Электролитическая диссоциация

Растворы электролитов, в отличие от неэлектролитов, проводят электрический ток. Необходимым условием, определяющим возможность процесса электролитической диссоциации, является на­личие в растворяемом веществе ионных или полярных связей, а также достаточная полярность самого раство­рителя.

Количественная оценка процесса электролитической диссоциации дается двумя величинами: степенью диссо­циации α и константой диссоциации К_д.

Степенью диссоциации называют долю диссоциированных на ионы молекул, т. е. α = . Степень электролитической диссоциации зависит как от природы растворенного вещест­ва (характер связей, поляризующее действие катиона и пр.), так и от концентрации раствора, увеличиваясь с его раз­бавлением. По значению α для растворов молярной кон­центрации эквивалента электролиты условно делят на три группы: сильные (α≥30%), средней силы (α=3-30%) и слабые (α≤3%). Степень диссоциации слабого электролита уменьшается, если в раствор вводят один из ионов, образующихся при его диссоциации,— так называемый одноименный ион. К сильным электроли­там, полностью диссоциированным в растворах на ионы, относят соли, имеющие ионную кристаллическую решетку. Отдельные представители кислот и оснований могут от­носиться к любой из трех групп электролитов. Сила кис­лот, образованных одним и тем же элементом, увеличива­ется с повышением степени его окисления, что связано с увеличением ионности связи Н-О за счет большего сме­щения электронных пар связи в направлении центрального атома. Примером могут быть почти слабая азотистая и сильная азотная кислота, в которых степень окисления азота соответственно равна +3 и +5.

Более удобной характеристикой электролита является константа диссоциации, не зависящая от концентрации раствора. Так, для системы

HCN↔H⁺ + CN^-

Поскольку [H⁺]=[CN^-l, то , откуда

Закон разбавления Оствальда, связывающий три величины: Кд, с и α, выражается уравнением .

При малых значениях α разность 1- α можно принять за единицу, тогда и .

Пример 1. Определите концентрации всех частиц в водном растворе HF (c(HF) =0,01 моль/л). Степень электролитической диссоциации плавиковой кислоты в данном растворе α =25%.

Решение. Запишем уравнение электролитической дис­социации: HF↔H⁺+F^-

От исходного количества HF — 0,01 моль, содержащегося в 1 л раствора, подверглось электролитической диссоциации 25%, или ν (HF)=0,01 моль∙ 0,25 = 0,0025 моль = 2,5∙ 10^-3 моль. Кон­центрация непродиссоциировавших молекул HF составит: [HF] =0,01 моль/л—0,0025 моль/л =0,0075 моль/л = 7,5 ∙ 10^-3 моль/л.

Так как каждая молекула HF дает при диссоциации один катион H⁺ и один F^--анион, их концентрации будут соответ­ственно [Н⁺] =2,5∙ 10^-3 моль/л;

[F^-] =2,5∙ 10^-3 моль/л.

Пример 2. Чему равна степень электролитической диссоциации уксусной кислоты в водном растворе с концентрацией кислоты 0,01 моль/л? Константа диссоциации уксусной кислоты К_Д=1,86∙ 10^-5.

Решение. Запишем уравнение диссоциации уксусной кисло­ты в водном растворе

СНзСООН↔Н⁺ +СНзСОО^-

с — сα сα сα

и константу электролитической диссоциации

Как и видно из предыдущей задачи, концентрации всех частиц, образующихся при диссоциации, могут быть определены через исходную концентрацию вещества (с) и степень электролити­ческой диссоциации (α):

;

;

(Равновесные концентрации записаны под соответствующими частицами в уравнении диссоциации.)

Выражение константы диссоциации примет вид:

Если электролит слабый (α <1), выражение упрощается и .

Подставляя данные, получим или 4,5%.

Задачи

61. Степень электролитической диссоциации α (HNО₂)=20% в растворе, содержащем 0,01 моль/л кислоты. Рассчитайте кон­центрации всех образующихся частиц.

