Диссоциация воды. рН - водородный показатель

РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Электролиты – химические вещества и системы, в которых прохождение электрического тока осуществляется за счет движения ионов. Такие проводники относятся к проводникам второго рода. Наличие свободных ионов объясняется явлением диссоциации (ионизации) – распадом молекул на ионы: а) при образовании растворов - под действием полярных молекул растворителя (электролитическая диссоциация); б) при образовании расплавов - в результате термического распада (термическая диссоциация). В зависимости от степени электролитической диссоциации a = n/N, (где n – число распавшихся молекул, N-исходное число растворенных молекул) электролиты подразделяются на сильные (a »1), слабые (a < 0,03) и средней силы (0,03 <a <0,3). Степень диссоциации зависит от концентрации электролита (чем больше концентрация – тем меньше степень диссоциации). Для расчетов пользуются не концентрацией электролита, а его эффективной концентрацией – активностью (а) а = f•Cм. В этом уравнении f-коэффициент активности (определяется экспериментально) учитывает отклонение активности от концентрации. Для разбавленных растворов слабых электролитов f можно считать равным единице и для расчетов можно использовать концентрацию – См.

Диссоциация кислот, оснований

Согласно теории электролитической диссоциации Аррениуса, кислотой называется вещество, которое при диссоциации отщепляет свободные ионы водорода Н+, а основанием – вещество, которое при

диссоциации отщепляет свободные ионы гидроксида ОН-. Основания, образованные щелочными металлами (Li, Na, K и т.д. ), являются сильными электролитами (a »1) и называются щелочами. Диссоциация кислот и оснований протекает ступенчато: последовательно отщепляется ион Н+ ( или ОН-), т.е. число ступеней зависит от основности кислоты (числа атомов Н в молекуле) или от кислотности основания (числа гидроксидных групп ОН-). Например: диссоциация Н3РО4 протекает в три ступени:

I Н3РО4 ⇄ Н+ + Н2РО4- a 1 <1;

II Н2РО4- ⇄ Н+ + НРО42-, a 2 <a 1;

III НРО42- ⇄ Н+ + РО43-, a 3 <a 2 <a 1;

а Zn(OH)2 в две ступени:

I Zn(OH)2 ⇄ ZnOH+ +OH-;II ZnOH+ ⇄ Zn2++ OH-

Процесс диссоциации солей определяется типом соли: средние соли распадаются одноступенчато, диссоциация кислых и основных определяется «остатком» кислоты (или основания) в составе соли. Например, основная соль MgOHCl диссоциирует в 2 ступени:

I. MgOHCl ⇄ MgOH+ + Cl-, a =1; II. MgOH+ ⇄ Mg2+ + OH- a<1.

Обратимый процесс диссоциации слабых электролитов характеризуется константой диссоциации Кд. Например, для слабой уксусной кислоты, процесс диссоциации которой идет в соответствии с уравнением CH3COOH ⇄ H+ + CH3COO -,

Кд = Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru . В зависимости от величины Кд

электролиты подразделяются на сильные ( Кд >10-3) и слабые ( Кд< 10 -3). Кд зависит только от природы электролита и температуры и является табличной величиной.

Для слабых электролитов бинарного типа (распадаются на один катион и один анион) взаимосвязь между исходной концентрацией растворенного вещества (молярностью См), концентрациями ионов, нераспавшихся молекул, степенью и константой диссоциации выражается законом разведения (разбавления) Оствальда:

Реакция диссоциации АВ ⇄ А+ + В-

Концентрации ионов в растворе [A+] = [B-] = a Cм

Концентрация нераспавшихся молекул [AB] = (1-a) Cм

Уравнение Оствальда для слабых (ά→0, Кд<10- 4 ) электролитов Кд = a2См

Диссоциация воды. рН - водородный показатель

Вода хотя и весьма незначительно, но все же диссоциирует на ионы:

Н2О ↔ Н+ + ОН-. Следовательно, вода является типичным амфотерным электролитом, т.е. она может действовать в равной степени и как кислота и как основание. Установлено, что константа диссоциации воды равна Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru

Судя по значению этой величины, вода является очень слабым электролитом. Произведение концентраций водородных и гидроксид-

ионов, которое при данной температуре является постоянной величиной,

называется ионным произведением воды, его обозначают Кw или КН2О. При 250С Кw =[Н+][ОН-]=10-14. Для процессаН+(р) + ОН- (р) ® Н2О(р) ,

0298= -56кДж/моль; обратный процесс - диссоциация воды является эндотермическим процессом. Отсюда, в соответствие с принципом Ле-Шателье, температура будет оказывать влияние на Кw.

