Chemia - Matura Lipiec 2020, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 22.
Jon kompleksowy składa się z atomu centralnego i ligandów. Funkcję atomu centralnego spełniają najczęściej kationy metali. Ligandami są drobiny chemiczne, które łączą się z atomem (jonem) centralnym wiązaniem koordynacyjnym za pomocą wolnej pary elektronowej atomu donorowego wchodzącego w skład ligandu. Ligandami mogą być cząsteczki obojętne, np. H2O, NH3, lub aniony, np. Cl−, OH−.
Powstawanie kompleksu jonu metalu M z ligandami L można opisać sumarycznym równaniem:
M + nL ⇄ MLn
Indeks n oznacza liczbę ligandów, z którymi łączy się jon metalu.
Jony etylenodiaminotetraoctanowe (EDTA) są jednym z najpopularniejszych czynników kompleksujących. Te jony – umownie oznaczone wzorem Y4– – tworzą kompleks z jonami magnezu zgodnie z równaniem:
Mg2+ + Y4– ⇄ MgY2−
Równowagę reakcji kompleksowania opisuje stała trwałości tego kompleksu β, która wyraża się równaniem:
β = [MgY2–][Mg2+] ∙ [Y4–]
W temperaturze 25ºC stała trwałości tej reakcji jest równa 5 ∙ 108.
Zmieszano wodny roztwór zawierający jony magnezu Mg2+ z wodnym roztworem ligandu Otrzymano 1 dm3 roztworu, w którym po ustaleniu się stanu równowagi w temperaturze 25ºC stężenie jonów MgY2– było równe 1,00∙10–1 mol∙dm–3, a stężenie jonów Y4– wyniosło 0,05∙10–1 mol∙dm–3.
Oblicz stężenie jonów Mg2+ w otrzymanym roztworze (w temperaturze 25ºC) i rozstrzygnij, czy prawdziwe jest twierdzenie, że praktycznie wszystkie jony Mg2+ użyte do sporządzenia roztworu występują w postaci kompleksu MgY2–.
Rozstrzygnięcie:
Rozwiązanie
Schemat punktowania
2 p. – za zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń, podanie wyniku
w jednostce stężenia molowego oraz poprawne rozstrzygnięcie.
1 p. – zastosowanie poprawnej metody, ale:
– popełnienie błędów rachunkowych prowadzących do błędnego wyniku liczbowego
lub
– niepodanie wyniku w jednostce stężenia molowego
lub
– sformułowanie błędnego rozstrzygnięcia lub brak rozstrzygnięcia.
0 p. – za zastosowanie błędnej metody obliczenia albo brak rozwiązania.
Przykładowe rozwiązania
Rozwiązanie I:
Vroztworu = 1 dm3
β = [MgY2–][Mg2+] ∙ [Y4–]
[MgY2–] = 1,00 ∙ 10–1 mol∙dm–3 i [Y4–] = 0,05 ∙ 10–1 mol∙dm–3
[Mg2+] = x
⇒ β = 1,00 ∙ 10–10,05 ∙ 10–1 ∙ x i β = 5 ∙ 108
⇒ 5 ∙ 108 = 1,00 ∙ 10–1x ∙ 0,05 ∙ 10–1
⇒ 5 ∙ 108 ∙ x ∙ 0,05 ∙ 10–1 = 1,00 ∙ 10–1
⇒ x = 4 ∙ 10–8 mol∙dm–3 ⇒
(4 ∙ 10–8 mol∙dm–3 << 1,00 ∙ 10–1
⇒ [Mg2+] << [MgY2–] lub [Mg2+] ≈ 0 mol∙dm–3)
Rozstrzygnięcie: Tak, (twierdzenie, że praktycznie wszystkie jony Mg2+ użyte do sporządzenia roztworu występują w postaci kompleksu, jest prawdziwe.)
Rozwiązanie II:
Vroztworu = 1 dm3
β = [MgY2–][Mg2+] ∙ [Y4–]
[MgY2–] = 1,00 ∙ 10–1 mol∙dm–3 i [Y4–] = 0,05 ∙ 10–1 mol∙dm–3
[Mg2+] = c0 Mg2+ – [MgY2–]
⇒ β = [MgY2–](c0 Mg2+ – [MgY2–]) ∙ [Y4–] i β = 5 ∙ 108
⇒ 5 ∙ 108 = 1,00 ∙ 10–1(c0 Mg2+ – 1,00 ∙ 10–1) ∙ 0,05 ∙ 10–1
⇒ c0 Mg2+ = 0,25 ∙ 107 + 10,25 ∙ 108 i 0,25 ∙ 107 >> 1
⇒ c0 Mg2+ = 0,25 ∙ 1070,25 ∙ 108 = 10–1 = [MgY2–]
Rozstrzygnięcie: Tak, (twierdzenie, że praktycznie wszystkie jony Mg2+ użyte do sporządzenia roztworu występują w postaci kompleksu, jest prawdziwe.)
