EDUCAÇÃO
Az ionerősséghatás vizuális szemléltetése az osztályteremben. A Debye-Hückel-féle határtörvény
Edvaldo Sabadini*; Larissa Vieira Cavalcanti Carvalho
Departamento de Físico-Química, Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, CP 6154, 13084-862 Campinas – SP, Brasil
ABSTRACT
Az ionerősség hatása a vizes oldatokban lévő ionokra igen fontos, különösen olyan biokémiai rendszerek esetében, amelyekben fehérjék és aminosavak is szerepet játszanak. E téma, pontosabban a Debye-Hückel-féle határértéktörvény tanítása központi szerepet játszik a kémia alapképzésben. Ebben a munkában egy olyan kísérleti eljárás leírását mutatjuk be, amely a bróm-krezol zöld (BCG) vizes oldatainak elektrolit hozzáadásával vezérelt színváltozásán alapul. A töltéstermék (z+|z-|) hozzájárulását a Debye-Hückel-féle határértéktörvényhez a NaCl és Na2SO4 BCG-oldatok színére gyakorolt hatásának összehasonlításakor mutatjuk be.
Kulcsszavak: színváltozás; ionerősség hatása; a Debye-Hückel-törvény szemléltetése.
BEVEZETÉS
Számos olyan kémiai rendszer létezik, amelyben elektrolitok vesznek részt, és ezért függnek a közeg ionerősségétől. Ki lehet emelni ezeket a biokémiai rendszereket, amelyek olyan elektrolitokat vonnak be, mint a fehérjék és az aminosavak. Az ilyen rendszerek esetében az ionerősség szabályozása alapvető fontosságú, mivel az elektrosztatikus kölcsönhatások a legintenzívebb kölcsönhatás a kémiai fajok között. Emiatt az idealitástól való nagy eltérések még akkor is megfigyelhetők, ha a fajok nagyon híg oldatokban vannak. Az ionos oldatok elektromosan semlegesek, de mivel az ellentétes töltésű ionok kölcsönösen vonzzák egymást, egy adott ion közvetlen közelében túlsúlyban vannak az ellenionok. Ezért az ion körül ionos környezet alakul ki. Ennek eredményeként bármely ion kémiai potenciálja csökken az ion és az ionos környezet kölcsönhatása miatt. Ez a csökkentő hatás az oldat moláris Gibbs-energiája (Gm) és ideális értéke (Gmideal) közötti különbségből adódik, és ezért azonosítható RT ln γ±-val, ahol R, T és γ±, a gázállandó, a hőmérséklet és az átlagos ionaktivitási együttható.1
A Debye-Hückel által kidolgozott modell szerint a γ± a kation és az anion átlagos kölcsönhatásával függ össze az ionos környezetükkel. 25 ºC-on és nagyon híg oldatban a γ± értéke a Debye-Hückel-féle határértéktörvény (1. egyenlet) segítségével becsülhető:2
ahol i az ion töltése és I az ionerősség, amelyet a 2. egyenlet határoz meg:
ahol mi az i ion molalitása és mº az mº ≡ 1 mol kg-1.
Az 1. egyenletet korlátozó törvénynek nevezzük, mivel csak a végtelen hígítás határán (azaz nagyon kis molalitású ionos oldatoknál) érvényes. Az 1. egyenlet segítségével szimulálható, hogy a γ± hogyan változik az ionerősség és az ionok elektromos töltésének függvényében, amint azt az 1. ábra mutatja.
Megfigyelhető, hogy minden esetben log γ± < 0, és ezért a γ± értékei mindig kisebbek lesznek, mint 1. Megfigyelhető továbbá, hogy az egyenesek meredeksége a modell szerint arányos az elektrolitot alkotó ionok töltésének (z+|z-|) szorzatával. Így várható, hogy azonos ionerősség esetén a γ± értéke NaCl-oldat esetén mindig nagyobb lesz, mint Na2SO4 esetén.
