5.5. Диссоциация
воды. Водородный показатель
Чистая вода, хоть и
плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить
электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться
(диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического
тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая
диссоциация - распад на ионы):
H2O
↔ H+ + OH-
Примерно на
556 000 000 не диссоциированных молекул воды диссоциирует только 1 молекула,
однако это 60 000 000 000 диссоциированных молекул в 1мм3.
Диссоциация обратима, то есть ионы H+ и OH- могут
снова образовать молекулу воды. В итоге наступает динамическое равновесие
при котором количество распавшихся молекул равно количеству образовавшихся из H+ и
OH- ионов. Другими словами скорости обоих процессов будут
равны. Для нашего случая, уравнение скорости химической реакции можно написать
так:
υ1 =
κ1 • [H2O] (для диссоциации воды)
υ2 = κ2 • [H+]
• [HO-] (для обратного процесса)
где υ -
скорость реакции; κ - константа скорости реакции (зависящая от
природы реагирующих веществ и температуры); [H2O], [H+] и [HO-] -
концентрации (моль/л).
В состоянии
равновесия υ1 = υ2, следовательно:
κ1 •
[H2O] = κ2 • [H+] • [HO-]
Проведем
нехитрые математические действия и получим:
κ1/κ2 =
[H+] • [HO-]/[H2O]
κ1/κ2 = K
K - константа равновесия, а в
нашем случаи константа диссоциации, которая зависит от температуры и природы
веществ, и не зависящая от концентраций (также как κ1 и κ2). K для
воды 1,8•10-16 при 25 °C (справочная величина).
Вследствие
очень малого количества продиссоциированных молекул концентрацию[H2O] можно
принять равной общей концентрации воды, а общую концентрацию воды в
разбавленных растворах как величину постоянную:
[H2O]=1000(г/л)/18(г/моль)=55,6
моль/л.
Заменяя κ1/κ2 на K и
используя величину [H2O], определяем чему равно
произведение концентраций [H+] и [HO-],
которое называется - ионное произведение воды:
K = [H+]
• [HO-]/55,6 моль/л
1,8•10-16 • 55,6 моль/л = [H+] • [HO-]
10-14 = [H+] • [HO-]
1,8•10-16 • 55,6 моль/л = [H+] • [HO-]
10-14 = [H+] • [HO-]
Так как, при
определенной температуре, величины используемые в расчете ионного произведения
воды (K, [H2O]) постоянны, значение ионного
произведения воды [H+] • [HO-] так же
постоянно. А поскольку при диссоциации молекулы воды образуется одинаковое
количество ионов [H+] и [HO-],
получается что для чистой воды концентрации [H+] и [HO-] будут
равны 10-7 моль/л. Из постоянства ионного
произведения воды следует, что если количество ионов H+ становится
больше, то количество ионов HO- становится меньше. Например,
если к чистой воде добавить сильную кислоту HCl, она как сильный электролит вся
продиссоциирует на H+ и Cl-, в результате
концентрация ионов H+ резко увеличится, и это приведет к
увеличению скорости процесса противоположного диссоциации, так как она зависит
от концентраций ионов H+ и OH-:
υ2 =
κ2 • [H+] • [HO-]
В ходе
ускорившегося процесса противоположного диссоциации, концентрация ионов HO- уменьшится
до величины соответствующей новому равновесию, при котором их будет так мало,
что скорости диссоциации воды и обратного процесса снова будут равны. Если
концентрация получившегося раствора HCl равна 0,1моль/л, равновесная
концентрация [HO-] будет равна:
[HO-]
= 10-14/0,1 = 10-13 моль/л
При
добавлении сильного основания NaOH сдвиг будет в сторону уменьшения
концентрации H+.
Для удобства,
концентрации [H+] и [HO-] выражают в виде водородного показателя pHи
гидроксильного показателя pOH. pH и pOH - это отрицательные десятичные логарифмы концентраций [H+] и [HO-] (правильнее использовать не концентрацию, а
активность) соответственно:
pH = -lg[H+]
pOH = -lg[OH-]
Прологарифмируя
уравнение [H+] • [HO-] = 10-14 получим:
lg[H+] + lg[OH-]
= -14
-lg[H+] - lg[OH-] = 14
pH + pOH = 14
-lg[H+] - lg[OH-] = 14
pH + pOH = 14
Получившаяся
сумма pH и pOH, также как и произведение, которое
логарифмировали, является постоянной и равна 14, так если pH=3 то pOH=11 (pH и pOH могут
быть и отрицательными, и если pH=-1 тогда pOH=15).
Водородным показателям pH называется отрицательный десятичный
логарифм концентрации ионов водорода.
В
зависимости от pH растворы делят на нейтральные, кислые и
щелочные. При pH=7раствор нейтральный, при pH<7 -
кислый, при pH>7 - щелочной.
