Равновесие в растворах электролитов. Водородный показатель.
Обратимый процесс диссоциации
слабых электролитов характеризуется константой диссоциации Кд. Например, для
слабой уксусной кислоты, процесс диссоциации которой протекает в соответствии с
уравнением:
СН3СООН ↔ Н++ СН3СОО-
Кд = [СН3СОО-]·[Н+] / [СН3СООН]
В зависимости от величины Кд электролиты подразделяются на
сильные (Кд > 10-3) и слабые (Кд < 10-3). Кд зависит только от природы
электролита и температуры и является табличной величиной.
Для слабых электролитов бинарного типа (распадаются на один анион и один катион) взаимосвязь между исходной концентрацией растворенного вещества (молярностью См), концентрациями ионов нераспавшихся молекул, степенью диссоциации и константой диссоциации выражается законом разведения Оствальда:
Реакция диссоциации: АВ ↔ А+ + В-.
Концентрация ионов в растворе: [А+] = [В-] = α·Cм
Для слабых электролитов бинарного типа (распадаются на один анион и один катион) взаимосвязь между исходной концентрацией растворенного вещества (молярностью См), концентрациями ионов нераспавшихся молекул, степенью диссоциации и константой диссоциации выражается законом разведения Оствальда:
Реакция диссоциации: АВ ↔ А+ + В-.
Концентрация ионов в растворе: [А+] = [В-] = α·Cм
Концентрация нераспавшихся молекул: [AB] = (1 - α)·Cм
Уравнение Оствальда для слабых (α→0, Кд < 10-4) электролитов: Кд = α2·Cм
Уравнение Оствальда для слабых (α→0, Кд < 10-4) электролитов: Кд = α2·Cм
Диссоциация воды. рН - водородный показатель.
Вода хотя и незначительно, но диссоциирует на ионы:Н2О ↔ Н+ + ОН-
Следовательно, вода является амфотерным электролитом, т.е. она может действовать и как кислота, и как основание. Установлено, что константа диссоциации воды равна
Кд = [Н+]·[ОН-] / [H2O] = 1,8·10-16.
Судя по значению этой величины, вода является очень слабым
электролитом. Произведение концентрация водородных и гидроксид-ионов является
постоянной величиной, называется ионным произведение воды, его обозначают как
Кw. При 25°С Кw = 10-14. Процесс диссоциации воды является экзотермическим
процессом (∆Н°298 = 56 кДж/моль). Отсюда, в соответствии с принципом Ле Шателье,
температура будет оказывать влияние на Кw.
Для характеристики кислотности раствора используют водородный
показатель (рН). рН = -lg[Н+], где [Н+] -
концентрация ионов водорода в моль/л. Т.к. Кw ≠ 0, то не существует водного
раствора, в котором концентрация Н+ или ОН- равнялась бы 0. Следовательно, в любом
водном растворе присутствуют совместно ионы Н+ и ОН-. Для нейтральной
среды [Н+] = [ОН-] = √10-14
= 10-7 моль/л,
следовательно рН = 7. В кислой среде [Н+] >10-7 моль/л, т.е. 0 < рН <7,
в щелочной среде [ОН-] >10-7 моль/л, т.е. 7 < рН < 14.
Пример 1. Рассчитать концентрацию ионов водорода в растворе НСN (Cм = 10-3M), если α = 4,2·10-3.
Решение. Диссоциация цианистоводородной кислоты протекает по уравнению:
НСN ↔ H++CN-;
концентрации ионов [H+] и [CN-] в растворе равны (т.к. ν(Н+) : ν(СN-) = 1:1, где ν – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции диссоциации).
Тогда [H+] = [CN-] = α·См
[H+] = 4,2·10-3·10-3 = 4,2·10-6 моль/л
Пример 2. Рассчитать концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в растворе NH4OH, концентрацией См = 0,01 М, если Кд = 1,8·10-5.
