6.2 Растворы электролитов

Электролитаминазываются вещества, которые при растворении в воде диcсоциируют (распадаются) на ионы и проводят электрический ток. Неорганические кислоты, основания и соли являются электролитами.

Сила электролита характеризуется степенью диссоциации (), которая показывает отношение числа молекул, продиссоциированных на ионы (Nд), к общему числу молекул электролита в растворе (Nо), и выражается в процентах:

 = 100%. (22)

Условно считают электролиты, диссоциированные на 3% и менее (т.е.   3%) – слабыми, а на 30% и более (  30%) – сильными.

В растворе слабого электролита устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами и продуктами их распада – ионами. Например, в растворе уксусной кислоты:

СН₃СООН  СН₃СОО^ + Н⁺

Константа такого равновесия выражается через концентрации соответствующих частиц в растворе и называется константой диссоциации К_Д.:

К_д =(23)

Многоосновные кислоты диссоциируют по ступеням, каждая из которых характеризуется своей константой. Например:

Н₃ВО₃ Н⁺ + Н₂ВО К₁

Н₂ВО  Н⁺ + НВОК₂

НВОН⁺+ ВОК₃

Согласно закону разбавления Оствальда, К_д и  связаны уравнением

К_д = (24)

где С_эл – молярная концентрация электролита, моль/л.

При 1 уравнение упрощается:

К_д = ²C_эл. (25)

Для расчетов, связанных с диссоциацией кислот, часто используют не К_дис, а показатель константы диссоциации рК, который равен:

рК = lgК_д. (26)

С возрастанием К_д, т.е. с увеличением силы кислоты, значение рК уменьшается, следовательно, чем больше рК, тем слабее кислота. Так, значения рК для слабых кислот от СН₃СООН до НСN лежат в пределах от 4,76 до 9,21.

Для одноосновных кислот, например уксусной – СН₃СООН, концентрацииН⁺  и А^ равны и составляют:

Н⁺ =СН₃СОО^ =  С_эл.

С учетом уравнения (25) имеем:

Н⁺ = СН₃СОО^= С_эл  .

Пример 1. Степень диссоциации СН₃СООН в 0,1М растворе равна 1,3210^2. Найдите константу диссоциации кислоты и значение рК. По величине рК сделайте вывод о силе кислоты.

Решение. Запишем уравнение диссоциации уксусной кислоты:

СН₃СООН Н⁺ + СН₃СОО^–

Подставим данные задачи в уравнение Оствальда:

К_Д ==.

Откуда рК = lg К_Д = lg(1,7710^5) = 5 lg1,77 =50,25 = 4,75.

Пример 2. Какова концентрация ионов водорода в 0,1 М растворе германиевой кислоты Н₂GеО₃, если константа диссоциации кислоты по первой ступени равна 2,610^9?

Решение. Запишем уравнение диссоциации германиевой кислоты по первой ступени:

Н₂GеО₃  Н⁺ + НGеО

С_н+ = = 1,6110^5 г-ион/л.

В насыщенном растворе малорастворимого сильного электролита устанавливается равновесие между осадком (твердой фазой) электролита и ионами электролита в растворе, например:

ВаSO₄  Ва²⁺ + SO

в осадке в растворе

По закону действующих масс:

К_равн. = или К_равнС_ВаSO = C_ВаС,

где К_равн – константа равновесия;

C_Ва,С,С_ВаSO– концентрации катиона, аниона и электролита (в осадке).

Концентрация твердой фазы остается неизменной и её условно принимают равной единице, а величину К_равнС_ВаSO называют произведением растворимости и обозначают ПР:

ПР = К_равн С _ВаSO или ПР = C_ВаС.(27)

Величина ПР является важной термодинамической константой и характеризует равновесие между насыщенным раствором и твердой фазой. С помощью ПР можно решать многие вопросы химической практики.

Условием образования осадка является превышение произведения концентраций ионов малорастворимого электролита над его ПР. Растворение осадка такого электролита происходит, когда произведение концентраций его ионов меньше, чем ПР.

Пример 3. Произведение растворимости Аg₂Cr₂O₇ равно 2,010^7.

Вычислить концентрацию ионов Аg⁺ в насыщенном растворе Аg₂Cr₂O_7, не содержащем одноименных ионов.

Решение. Уравнение диссоциации Аg₂Cr₂O₇ имеет вид:

Аg₂Cr₂O₇ = 2Аg⁺ + Cr₂O

Поэтому ПР = С= 2,010^7.

Так как при диссоциации Аg₂Cr₂O₇ ионов Cr₂O получается в 2 раза меньше, чем ионов Аg⁺, следовательно:

Cr₂O = ; C= 2,010^7;

C= = = 0,7410^2 моль/л.

Пример 4. Установлено, что произведение растворимости ПР равно 5,610^16. Выпадает ли осадок при смешивании равных объемов растворов 0,02М МnSO₄ и 0,01М (NН₄)₂S ?

