios medžiagos sudėtis ir bet kokios priemaišos turėtų įtakos joje esančio nurodyto elemento medžiagos kiekiui. Pradinė masė ir jai taikoma molinės masės nustatymo sutartis turi likti aiškiai nurodytos.

Išgalvotam tirpumo modeliui reikia savų aktyvumo prielaidų

Naudokite neįvardytą kietąją medžiagą M(OH)₂ numatytame idealiame tirpale, kai temperatūra 298.15 K, bedimensis K_sp=4.00× 10⁻¹² ir standartinė koncentracija c°=1 mol L⁻¹. Pasirinktoje srityje nepaisykite vandens autoprotolizės ir kitų pusiausvyrų bei išlaikykite kietąją fazę. Jei ištirpusios medžiagos kiekio koncentracija yra s ir nėra foninio OH⁻, K_sp=(s/c°)(2s/c°)², todėl s=1.00× 10⁻⁴ mol L⁻¹.

Esant pradinei foninei OH⁻ medžiagos kiekio koncentracijai b=0.0100 mol L⁻¹, išlaikykite tirpstant papildomai susidariusį hidroksidą: K_sp=(s/c°)((b+2s)/c°)². Teigiama šaknis yra apytiksliai 3.999936× 10⁻⁸ mol L⁻¹. Nepaisant 2s, palyginti su b, gaunama 4.00× 10⁻⁸ mol L⁻¹, maždaug 0.001600% daugiau už tikslią šaknį.

Tai išgalvoti pusiausvyros įvesties duomenys, o ne konkretaus tikro šarminių žemių hidroksido tirpumas. Palyginimui reikia pastovios temperatūros, idealių aktyvumų, fiksuoto pradinio fono ir jokių konkuruojančių kompleksų ar fazių. Tikros druskų tendencijos negalima nustatyti vien iš krūvio ar perkelti iš šio vieno supaprastinto modelio.

Suminis fazės virsmas turi stechiometrinį masės balansą

Formaliai suminei reakcijai CaCO₃ → CaO + CO₂ naudokite pateiktas suapvalintas atomines molines mases Ca=40.078, C=12.011 ir O=15.999 g mol⁻¹. Molinės masės atitinkamai yra 100.086, 56.077 ir 44.009 g mol⁻¹. Numatytas visiškas 5.00 g gryno karbonato virsmas duoda apytiksliai 2.80144 g CaO ir 2.19856 g CO₂.

Jų suma yra 5.00 g. Tai teorinė visiško virsmo aritmetika, o ne veikimo temperatūros, tikro virsmo įrodymas ar išmatuotas surinktų dujų kiekis. Tikrą rezultatą lemia fazių pusiausvyra, kinetika, priemaišos ir medžiagos atgavimas.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Ar visišką disociaciją atitinkantys medžiagų kiekiai įrodo, kad esant šiems kiekiams realaus MgCl₂ koncentracija lygi aktyvumui?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Disociacija ir termodinaminis neidealumas yra atskiri klausimai.

2. Tarkite, kad 0.0600 mol MgCl₂ visiškai disocijuoja, o galutinis tūris yra 0.300 L. Raskite Mg²⁺ ir Cl⁻ koncentracijas.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Mg²⁺: 0.200 M; Cl⁻: 0.400 M.

   Jonų medžiagos kiekius 0.0600 ir 0.120 mol padalijus iš 0.300 L, gaunamos šios koncentracijos. Jų medžiagos kiekių, padaugintų iš atitinkamų jonų krūvių, suma lygi nuliui; faktiniai aktyvumai nenurodyti.

3. Naudokite Ca molinę masę 40.078 g mol⁻¹. Koks Ca kiekis yra 12.0 g sąlygoje nurodyto grynojo elemento?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Apytiksliai 0.299 mol.

   12.0/40.078≈ 0.299416 mol prieš apvalinant pagal masės tikslumą. Tai neleidžia numatyti reakcijos greičio.

4. Ar išgalvota M(OH)₂ K_sp vertė nusako išmatuotą realios druskos tirpumą?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Neįvardytos pusiausvyros įvesties duomenys ir idealiosios prielaidos yra aiškiai nustatyti užduoties sąlygose.

Ką verta įsidėmėti

• Taikykite įprastus jonams būdingus dėsningumus, atsižvelgdami į jų taikymo ribas.
• Ištirpusių medžiagų kiekių ir krūvių balansus sudarykite atskirai nuo aktyvumų.
• Vienodas mases perskaičiuokite naudodami atitinkamas molines mases.
• Tirpumo modelyje išlaikykite bendravardžio jono ir fazių prielaidas.
• Atskirkite teorines virsmo mases nuo faktinių rezultatų.