Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

9_Ionnoe_proizvedenie_vody

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
317.09 Кб
Скачать

ЛЕКЦИЯ 9

ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ. ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ

ПЛАН ЛЕКЦИИ

Электролитическая диссоциация воды.

Ионное произведение воды.

Водородный показатель (рН).

Определение рН водных растворов.

Буферные растворы.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ ВОДЫ

Вода обладает незначительной электрической проводимостью, является

слабым электролитом. Удельная электрическая проводимость воды при 298 К

составляет 6,2 10-8 Ом 1 см 1 . Полярные молекулы воды подвергаются самоионизации в результате переноса протонов с одной молекулы на другую

2H2O H3O+ + OH .

Такой процесс называют автопротолизом. Упрощенная форма записи уравнения диссоциации воды:

H2O H+ + OH .

Константа диссоциации воды может быть вычислена по уравнению

K

a H

aOH

,

 

a H

O

 

 

 

 

 

2

 

 

где aH, aOH, aH2O - активности ионов Н+, ОН и молекул воды.

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При комнатной температуре самоионизации подвергается незначительная часть молекул воды (приблизительно одна из 108 молекул), поэтому в выражении константы диссоциации воды активности заменяют концентрациями

K

[H

][OH ]

1,8 10

16

при 298 К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[H2O]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

кДж

Диссоциация воды - обратимый эндотермический процесс:

H298

55,76

моль .

Повышение температуры ведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции и возрастанию концентраций ионов Н+ и ОН:

T, K

273

293

298

323

353

373

 

 

 

 

 

 

 

([H ] [OH- ]) 107 , моль

0,34

0,78

1,05

2,44

5,02

7,40

л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ

Произведение равновесных концентраций ионов H+ и OHназывают ионным произведением воды (K w )

Kw [H ][OH ].

Как следует из выражения константы диссоциации воды,

K w K[H 2O] .

Равновесную концентрацию молекул [H 2O]можно принять равной общему количеству вещества воды в одном литре, т.е.

 

[H2O] CH O

 

 

m

1000

55,56 моль/л .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MV

18 1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kw

1,8 10 16 55,56

 

 

10 14 при 298К (250С).

Исполнитель:

 

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При данной температуре ионное произведение воды является постоянной величиной для любых разбавленных водных растворов.

Значение ионного произведения воды возрастает при повышении температуры:

t,0C

25

50

70

100

 

 

 

 

 

K w 1014

1,0

5,5

15,8

55,0

 

 

 

 

 

Пример.

Вычислите концентрации ионов H+ и OH в 0,01М растворе гидроксида натрия.

Решение. NaOH - щелочь, сильный электролит, в водном растворе полностью распадается на ионы: NaOH = Na+ + OH . Молярная концентрация ионов OHравна молярной концентрации NaOH:

[OH ] CNaOH 10-2 моль/л .

Концентрация ионов водорода:

[H ]

Kw

 

10

14

10

12

моль/л .

 

 

 

 

 

 

[OH ]

10 2

 

 

 

 

 

ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ (pН)

Поскольку степенные выражения неудобны в количественных расчетах, их заменяют логарифмическими функциями, имеющими специальные обозначения и названия:

 

 

 

lg[H

]

 

pH,

 

 

lg[OH

]

 

pOH,

 

 

 

lgK w

 

pK w .

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Символ рН называют водородным показателем pH lg[H ] .

Логарифмируя ионное произведение воды, получим

lg[H

]

lg[OH

] lg Kw ,

pH

pOH

pK w ,

pH

pOH 14 (при 298К).

Пример 1. Вычислите рН 0,01 M раствора соляной кислоты.

Решение. Водородный

показатель

pH lg[H ] . Соляная кислота

является сильным электролитом, т.е. в водном растворе полностью распадается на ионы:

HCl = H+ + Cl .

Молярная концентрация ионов водорода в данном случае равна молярной концентрации кислоты:

[H ] CHCl 10 2 моль/л ; pH lg10 2 2.

Пример 2. Рассчитайте рН 0,1 M раствора гидроксида калия.

Решение. KOH - щелочь, сильный электролит, в водном растворе полностью распадается на ионы:

KOH = K+ + OH .