Для характеристики кислотности раствора используют водородный показатель (рН). рН = - lg[H+], где [H+] - концентрация ионов водорода в моль/л. Т.к. Кw ¹ 0, то и не может быть водного раствора, в котором концентрация Н+ или ОН- равнялась бы нулю. Следовательно, в любом водном растворе присутствуют совместно ионы Н+ и ОН-. Для нейтральной среды [Н+] = [ОН-] = Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru =10-7 моль/л, следовательно рН=7. В кислой среде [Н+]> 10-7моль/л, т.е. 0< рН <7, в щелочной среде [ОН-]> 10-7моль/л, т.е. 7<рН£14.

Шкала рН для ст.усл.:

+], моль/л: 1 10-7 10-14

 
  Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru

рН : 0 кислая среда 7 щелочная среда 14

Примеры решения задач

Задача 1.Рассчитать концентрацию ионов водорода в растворе HCN (См = 10-3М), если a = 4,2∙10-3.

Решение:Диссоциация цианистоводородной кислоты протекает по уравнению HCN ⇄ H+ + CN-; концентрации ионов [H+] и [CN-] в

растворе равны между собой (т.к. nН+ : nСN- = 1:1,

где n - стехиометрические коэффициенты) т.е. [H+] = [CN-] = a Cм, моль/л; Тогда [H+]=[CN-] = 4,2∙10-3∙ 10-3 = 4,2×10-7 моль/л.

Задача 2.Рассчитать концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в рстворе NH4OH, концентрацией См= 0,01М, если Кд = 1,8×10-5.

Решение: Гидроксид аммония диссоциирует следующим образом:

NH4OH ⇄ NH4+ + OH- константа диссоциации имеет вид Кд= Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru ; концентрации ионов аммония [NН4+] и гидроксида [OH-] совпадают (n (NH4+) :n (OH-) = 1:1), обозначим их за х:

[NH4+] = [OH-] = х моль/л, тогда выражение для Кд примет вид

1,8×10-5 = х2/ 0,01-х. Считая, что х<< См, решаем уравнение

1,8×10-5=x2/ 0,01, относительно х: х = Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru =4,2∙10-4моль/л; [OH-]= 4,2∙10-4 моль/л.

Концентрации ионов водорода и гидроксида связаны через ионное произведение воды Кw= [H+][OH-] =10-14, выразим концентрацию ионов водорода [H+] = Kw/[OH-] и рассчитаем её значение [H+]=1×10-14/4,2×10-4 @ 2,3×10-11моль/л.

Задача 3. Определить рН раствора НСl (a=1), если См =2∙10-3 М

Решение: Диссоциация соляной кислоты протекает по уравнению

HCl ® H+ + Cl-, концентрация ионов водорода [H+] = a Cм =1∙2∙10-3 = 2∙10-3 моль/л. Водородный показатель рН = - lg[H+] = - lg2∙10-3 = 2,7. Ответ: рН=2,7

Задача 4. Определить молярную концентрацию гидроксида аммония, если рН=11, а Кд=1,8∙10-5.

Решение: Концентрация ионов водорода [H+]=10-pH=10-11моль/л. Из ионного произведения воды определяем концентрацию [OH-] = Kw/[H+] = 10-14/10-11=10-3моль/л. Гидроксид аммония - слабое основание и характеризуется уравнением реакции диссоциации

NH4OH ⇄ NH4+ + OH-. Выражение для константы диссоциации

Кд=. Диссоциация воды. рН - водородный показатель - student2.ru из закона Оствальда следует, что [NH4+ ] = [OH-] = a∙Cм, а Кд = a2См. Объединяя уравнения, получим См= [OH-]2 /Kд = 10-6/ 1.8∙10-5 = 0,056 моль/л

Наши рекомендации