A cikk célja a határértéktörvény szemléletes bemutatása, amely könnyen lefuttatható az osztályteremben. Ennek alapja egy brómkrezol-zöld (BCG) oldat színváltozásának bemutatása. A közelmúltban e cikk szerzője és mások,3 bemutatták, hogy egy vizes BCG-oldat színe egyszerűen víz hozzáadásával megváltozhat (vörösesről kékre). Ezt az érdekes és elvileg váratlan jelenséget sikeresen alkalmazták egy kísérletben, amelyet az IQ-UNICAMP egyetemi fizikusi kémia laboratóriumi kurzusán fejlesztettek ki a kémia szakos hallgatók számára. Az ionok hatása a Debye-Hückel-féle határértéktörvény szemléltetésére kiegészíti a kísérletet.
KÉPZETI ELJÁRÁS JAVASLAT AZ ÓRÁBAN HASZNÁLHATÓ Kísérleti eljárásra
Az ionerőhatás szemléltetése könnyen elvégezhető az órán. A következő szövegben egy olyan kísérleti leírást mutatunk be, amely kiváló vizuális eredményt ad (hasonlóan a 2. ábrán látható fényképhez).
A BCG 1 x 10-3 mol L-1 törzsoldatát úgy állítjuk elő, hogy ≈ 70 mg szilárd BCG-t (M = 698,02 g mol-1) 100 ml-es mérőlombikban etanollal oldunk, mivel a BCG tiszta vízben kevéssé oldódik. Az oldódás felgyorsítása érdekében az oldatot 5-10 percig szonikázni kell (Thorton T-14 40 kHz-en és 50 W-on). Ezt követően 6,3 ml törzsoldat aliquotját egy 500 ml-es mérőlombikban 500 ml-ig vízzel hígítjuk, így kapunk 1,3 x 10-5 mol L-1 BCG vizes oldatot. Ennél a koncentrációnál mindkét BCG faj reprezentatív mennyiségben van jelen, így az elektrolit hozzáadásával jól változik a szín. Ezután 100 mL vizes BCG-oldatot három külön üvegpalackba töltünk, és a demonstráció idején szilárd elektrolitokat adunk hozzá, az egyik palackba 0,58 g NaCl-t, a másikba pedig 0,57 g Na2SO4-ot. Az elegyeket ezután a szilárd anyagok teljes feloldódásáig keverjük. Az elektrolitoknak a megadott arányban történő hozzáadásával azonos ionerősségű (I = 0,1 mol L-1) oldatokat kapunk.
ELEMZÉSEK ÉS MEGJEGYZÉSEK
A 2. ábra az azonos koncentrációjú vizes BCG-oldatokat tartalmazó három üvegpalack fényképét mutatja, amelyek közül kettő NaCl-t és Na2SO4-ot tartalmazott az azonos ionerősség (I = 0,1 mol L-1) előállítása érdekében. A színváltozások jól megfigyelhetők. Az elektrolit hozzáadása kékes színváltozást idéz elő. Meglepő módon ez a hatás Na2SO4 esetében intenzívebb.
Az oldatok színváltozásának magyarázatához először is figyelembe kell venni, hogy a BCG egy sav-bázis indikátor, amelyben a protonált (BCG-H) és a nem protonált (BCG-) fajok a kémiai egyenletnek megfelelően (3. ábra) egymásba tudnak alakulni:
A vizes BCG-oldat által mutatott zöld szín annak köszönhető, hogy mindkét faj olyan mennyiségben van jelen, hogy a megfigyelt szín a sárga és a kék szín kombinációjából jön létre. Ebből arra lehet következtetni, hogy az elektrolitok hozzáadása az egyensúlyt a disszociált faj (BCG-) felé tolja el. Figyelemre méltó az is, hogy bár a két elektrolitoldat azonos ionerősségű, a BCG-egyensúly intenzívebben tolódik el a Na2SO4 felé. Nyilvánvaló, hogy ehhez az összehasonlításhoz a pH-nak közel kell lennie. A BCG-oldatok pH-ját megmértük, és az értékek gyakorlatilag azonosak voltak, 5,2.