Для удобства выражения реакции среды водных растворов
был введен специальный термин, который назвали водородным показателем
(рН). рН – отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации
ионов водорода:
рН = - lg [H+].
Иногда пользуются также показателем рОН –
отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов гидроксида.
рОН
= - lg [ОH-]
В
нейтральной среде рН = 7
; рОН =
7, рН + рОН = 14
В
кислой
среде рН
< 7 ; рОН <
7, рН + рОН = 14
В щелочной среде pH >
7 ; рОН <
7, рН + рОН = 14
Чем рН меньше 7,
тем больше кислотность раствора.
Чем рН больше 7, тем больше щелочность раствора.
Индикаторами называются вещества, которые обратимо изменяют свой
цвет в зависимости от среды растворов, т.е. рН раствора.
УПРАЖНЕНИЯ
1.
Рассчитайте рН раствора, в 500 мл
которого содержится 0,245 г серной кислоты. Степень диссоциации
кислоты равна 1.
Решение:
Уравнение диссоциации кислоты: H2SO4 <=> 2H+ + SO4-2
Выражение для расчета рН: рН
= -lg CM (H+), где CM (H+) = n (H+) * άдис * CM (кислоты).
Рассчитаем CM (кислоты)
= 0,245 / 98 * 0,5 = 0,05 моль/л
Тогда рН = -lg ( 1 * 2 * 0,05)
= -lg 0,1 =
1.
_____________________________________________________________
2.
Рассчитайте рН 5,6% раствора КОН, степень диссоциации щелочи
в растворе составляет 0,9. Плотность раствора равна 1,02
мл/л.
Решение:
Уравнение диссоциации щелочи: КОН
<=> К+ + ОН-
Выражение для расчета рН в
растворах щелочей:
рН = 14 – рОН = 14 – (-lg (ОH-) * άдис *CM (КОН)).
Рассчитаем CM (КОН)
= 12 * 1,02 / 56 * 0,1 = 1,02 моль/л
Тогда рН = 14 -lg (
0,9 * 1 * 1,02) = 13.
_____________________________________________________________
3. На предприятии
не хватило запаса соды для нейтрализации кислотных отходов, и 3,15 кг азотной
кислоты были вылиты в канализацию, а оттуда попали в пруд емкостью 10000 м3.
После этого в пруду погибла вся рыба, даже такая неприхотливая, как плотва.
Определите водородный показатель воды, загрязненной азотной кислотой.
Решение: Запишем уравнение реакции и условие задачи в
формульном виде:
HNO3 = H+ + NO3-- ; рН < 7
V = 10000 м3 = 1 . 107 л;
m(HNO3) = 3,15 кг = 3150 г;
M(HNO3) = 63 г/моль
m(HNO3) = 3,15 кг = 3150 г;
M(HNO3) = 63 г/моль
pH = ?
В соответствии с уравнением реакции равновесная молярная
концентрация катионов Н+ равна
концентрации азотной кислоты с(HNO3),
которая, в свою очередь, определяется так:
[Н+]
= с(HNO3) = {m(HNO3)
/M(HNO3)} : V =
= (3150 /63) : (1 . 107) [{г : (г/л)}: л] = 5 . 10--6 моль/л
= (3150 /63) : (1 . 107) [{г : (г/л)}: л] = 5 . 10--6 моль/л
рН = --
lg[Н+] = -- lg с(HNO3)
= -- lg 5 . 10--6 = 5,3
Ответ. Водородный показатель воды в пруду равен
5,3
_____________________________________________________________
4. Самый
дешевый щелочной реагент для нейтрализации кислотных промышленных стоков - гашеная
известь (гидроксид кальция). Используют как суспензию гидроксида кальция
("известковое молоко"), так и прозрачный раствор ("известковую
воду"). Рассчитайте рН 0,02М раствора Ca(OH)2.
Решение: Запишем уравнение реакции и
условие задачи в формульном виде:
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 OH--; рН > 7
c{Ca(OH)2}
= 0,02 моль/л; pH = ?
В
соответствии с уравнением реакции равновесная молярная концентрация анионов OH-- вдвое больше концентрации гидроксида
кальция c{Ca(OH)2}:
[OH--]
= 2c{Ca(OH)2}
рН = 14
-- pOH = 14 + lg[OH--] = 14 + lg 2c{Ca(OH)2} =
12,6
Ответ. Водородный показатель известковой воды
равен 12,6.
_____________________________________________________________
5. Уксусная
кислота была единственной, которую знали древние греки. Отсюда и ее название:
"оксос" - кислое, кислый вкус. Уксусная кислота - слабая
(диссоциирует в водном растворе только частично). Тем не менее, поскольку
кислотная среда подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, уксусную кислоту
используют при консервировании пищевых продуктов, например, в составе
маринадов. Установлено, что в 0,01 M растворе уксусной кислоты степень
протолиза a составляет 4,2%. Рассчитайте рН этого
раствора.