Решение. Запишем уравнение реакции:

МnSO₄ + (NН₄)₂S = МnS + (NН₄)₂SO₄

При смешении двух растворов объем раствора увеличивается вдвое, а концентрации взятых веществ в смеси будут в 2 раза меньше.

Концентрация раствора МnSOбудет равна 0,01 моль/л, а раствора (NН)S – 0,005 моль/л.

С_S = 0,005 г-ион/л, С_Мn = 0,01 г-ион/л.

Отсюда С_S С_Мn= 0,010,005 = 510^-5, что больше, чем ПР_МnS=5,610^16. Следовательно, осадок выпадает.

Водородный показатель – рН

Вода частично диссоциирована:

Н₂О  Н⁺ + ОН^–

По закону действующих масс:

_Д; К_Д.  С_НO = С_н С_он - = К _НO.

К _НO – ионное произведение воды. На основании опыта установлено, что при t = 25⁰С оно составляет 10^14 (моль/л)². Тогда для чистой воды:

К _НO = 10^-14 = С_н С_он - ; (28)

С_н=С _он - = = 10^7моль/л .

Для удобства расчетов используют водородный показатель рН:

рН = – lg С_н.

рН – величина, характеризующая характер среды. При рН 7 – кислая среда, т.к. С_н С_он -, при рН = 7 среда нейтральная и С_н= С_он -, при рН 7 – щелочная среда , т.к. С_н С_он -.

Из вышеизложенного справедливо уравнение

рН + рОН = 14.

Пример 5. Чему равна концентрация ОН^ – ионов в растворе, рН которого равен 10,80?

Решение. Воспользуемся приведенной формулой:

рОН = 14рН = 14 10,80 = 3,20.

 lgОН^ = 3,2 ; lgОН^ =  3,20.

По таблице антилогарифмов находим, что ОН^ = 6,3110^4 моль/л.

ЗАДАЧИ

121-123.Вычислите константу диссоциации кислот по следующим данным и запишите уравнения диссоциации кислот по всем ступеням.

№ задачи	кислота	Концентрация, моль/л	 (для 1 ступени), %	Ответы
121	Н2СО3	0,006	0,85	4,310^-7
122	Н3РО3	0,1	27	110^^2
123	Н2S	0,1	0,07	510^^8

124. Определите концентрацию ОН^ - ионов в а) 1М; б) 0,02М растворе NН₄ОН. К_Д основания равно 1,810^5.

Ответ: а) 0,410^2 г-ион/л; б) 0,610^3г-ион/л.

125. Степень диссоциации уксусной кислоты СН₃СООН в 1М растворе при 19⁰С равна 0,004. Вычислите концентрацию ионов СН₃СОО^–, Н⁺ и общую концентрацию ионов в растворе.

Ответ: 0,004 моль/л; 0,008 моль/л.

126. Вычислите степень электролитической диссоциации 0,05 М раствора НIО₃, если константа диссоциации кислоты равна 310^5.

Ответ: 2,4510^2.

127. Вычислите концентрацию ионов водорода в 0,1 М растворе хлорноватистой кислоты НСlО (К_Д= 510^8).

Ответ: 710^5моль/л

128. Определите рН и рОН раствора NaOH с концентрацией 0,1 моль/л.

Ответ: 13 и 1.

129. Ступенчатые константы диссоциации Н₂S равны К₁ = 6  10^8,

К₂ =110^14. Вычислите константу полной диссоциации и концентрации ионов Н⁺, НS^, S^2 в 0,1 М растворе сероводородной кислоты.

Ответ: 7,710^5моль/л, 110^14моль/л.

130-134. Вычислите произведение растворимости вещества (ПР) по данным о его растворимости в воде.

№ задачи	Вещество	Растворимость, моль/л	Ответы
130	ВаС2О4	4,0310^^4	1,6210^^7
131	Аg2СО3	1,1510^^4	6,1510^^12
132	ВаСО3	8,4010^^5	7,0510^^9
133	Аg2SО4	2,6810^^2	7,7010^^5
134	Вi(IО3)3	2,8010^^4	1,6610^^13

135-139. Выпадет ли осадок при сливании равных объемов растворов 1 и 2 с концентрацией С, моль/л? Напишите уравнения реакций.

№ задачи	Растворы				Осадки	ПР
	1	С1	2	С2
135	СаСl2	0,02	Nа2SО4	0,02	СаSО4	1,010^^5
136	LаСl3	0,02	NаОН	0,03	Lа(ОН)3	510^^21
137	Sr(NО3)2	0,002	К2SО4	0,002	SrSO4	3,610^^7
138	СuSO4	0,01	(NН4)2S	0,02	СuS	410^^38
139	АgNO3	0,02	Н2SO4	1	Аg2SO4	210^^5

140. Вычислите концентрацию Н⁺ в растворах, в которых концентрация ОН^ – ионов (в моль/л) составляет:

а) 10^4 , б) 3,210^6 , в) 7,410^11.

Ответы: а) 10^10моль/л, б) 3,1210^9 моль/л, в) 1,3510^4моль/л.