Az egyensúlyi eltolódás a 4. ábrán látható (Shimadzu UV-Vis, spektrofotométeren kapott) elektronabszorpciós spektrumokban is megfigyelhető.
Amint megfigyelhető, az interkonverziót jól jellemzi a kb. 440 nm-es sáv intenzitásának csökkenése és a 620 nm-es sáv növekedése. Az 520 nm körüli izoszbesztikus pont egyértelműen jelzi az egyik fajnak a másikba történő közvetlen interkonverzióját.
A tanulók jól ismerik a közös ion hozzáadása által okozott kémiai egyensúlyi eltolódásokat. A BCG esetében azonban az egyensúlyi eltolódás nem magyarázható ezzel a hatással. A megközelítéshez az oldat növekvő ionerősségének hatását kell bevonni, ami az ionfajok (BCG- és H+) stabilizációjához vezet. A reakció egyensúlyi állandóját a 3. egyenlet szerint írjuk fel:
ahol a az egyensúlyban részt vevő faj aktivitása.
Híg oldatok esetén az egyensúlyi állandó a 4. egyenlet szerint közelíthető:
A BCG-H aktivitási együtthatója ≈ 1, mivel koncentrációja viszonylag kicsi, és mivel semleges molekula, az ionerősség nem befolyásolja erősen. A 4. egyenletet átrendezhetjük a következőképpen:
A Debye-Hückel-féle határértéktörvény (1. ábra) szerint a γ± híg elektrolitoldatokban kisebb, mint 1. Így az 5. egyenletből megállapíthatjuk, hogy a H+ és a BCG- analitikus koncentrációjának, és , nagyobbnak kell lennie, amikor a γ± ≈ 1 értéke, azaz amikor az ionerősség nullához közelít. Így bebizonyosodik, hogy az ionerősség növekedése eltolja a kémiai egyensúlyt az ionfajok stabilizálódása miatt, csökkentve a szabad energia különbségét (RT ln γ±).
Egyértelmű, hogy a NaCl és Na2SO4 tartalmú BCG-oldatok egyensúlyának relatív eltolódása nem magyarázható az ionerősség különbségével. A Debye-Hückel-féle határértéktörvény szerint azonban a γ± arányos a z+|z-| töltéstermékkel (1. egyenlet). Ezért mindkét elektrolit esetében, bár az ionerősség azonos, a töltéstermékek azonosak: 1 x 1 és 1 x 2, NaCl és Na2SO4 esetében. Ezért még azonos ionerősség mellett is kétszer nagyobb az SO42- anion hatása, mint a Cl- megfelelőjéé, és következésképpen az energiastabilizáció is nagyobb.
ÖSSZEGZÉS
Egy egyszerű kísérlet segítségével szemléletesen demonstrálható az ionerősség hatása a kémiai elektrolitok egyensúlyára. A BCG oldat színének egyértelmű változása az indikátor egyensúlyi eltolódásához kapcsolódik a jelenlévő ionfajok stabilizálódása miatt. Továbbá szemléletesen és színesen demonstráljuk az iontöltések szorzatának (z+|z-|) jelentőségét a Debye-Hückel-féle határértéktörvényben.
HÁTTIGAZOLÁSOK
A szerzők köszönetet mondanak Dr. C. A. Silvának az ionok egyensúlyra gyakorolt hatásának első bemutatásáért; R. Angartennek több előzetes kísérlet elvégzéséért.
1. Az ionok hatása az egyensúlyra. Atkins, P. W.; Physical Chemistry, 7. kiadás, Oxford University Press: Oxford, 1998.
2. Levine, I. N.; Physical Chemistry, 2nd ed., McGraw-Hill Book Company: New York, 1983.
3. Silva, C. R.; Pereira, R. B.; Sabadini, E.; J. Chem. Educ. 2001,78, 939.