Решение: Запишем уравнение реакции и
условие задачи в формульном виде:
CH3COOH
<<здесь знак обратимости>> H+ + CH3COO-- ; рН < 7
c(CH3COOH)
= 0,01 моль/л; a = 4,2% = 0,042
pH = ?
В
соответствии с уравнением реакции равновесная молярная концентрация катионов Н+ связана с концентрацией уксусной
кислоты с(CH3COOH)
и степенью диссоциации таким образом:
[Н+]
= a . с(CH3COOH) = 0,042 . 0,01 [моль/л] = 4,2 . 10--4 моль/л
рН = --
lg[Н+] = -- lg 4,2 . 10--4 = 3,4
Ответ. В данном растворе рН = 3,4
_____________________________________________________________
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РЕШЕНИЯ
1.
Рассчитайте концентрацию ионов водорода в растворе, если: а) рН=4; б) рОН =
11; в) рН = 12; г) рН = 8.
2.
Определите pH раствор с [H+] = 0,015М (моль/л).
3. Определить концентрацию ионов водорода в растворе, pH
которого равен 4,60.
4. Чему равна концентрация гидроксид –
ионов в растворе, pH которого равен 10,80.
5. Вычислить рН 0,001М растворов HС1 и КОН.
6. Рассчитать рН раствора КОН, 350 мл
которого содержат 0,0035 моль КОН.
7. Вычислить концентрацию ионов водорода Н+
в водном растворе, если концентрация гидроксид-ионов ОН- равна 10-12 моль/л. Определите характер среды
растворов.
8. Вычислить концентрацию гидроксид-ионов ОН- в растворе,
если концентрация ионов водорода Н+ равна 10-4 моль/л. Определите характер среды.
9. Вычислить рН водного раствора, в
котором концентрация гидроксид-ионов равна 10-2 моль/л. Как
изменится цвет метилоранжа в этом растворе.
10.
Заполните следующую таблицу:
|
1.
Вещества, которые при диссоциации в качестве ионов
образуют как ионы водорода, так и гидроксид-ионы называют:
|
|
|
а) кислотами
|
б) амфотерными гидроксидами
|
|
в) основаниями
|
г) кислыми солями
|
|
2.
В пробирках с какими веществами влажная лакмусовая
бумага покраснеет:
|
|
|
а) NH3
|
б) H2О
|
|
в) SO2
|
г) CO
|
|
3.
В раствор,
содержащий 0,2 моль NaOH, пропустили 4 л хлороводорода. Укажите цвет
метилоранжа в полученном растворе:
|
|
|
а) красный
|
б) розовый
|
|
в) желтый
|
г) синий
|
|
4.
Лампочка прибора для испытания веществ на
электрическую проводимость загорится при погружении электродов в:
|
|
|
а) соляную кислоту
|
б) серную кислоту
|
|
в) водный раствор хлорида натрия
|
г) порошок оксида алюминия
|
|
5.
С
образованием в качестве катионов только катионов металла в водном растворе
диссоциируют:
|
|
|
а)средние соли
|
б) кислые соли
|
|
в) соли аммония
|
г) амфотерные гидроксиды
|
|
6.
Как двухосноные могут выступать кислоты:
|
|
|
а) CH3COOH
|
б) H3PO4
|
|
в) HCl
|
г) HNO3
|
|
7.
Водные растворы электролитов проводят
электрический ток за счет:
|
|
|
а) катионов и электронов
|
б) анионов и электронов
|
|
в) только электронов
|
г) и катионов, и анионов
|
|
8.
При равенстве концентраций (моль/л) содержание
гидроксид-ионов наибольшее в водном растворе:
|
|
|
а) аммиака
|
б) гидроксида калия
|
|
в) гидроксида натрия
|
г) гидроксида бария
|
|
9.
В растворе некоторой соли содержится 1 моль
катионов металла и 106,5 г ионов Сl-. Укажите формулу соли:
|
|
|
а) NaCl
|
б) CaCl2
|
|
в) AlCl3
|
г) KClO3
|
|
10.
Рассчитайте
количество (моль) всех частиц в растворе, полученном при растворении в воде
0,8 моль HF, если степень диссоциации кислоты 0,3:
|
|
|
а) 0,24
|
б) 0,48
|
|
в) 0,56
|
г)1,04
|
Ответы:
|
1
|
б
|
|
2
|
в
|
|
3
|
в
|
|
4
|
а
|
|
5
|
а
|
|
6
|
б
|
|
7
|
г
|
|
8
|
г
|
|
9
|
в
|
|
10
|
г
|
Комментариев нет:
Отправить комментарий