Obliczenia:

Zachodzi reakcja:

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{NH}{}_2+\mathrm{HCl}\to \mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{NH}{}_3{}^{+}\mathrm{Cl}{}^{-}$

Nasycony roztwór tej soli powstanie po rozpuszczeniu 101 g chlorku aniliny w 100 g wody. Masa otrzymanego roztworu wynosi:

$101\mathrm{g}+100\mathrm{g}=201\mathrm{g}\text{roztworu nasyconego}$

Stężenie procentowe tego roztworu wynosi:

$C_p=\frac{m_s}{m_r}\cdot 100\%$
$C_p=\frac{101\mathrm{g}}{201\mathrm{g}}\cdot 100\%=50,25\%$

Poniżej przedstawiono wzór na przeliczenie stężenia procentowego (C_p) na stężenie molowe (C_m):

$C_m=\frac{C_p\cdot d}{M\cdot 100\%}$

gdzie,
M - masa molowa substancji [g/mol],
d - gęstość roztworu [g/dm³].

Zamieńmy jednostkę gęstości:

$d=1,3\mathrm{g}\cdot \mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}=1300\mathrm{g}\cdot \mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}=1300\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{d}{\mathrm{m}}^3}$

Masa molowa chlorku aniliny wynosi:

$M=12,01\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\cdot 6+1,01\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\cdot 8+14,01\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}+35,45\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}=129,6\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$

$C_m=\frac{50,25\%\cdot 1300\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{d}{\mathrm{m}}^3}}{129,6\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}\cdot 100\%}=5,04\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{d}{\mathrm{m}}^3}$

Chlorek aniliny ulega dysocjacji. Jest to sól mocnego kwasu i słabej zasady, zatem ulega hydrolizie kationowej:

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{NH}{}_3{}^{+}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\rightleftarrows \mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{NH}{}_2+\mathrm{H}{}_3\mathrm{O}{}^{+}$

W porównaniu do reakcji dysocjacji, hydroliza nie zachodzi w 100%. Dlatego stężenie produktów jest nie znane. Oznaczmy jako x. Również wiadomo, że stężenie powstałego amoniaku i kationu oksoniowego jest sobie równe.

Zapisujemy wyrażenie na stałą równowagi tej reakcji:

$K_a=\frac{\left[\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{NH}{}_2\right]\cdot \left[\mathrm{H}{}_3\mathrm{O}{}^{+}\right]}{\left[\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_5\mathrm{NH}{}_3{}^{+}\right]}$

Możemy uprościć wyrażenie:

$K_a=\frac{x\cdot x}{c_0-x}$

Należy wyliczyć K_a ze wzoru na iloczyn jonowy wody:

$K_w=K_a\cdot K_b$
gdzie K_b to w tym przypadku stała dysocjacji aniliny

$K_a=\frac{K_w}{K_b}$

$K_a=\frac{1,0\cdot 10^{-14}}{7,41\cdot 10^{-10}}=1,35\cdot 10^{-5}$

Sprawdźmy, czy spełniony jest poniższy warunek, aby móc uprościć wzór:

$\frac{c_0}{K_a}>400$

$\frac{5,04\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{d}{\mathrm{m}}^3}}{1,35\cdot 10^{-5}}=373464>400$

Warunek spełniony, zatem możemy uprościć wzór do:

$K_a=\frac{x^2}{c_0}$ 

Wyprowadzamy wyrażenie na stężenie x:

$x=\sqrt{K_a\cdot c_0}$

Obliczamy x:

$x=\sqrt{1,35\cdot 10^{-5}\cdot 5,04\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{d}{\mathrm{m}}^3}}=8,25\cdot 10^{-3}\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{d}{\mathrm{m}}^3}=[\mathrm{H}{}_3\mathrm{O}{}^{+}]$

Znając stężenie jonów oksoniowych możemy obliczyć pH roztworu:

$\text{pH}=-\log \left(8,25\cdot 10^{-3}\right)=2,09$

Odpowiedź: Wartość pH nasyconego wodnego roztworu chlorku aniliny wynosi 2,09.