Решение. Гидроксид аммония диссоциирует следующим образом:
NН4OH ↔ NH4++ OH-;
константа диссоциации имеет вид:
Кд = [NH4+] · [OH-] / [NН4OH]
[NH4+] = [OH-] (т.к. ν(NH4+) : ν(OH-) = 1:1) обозначим их за х:
Решение. Диссоциация цианистоводородной кислоты протекает по уравнению:
НСN ↔ H++CN-;
концентрации ионов [H+] и [CN-] в растворе равны (т.к. ν(Н+) : ν(СN-) = 1:1, где ν – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции диссоциации).
Тогда [H+] = [CN-] = α·См
[H+] = 4,2·10-3·10-3 = 4,2·10-6 моль/л
Решение. Гидроксид аммония диссоциирует следующим образом:
NН4OH ↔ NH4++ OH-;
константа диссоциации имеет вид:
Кд = [NH4+] · [OH-] / [NН4OH]
[NH4+] = [OH-] (т.к. ν(NH4+) : ν(OH-) = 1:1) обозначим их за х:
[NH4+] = [OH-] = х, тогда выражение для Кд примет вид:
1,8·10-5 = х2 / (0,01 – х)
Считая, что х << CM, решаем уравнение
1,8·10-5 = х2 / 0,01; х = √(1,8·10-5·0,01) = 4,2·10-4
[OH-] = 4,2·10-4 моль/л
Концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов связаны через ионное произведение воды:
КW = [H+]·[OH-] = 10-14, откуда [H+] = КW / [OH-] = 10-14 / 4,2·10-4 = 2,3·10-11 моль/л
1,8·10-5 = х2 / (0,01 – х)
Считая, что х << CM, решаем уравнение
1,8·10-5 = х2 / 0,01; х = √(1,8·10-5·0,01) = 4,2·10-4
[OH-] = 4,2·10-4 моль/л
Концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов связаны через ионное произведение воды:
КW = [H+]·[OH-] = 10-14, откуда [H+] = КW / [OH-] = 10-14 / 4,2·10-4 = 2,3·10-11 моль/л
Пример 3. Определить рН раствора НСl (α = 1), если См = 2·10-3М.
Решение. Диссоциация соляной кислоты протекает по уравнению:
НСl → H++ Cl-;
Концентрация ионов водорода [H+] = α·Cм = 1·2·10-3 = 2·10-3 моль/л
Водородный показатель рН = -lg[H+] = lg(2·10-3) = 2,7
Пример 4. Определить молярную концентрацию гидроксида аммония, если рН = 11, а Кд = 1,8·10-5.
Решение. Концентрация ионов водорода
[H+] = 10-pH = 10-11 моль/л.
Из ионного произведения воды определяем концентрацию [OH-] = Kw / [H+] = 10-14/10-11 = 10-3 моль/л.
Гидроксид аммония - слабое основание, уравнение диссоциации:
Решение. Диссоциация соляной кислоты протекает по уравнению:
НСl → H++ Cl-;
Концентрация ионов водорода [H+] = α·Cм = 1·2·10-3 = 2·10-3 моль/л
Водородный показатель рН = -lg[H+] = lg(2·10-3) = 2,7
Пример 4. Определить молярную концентрацию гидроксида аммония, если рН = 11, а Кд = 1,8·10-5.
Решение. Концентрация ионов водорода
[H+] = 10-pH = 10-11 моль/л.
Из ионного произведения воды определяем концентрацию [OH-] = Kw / [H+] = 10-14/10-11 = 10-3 моль/л.
Гидроксид аммония - слабое основание, уравнение диссоциации:
NН4OH ↔ NH4++ OH-.
Выражение для константы диссоциации:
Выражение для константы диссоциации:
Кд = [NH4+] · [OH-] / [NН4OH]
Поскольку [NH4+] = [OH-] , тогда
Кд = [OH-]2/См, откуда См = [OH-]2/Кд = 10-6/1,8·10-5 = 0,056 моль/л.
Поскольку [NH4+] = [OH-] , тогда
Кд = [OH-]2/См, откуда См = [OH-]2/Кд = 10-6/1,8·10-5 = 0,056 моль/л.