Молярная концентрация ионов OHравна молярной концентрации KOH:

 

 

[OH ]

CKOH 10-1 моль/л ,

 

 

pOH = -lg[OH] = 1,

 

 

pH 14 - pOH = 14 – 1 = 13,

 

 

 

 

рН = 13.

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3. Рассчитайте рН 0,01 M раствора бромноватистой кислоты.

Решение. Бромноватистая кислота – слабый электролит. Уравнение диссоциации:

HBrO H+ + BrO,

K

[H ][BrO

]

2,2 10

9 (при 298 K).

 

 

[HBrO]

 

 

 

 

 

 

Согласно уравнению диссоциации, [H+] = [BrO] , т.е.

 

[H ]2

 

 

K

[HBrO] ,

[H ]

K [HBrO] .

Степень диссоциации слабого электролита мала, [HBrO] ≈ СHBrO.

Концентрация ионов водорода и значение рН:

 

 

2,2 10 9 0,01

4,7 10 5 моль/л .

[H ] K CHBrO

 

pH

lg( 4,7 10 5 )

4,3.

Пример 4. Рассчитайте рН 0,01 M водного раствора аммиака.

Решение. В водном растворе аммиака существует равновесие:

NH

3

H

O

NH

OH ,

K

[NH4 ] [OH ]

1,8 10

5

(при 298 K),

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

[NH3

H2O]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е. гидрат

аммиака

NH 3

H 2O

проявляет

свойства

слабого электролита.

Диссоциация слабого электролита протекает в малой степени, можно считать,

что [NH3 H2O]

 

СNH3 H2 O . Согласно уравнению диссоциации [NH4 ]

[OH ],

следовательно K

 

[OH ]2

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CNH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

H

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Концентрация ионов ОН:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 10

2 4,2 10 4 моль/л .

 

 

 

 

[OH ]

K C

NH

 

 

H

 

O

1,8 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pOH lg[OH ]

lg(4,2

10 4 ) 3,4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значение рН:

pH = 14 – рОН- = 14 - 3,4 = 10,6.

Значения концентраций ионов H+ или OH , а также показатель рН являются количественной характеристикой среды раствора (кислой,

нейтральной, щелочной).

В нейтральной среде

[H ] [OH ] Kw ,

[H ] 10 14 10 7 моль/л , pH

lg[H ] lg10 7 7 .

В кислой среде

[H ] 10 7 моль/л , lg[H ] lg10 7 , lg[H ] 7 , т.е. pH 7 .

В щелочной среде

[H ] 10 7 моль/л , lg[H ] lg10 7 , lg[H ] 7 , т.е. pH 7 .

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКЦИИ СРЕДЫ

 

Концентрация ионов, моль/л

 

Среда

 

 

рН

[H+]

[OH ]

 

 

 

 

 

 

нейтральная

10 7

10 7

7

 

 

 

 

кислая

>10 7

<10 7

< 7

 

 

 

 

щелочная

<10 7

>10 7

> 7

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РН ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Измерение рН растворов (рН-метрия) используется довольно широко.

Контроль значений pH крови и других биологических растворов позволяет диагностировать патологические процессы в организмах. Значение рН

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

природных вод является важнейшим гидрохимическим, гидрогеологическим и экологическим показателем. В сельском хозяйстве по значению рН контролируют кислотность почв. Величина рН используется для контроля и автоматического регулирования производства, в технологии которого используются растворы.

Точное измерение рН осуществляют с помощью приборов – потенциометров

(pH-метров), в которых используется система со стеклянными и вспомогательными электродами. Потенциал стеклянного электрода зависит от концентрации ионов H+ в растворе. Принцип действия pH-метров основан на измерении разности потенциалов электродов, помещенных в анализируемый раствор. Диапазон измеряемых значений рН 0 14, точность измерения - 0,01 единицы pH.

Измерение рН раствора на рН-метре типа «Эксперт-рН» показано на рисунке.

Для грубой оценки рН используют кислотно - основные индикаторы – органические вещества, окраска которых зависит от рН среды. Широко применяемыми индикаторами являются лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый и другие слабые органические кислоты и основания.

