Контрольные вопросы для самопроверки

1. Какой процесс называется электролитической диссоциацией? Сформулируйте основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса.

2. В чем особенность диссоциации слабых электролитов? Чем отличаются слабые электролиты от сильных?

3. Дайте определение понятиям: степень и константа диссоциации. Какие факторы влияют на их величину?

4. Как связаны между собой степень и константа диссоциации.

5. Что характеризует собой Ка и рКа кислот (Кb и рКb оснований)?

6. В чем особенность диссоциации сильных электролитов? Активность и коэффициент активности ионов. Приведите примеры сильных электролитов.

7. Каковы особенности диссоциации многоосновных кислот и многокислотных оснований, средних, кислых и основных солей? Приведите примеры их диссоциации.

8. Какие реакции называют реакциями гидролиза? Укажите причину гидролиза.

9. Охарактеризуйте основные случаи гидролиза солей. От каких факторов зависит процесс гидролиза?

18. Роль гидролиза в биохимических процессах.

Тема. Растворы электролитов. Теория кислот и оснований.

Ионное произведение воды. Водородный показатель рН.

Содержание темы. Протонная теория кислот и оснований Бренстеда-Лоури. Сопряжённая кислотно-основная пара. Амфолиты. Их свойства. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Методы его определения.

Домашнее задание для подготовки к занятию: СОХЖ с.173-180, 189-193, 164-167; ЕОХ с.95-107. Разберите примеры: 1-12 и ГЗХ гл.VII разделы 2,3.

Письменно выполните задания.

1. Чему равна общая и активная кислотность 0,56М раствора СН₃СООН с рН = 3?

2. рН 0,01М раствора гидроксида, состоящего из одного катиона и одного аниона, равен 10. Каков этот гидроксид  кислота или основание? Сильным или слабым электролитом он является?

3. Одинаково ли значение рН в 0,1М растворах HCl и H₂SO₄? Ответ обосновать.

4. В растворе какой из кислот одинаковой молярности наименьшее значение рН:

а) HCN; б) HOCl; в) HNO₂ ?

5. Как изменится рН раствора при разбавлении в 10 раз: а) HCl; б) KOH ?

6. Как и во сколько раз отличается [H⁺] в растворах рН=2 и рН=4?

7. Как следует изменить концентрацию раствора HCl и NaOH, чтобы увеличить рН на1.

8. Как изменится рН раствора NH₃, если внести в него сухой NH₄Cl?

Факультативно. Решите задачи ГХЗ, 1985  № 538, 539, 540, 541, 542, 544.

Примеры решения типовых задач Используемые обозначения и размерности

[H⁺]  концентрация ионов водорода, мольл;

[OH^]  концентрация гидроксид-ионов, мольл;

К_в  ионное произведение воды;

рН  водородный показатель; рОН  гидроксильный показатель;

а(Н⁺)  активная концентрация (активность) ионов водорода, моль/л;

f(H⁺)  коэффициент активности ионов водорода;

С_м  молярная концентрация, моль/л;

С_н  молярная концентрация эквивалента, моль/л;

К  константа диссоциации ;   степень диссоциации, в долях единицы или %;

n  число ионов Н⁺ (ОН^), полученных при диссоциации одной молекулы кислоты (основания).

Основные расчетные формулы

К_в = [H⁺]·[OH^] = 10^14 (1) Для растворов сильных оснований

рН = lg[H⁺] (2) [OH^] = С_м  n = С_н (8)

рОН = lg[OH^] (3) Для растворов слабых кислот

рН + рОН = 14 (4) [H⁺] = С_м· (в долях единицы) (9)

ра(Н⁺) = lgа(Н⁺) (5) [H⁺] = (10)

а(Н⁺) = [H⁺]·f(H⁺) (6) Для растворов слабых оснований

Для растворов сильных кислот: [OH^] = С_м ·  (  в долях единицы) (11)

[ H⁺] = С_м · n = С_н (7) [OH^] = (12)

Примечания:

1) истинные концентрации [H⁺] и [OH^] можно использовать при вычислениях только для чистой воды и разбавленных водных растворов, когда коэффициенты активности близки к 1. В концентрированных растворах для вычисления рН нужно пользоваться активными концентрациями (активностями) а(Н⁺) и а(ОН^). При не очень точных расчетах различием между истинной концентрацией и активностью можно пренебречь;

2) следует помнить, что для одноосновных кислот и однокислотных оснований С_м = С_н.

Для многоосновных кислот и многокислотных оснований С_м не равно С_н. Но слабые многоосновные кислоты и слабые многокислотные основания диссоциируют преимущественно по первой ступени (H₂S ↔H⁺ + HS^), поэтому без большой ошибки их можно также рассматривать как бинарные электролиты и считать, что С_м = С_н.

Задача 1. Вычисление водородного показателя раствора (рН).

Чему равны рН и рОН раствора, содержащего 0.056 г NaOH в 300 мл раствора ?

Решение: NаОН  сильное основание, поэтому [OH^] = С_н . Находим С_н раствора по известной формуле: где m масса растворенного вещества, г ;

Э  молярная масса эквивалента, г/моль ;

V  объем раствора, мл ;

моль/л.