62. В растворе хлороводородной кислоты (с (НС1) =0,01 моль/л) ионы водорода проявляют себя так, как будто бы их концентрация не 0,01 моль/л, а 0,008 моль/л. Какое возможно объяснение?

63. Определите значение коэффициента активности ионов в растворе, содержащем 0,05 моль/л NaCI, если ионы натрия и хлора ведут себя так, как будто их концентрации равны 0,04 моль/л.

64. Во сколько раз концентрация ионов водорода в раст­воре хлороводородной кислоты с концентрацией 0,01 моль/л больше, чем в соответствующем по концентрации растворе уксусной кислоты (α = 0,045)? (K (СН₃СООН)=1,8∙10^-5)

65. Рассчитайте константу диссоциации гидрата аммиака NН₃∙Н₂О, если в растворе с концентрацией 0,2 моль/л степень его электролитической диссоциации равна 0,95%.

66. При какой молярной концентрации уксусной кислоты 96,5% ее находится в растворе в виде молекул? (K (СН₃СООН)=1,8∙10^-5)

67. Изменяется ли степень электролитической диссоциации и концентрация Н⁺ в растворе муравьиной кислоты (с (НСООН) =0,01 моль/л), если к 1 л раствора прибавить хлороводород массой 0,365 г? Вывод подтвердите расчетами. (K (НСООН)=1,8∙10^-4)

68. При какой концентрации степень электролитической диссоциации муравьиной кислоты будет равна степени диссоциа­ции уксусной кислоты в растворе, где с (СН₃СООН)=0,02 моль/л? (K(НСООН)=1,8∙10^-4, K (СН₃СООН)=1,8∙10^-5)

69. Определите соотношение степеней электролитической диссоциации муравьиной и уксусной кислот в растворах одина­ковых концентраций. Изменится ли оно, если имеется смесь этих кислот одинаковых концентраций? (K (НСООН)=1,8∙10^-4, K (СН₃СООН)=1,8∙10^-5)

70. Чему равна константа диссоциации угольной кислоты, если степень диссоциации ее по первой ступени в растворе, содержащем 0,0043 моль/л кислоты, равна 1 %?

71. Сколько растворенных частиц (ионов и недиссоциированных молекул) должен содержать 1 л 0,0001 н. HCN, константа диссоци­ации которой равна 4,9·10^-10?

72. Вычислите степень диссоциации NН₄OH в 1 н. растворе, если в 1 л этого раствора содержится 6,045·10²³ растворенных частиц.

73. При какой концентрации муравьиной кислоты 98% ее моле­кул будут находиться в недиссоциированном состоянии? Константа диссоциации НСООН равна 1,77·10^-4.

74. Степень диссоциации уксусной кислоты СНзСООН в 1 н., 0,1 н., 0,01 н. растворах соответственно равна 0,42, 1,34, 4,25%. Вычислив К_д уксусной кислоты для растворов указанных кон­центраций, докажите, что константа диссоциации не зависит от кон­центрации раствора.

75. Во сколько раз концентрация ионов Н⁺ в 1 н. НNО₃ (α =82%) больше, чем в 1 н. Н₂SО₄ (α =51%).

76. Константа диссоциации фосфорной кислоты по первой сту­пени равна 7,11·10^-3. Пренебрегая диссоциацией по другим ступеням, вычислите концентрацию водородных ионов в 0,5 М растворе.

77. Константа диссоциации азотистой кислоты равна 5,1·10^-4. Вычислите степень диссоциации HNO₂ в ее 0,01 М растворе и кон­центрацию ионов водорода.

78. Какова концентрация водородных ионов Сн⁺ в 1 н. HCN, если ее К_д=4,9·10^-10? Сколько граммов ионов CN- содержится в 1,5 л указанного раствора? -

79. Определите степень диссоциации и концентрацию ионов ОН^- в 0,1 н. NH₄OH, если К_Д = 1,77·10^-5.

80. Угольная кислота по первой ступени диссоциирует:

Н₂СО₃↔ Н⁺ + НСО₃^-

Концентрация ионов водорода в 0,005 М растворе равна 4,25∙10^-5 моль/л. Определите константу диссоциации Н₂СО₃ по первой ступени.