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Например, индикатор метиловый оранжевый (н –

диметиламиназобензолсульфат натрия) может существовать в молекулярной

(HInd) и ионной (Ind ) формах, имеющих соответственно красную и желтую окраску. В интервале значений рН 3,1-4,4 в результате смещения ионного

равновесия

 

HInd

H+ + Ind

происходит постепенное изменение окраски: от красной к желтой при повышении рН и от желтой к красной при понижении рН.

Индикатор фенолфталеин - слабая органическая кислота, при значениях рН ниже 8,2 находится преимущественно в молекулярной (бесцветной) форме.

Добавление щелочи приводит к смещению равновесия в сторону ионной формы, раствор приобретает малиновую окраску.

Изменение окраски кислотно - основных индикаторов происходит в некотором интервале, соответствующем 1-2 единицы рН.

ОБЛАСТИ ПЕРЕХОДА ХАРАКТЕРНОЙ ОКРАСКИ НЕКОТОРЫХ ИНДИКАТОРОВ

Индикатор

Область перехода pH

Переход окраски при

повышении рН

 

 

 

 

 

метиловый оранжевый

3,1 - 4,4

красная → желтая

метиловый красный

4,2 - 6,3

красная → желтая

лакмус

6,0 – 8,0

красная → синяя

феноловый красный

6,8 – 8,4

желтая→ красная

фенолфталеин

8,2 – 10,0

бесцветная→ малиновая

 

 

 

Для определения рН раствора в более широком диапазоне часто применяют универсальный индикатор, представляющий собой смесь индикаторов.

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХАРАКТЕРНАЯ ОКРАСКА УНИВЕРСАЛЬНОГО ИНДИКАТОРА

Интервал рН

Окраска индикатора

 

 

0,0 - 3,4

красная

3,4 - 4,7

оранжевая

4,7 - 6,2

жѐлтая

6,2 - 7,2

зелѐная

7,2 - 8,5

синяя

8,5 - 13,0

фиолетовая

 

 

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ

Многие аналитические реакции проводят при строго определенном значении pH, которое должно сохраниться в течение всего времени проведения реакции. Концентрация водородных ионов (соответственно, и pH) может изменяться в ходе некоторых реакций, а также под действием СО2 воздуха,

стекла посуды, различных примесей, присутствующих в дистиллированной воде. Для сохранения постоянного значения рН в заданном диапазоне применяют буферные растворы. Чаще всего в качестве буферных растворов используют смеси слабых кислот (или слабых оснований) и одноименных солей.

Например, ацетатный буферный раствор содержит уксусную кислоту и ацетат натрия, диссоциации которых соответствуют уравнения:

СН3СООН СН3СОО+ Н+

СН3СООNa = СН3СОО+ Na+

Концентрация водородных ионов в растворе уксусной кислоты может быть найдена из выражения константы диссоциации

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

[CH3COO ][H ]

1,8 10

5

, [H ]

K [CH3COOH]

.

[CH3COOH]

 

 

[CH3COO- ]

 

 

 

 

 

 

Присутствие в растворе одноименной соли подавляет диссоциацию уксусной кислоты. В результате концентрация недиссоциированных молекул кислоты становится почти равной концентрации кислоты, а концентрация ацетатных ионов – концентрации соли

К

Ссоли [H ]

,

[H ]

K Cкислоты

,

 

 

 

Скислоты

 

Ссоли

где Скислоты – концентрация кислоты, Ссоли – концентрация соли.

Концентрация ионов водорода в таком растворе определяется только соотношением концентраций кислоты и одноименной соли и не зависит от абсолютных значений концентраций. При разбавлении раствора значение рН практически не изменяется. Добавление небольшого количества сильной кислоты или щелочи также не приводит к заметному изменению рН таких растворов. Добавленные в раствор ионы H+ связываются ацетат-ионами:

CH3COO- + H+ = CH3COOH,

ионы OH- - недиссоциированными молекулами уксусной кислоты CН3COOH:

OH- + CH3COOH = H2O + CH3COO-.

Аммиачный буферный раствор приготовляют смешением водного раствора аммиака и соли аммония.

NH 3 H 2O NH4 OH ,

NH4Cl NH4 Cl

Концентрацию ионов ОНв растворе можно определить из уравнения:

Исполнитель:

 

Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мероприятие №

4

2

7

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]