Следовательно, [OH^] = 0,00467 моль/л. От [OH^] к рН можно прийти двумя путями:

1) [OH^]  рОН  рН; 2) [OH^]  [H⁺]  рН

Воспользуемся первым путем: рН= lg[OH^]= lg0,00467= lg(4,67·10^3)= 3  lg4,67=

= 3  0,6693 = 2,33; рН = 14  2,33 = 11,67.

Задача 2. Вычисление концентрации ионов ОН^ по значению рН.

Чему равны [H⁺] и [OH^] в растворе, рН которого равен 2,35?

Решение: рН = lg[H⁺], 2,35 = lg[H⁺], lg[H⁺] = 2,35. Так как логарифм в данном случае является дробным числом, то для вычисления [H⁺] можно воспользоваться таблицей логарифмов. lg[H⁺] = ,65. Чтобы найти[H⁺], надо взять антилогарифм от числа ,65 и получим: [H⁺]= 0,0045 моль/л. Полученную величину удобнее выразить числом 4,5·10^3 моль/л. Это и есть искомая величина [H⁺]. Для вычисления [OH^] воспользуемся ионным произведением воды: [OH^] моль/л.

Задача 3. Вычисление рН сильного электролита с учётом коэффициента активности.

Чему равен рН 0,1М раствора H₂SO₄ ?

Решение: согласно условию задачи водородный показатель следует находить по активной концентрации (активности) ионов водорода: ра (Н⁺) = lg a (H⁺). Для вычисления активности ионов водорода нужно знать их истинную концентрацию и коэффициент активности : а (Н⁺) = [H⁺]·f (H⁺). В 0,1М растворе H₂SO₄ истинная концентрация ионов водорода равна: [H⁺] = С_м·2 = 0,2 моль/л. Коэффициент активности можно найти, зная ионную силу раствора . Последняя вычисляется по известной формуле:

где С₁, С₂, ...... , С_n  молярные концентрации ионов,

Z₁, Z₂, ......, Z_n  заряды ионов.

В 0,1М растворе H₂SO₄ ионная сила будет равна:

.

По величине ионной силы находим коэффициент активности ионов водорода (см. приложение): f (H⁺) = 0,81.Вычисляем активность ионов водорода: а (Н⁺) = [H⁺]·f (H⁺) =

= 0,2·0,81 = 0,162 моль/л.

Вычисляем рН: ра (Н⁺) = lg а (Н⁺) = lg (1,62·10^1) = 1 lg1,62 = 10,204 = 0,79.

Задача 4. Вычисление рН раствора слабого электролита.

Чему равен рН 0,02н. СН₃СООН, если  = 0,05 ?

Р ешение: СН₃СООН  слабый электролит, на ионы диссоциирует только часть его молекул: СН₃СООН СН₃СОО^ + Н⁺.

Концентрацию ионов водорода в растворе слабой кислоты можно вычислить по одной из формул: [H⁺] = С_м· (где  в долях единицы) или [H⁺] = .

В условии задачи дана степень диссоциации, поэтому воспользуемся первой формулой: [H⁺] = 0,02·0,05 = 0,001 моль/л. Вычислим рН: рН = lg[H⁺]= lg10^3 = 3.

Задача 5. Вычисление рН раствора слабого электролита

Чему равен рН 0,025М раствора NH₃ ?

Р ешение: раствор NH₃ представляет собой слабое основание: NH₄OH NH₄⁺ + OH^ .

Концентрацию гидроксид-ионов в растворе слабого основания можно вычислить по одной из формул : [OH^] = С_м· (где  в долях единицы) или [OH^] = .

В условии задачи не даны ни степень диссоциации, ни константа диссоциации. Однако последнюю можно найти по справочнику (см. приложение) : К(NH₄OH)= 1,8·10^5.

Воспользуемся второй формулой:

= 6,71·10^4 моль/л.

рОН = lg[OH^] = lg (6,71·10^4 )= 4  lg 6,71 = 4  0,0826 = 3,17.

Задача 6. Вычисление рН смеси сильных электролитов.

Вычислите рН раствора, полученного при сливании 10 мл 0,1М раствора HNO₃ с 20 мл 0,1М раствора КОН.

Решение: в случае приближённых расчётов можно не учитывать активность электролитов. Тогда рН смеси сильных электролитов будет определяться избытком ионов Н⁺ или ОН^, оставшихся после реакции нейтрализации: Н⁺ + ОН^  Н₂О.

Количество вещества HNO₃ находится по формуле:  (HNO₃) = С_М·V= 0,1·10 =

= 1 ммоль = 10^3 моль, в котором  (Н⁺) =  (HNO₃) = 10^3 моль.

Количество вещества щёлочи равно:  (КОН) = 20·0,1 = 2 ммоль = 2·10^3 моль, в котором количество вещества  (ОН^ ) = 2·10^3 моль.

Так как реакция нейтрализации идёт в стехиометрическом соотношении 1:1, то в избытке после нейтрализации остаются ОН^-ионы: (ОН^)=(2·10^3  1·10^3)=1·10^3 моль

Можно найти рОН этой смеси, рассчитав концентрацию ионов ОН^ по формуле:

[OH^] =  (OH^)/V(л) = 1·10^3/(10 + 20)·10^3 = 0,033 = 3,3·10^2 моль/л.

рОН = lg [OH^] = lg (3,3·10^2) = 2  lg 3,3 = 2  0,52 = 1,48.