Ионное произведение воды. Водородный показатель

Электростатическое взаимодействие полярных молекул воды приводит к их самоионизации: 2Н2О↔Н3О++ОН- или в упрощенной форме Н2О↔Н++ОН-;

Константа диссоциации воды весьма мала при 25°С

Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru

Принимая поэтому концентрацию воды [Н2О] величиной практически постоянной, можно записать К∙ [Н2О]=[Н+] ∙ [ОН-] = 1,8∙10-162О]. Но концентрация воды равна 1000/18=55,56 моль∙л-1, отсюда получаем

+]∙[ОН-] = =1,8∙10-16∙55,56=1∙10-14в.

Произведение концентраций ионов водорода и ионов гидроксида называется ионным произведением воды Кв. Ионное произведение воды
есть величина постоянная при постоянной температуре. В чистой воде и нейтральных растворах[Н+]=[ОН-]=√10-14=10-7 моль∙л-1.

Математически более удобной характеристикой среды является водородный показатель рН, равный десятичному логарифму концентрации водородных ионов, взятому с обратным знаком: рН = -lg[Н+].

Тогда рН различных растворов будут иметь следующие значения:

кислый рН <7;

нейтральный рН = 7;

щелочной рН >7.

Аналогично, отрицательный десятичный логарифм концентрации гидроксо-ионов называется гидроксильным показателем и обозначает­ся рОН. Следовательно,

Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru

рН + рОН = 14.

Пример 1. Вычисление водородного показателя раствора.

Вычислите водородный показатель рН раствора гидроксида натрия, содержащегося в растворе в концентрации 4,2∙10-3 моль∙л-1 .

Решение. Концентрация ОН- ионов в растворе NaOH равна

[0Н-]=4,2∙10-3моль∙л -1. Исходя из ионного произведения во­ды Кв, находим концентрацию ионов водорода: [Н+]=КВ/[ОН-]=10-14/4,2∙10-3=0,24∙10-11. Водородный показатель раствора NaOH равен: рН= -lg([Н+])=-lg(0,24∙10-11)=11,62.

Пример 2.Определение концентрации ионов Н+ и ОН- в растворах сильных кислот и оснований.

Определите концентрацию ионов водорода и рН в 0,01 М раствора соляной кислоты.

Решение. Соляная кислота – сильный электролит, в растворе пол­ностью диссоциирует на ионы: НС1 Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru Н+ + С1-. Концентрация ионов [Н+] численно равна концентрации НС1. Из 0,01 моль НС1 об­разуется 0,01 моль иона Н+. Отсюда [Н+] =0,01∙10-2; рН=-lg(1∙10-2)=2.

Пример 3. Вычисление рН сильного электролита с учетом его коэффициента активности.

Найдите водородный показатель раствора НNO3, если его моляр­ная концентрация равна 0,178 моль∙л-1.

Решение. При значительной концентрации сильного электролита его активная концентрация существенно отличается от истинной. Поэтому в таких случаях нужно вводить поправку на активность электролита. Определяем ионную силу раствора НNO3: J= 1/2∙ (0,176∙I2 + 0,178∙I2) = 0,356/2 = 0,178.

Далее по вычисленной ионной силе находим коэффициент активнос­ти иона [Н+]= f(Н+)=0.838. Тогда активность ионов [Н+], а (Н+) =0,83∙0,178=0,148. Водородный показатель раствора НNO3 равен: рН = -lg а(Н+) = -lg 0,148=0,83.

Пример 4. Определение концентрации ионов Н+ и ОН- в растворах слабых кислот и оснований.

Концентрации [Н+] и [ОН-] ионов в растворах слабой кислоты и слабого основания могут быть вычислены, если известны их констан­ты диссоциации. В общем виде формула для вычисления концентрации [Н+] в растворе слабой кислоты: Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru

Концентрация ионов [Н+]и [ОН-] в растворе слабого основания может быть вычислена по формуле: Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru ; [Н+]= Кв/[ОН-];

Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru .

Определите концентрацию[Н+], [ОН-], рН, рОН, в 0,0М раствора муравьиной кислоты, если Кд(HCOOH)=2,1∙10-4

Решение:

+]=√2,1∙10-4∙3∙10-2 = √6,3∙10-6= 2,5∙10-3 моль∙л-1;

рН= -lg 2,5∙10-3=3-lg 2,5 = 3-0,4= 2,6;

[ОН-]= Кв/[Н+]= 10-14/(2,5∙10-3)=4∙10-12 моль∙л-1;

рОН= 14-рН=14-2,6 = 11,4.

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

Под гидролизом понимают реакции обменного взаимодействия вещества с водой. Гидролиз является частным случаем сольволиза – обменного разложения растворенного вещества и растворителя. Процесс гидролиза в большинстве случаев обратим. Он происходит только в тех случаях, когда из ионов соли может образоваться хотя бы одно слабо диссоциирующее или труднорастворимое вещество. Образование такого вещества сопровождается связыванием одного из ионов, на которые диссоциирует вода, при этой происходит смещение равновесия этого процесса в сторону его усиления и изменение рН раствора. Различают три случая гидролиза.

1. Гидролиз по катиону. Характерен для солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой (например, NН4Сl, Al(NO2)3, CuSO4 и др.). Рассмотрим гидролиз хлорида аммония NН4Сl. Анионы Сl, образующиеся при диссоциации NН4Сl= NН4 + + Сl-, не связывают ионов водорода, так как НС1 – сильная кислота. Катионы NН4+ связывают ионы ОН- с образованием слабо диссоциирующего основания NН4СН по уравнению NН4+ +НОН Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru4ОН+Н+. При этом освобождаются ионы Н+, обеспечивающие кислую реакцию среды (рН<7).

Молекулярное уравнение гидролиза записывается в виде

4Сl+Н2О Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru4ОН+НСl.

Самым слабым электролитом в рассматриваемой системе является вода, поэтому равновесие смещено влево и гидролиз до конца не идет.

2. Гидролиз по аниону. Характерен для солей, образованных сильным основанием и слабой кислотой (например, КCN, СН3СООNа, Na2CO3, K2S и др.).

Рассмотрим гидролиз ацетата натрия СН3СООNа. Рассуждая ана­логично первому случаю, приходим к выводу, что в данной соли гидролизуется анион СН3СОО- по уравнению:

СН3СОО- + НОН Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru СН3СООН + ОН-

Реакция среды щелочная (рН> 7).

Молекулярное уравнение реакции записывается следующим образом:

СН3СООNa + Н2О Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru СН3СООН + NaОН.

3. Гидролиз по аниону и катиону. Характерен для солей, образо­ванных слабым основанием и слабой кислотой.

Например, при гидролизе ацетата аммония NH4CH3COO и катион, и анион участвуют в процессе, образуя слабо диссоциирующие основание и кислоту:

NH4+ +CH3COO- + НОН Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru NH4ОН + CH3COOН.

В этом случае реакция среды определяется относительной силой (константой диссоциации) образующихся основания и кислоты. Если основание и кислота одинаковы по силе, то константы диссоциации их равны и рН=7; если кислота сильнее основания, т.е. констан­та ассоциации кислоты больше константы диссоциации основания, то реакция среды слабокислая, и наоборот.

В зависимости от основности слабой кислоты, образующей соль, и кислотности слабого основания различают две формы гидролиза: простейший и ступенчатый.

Простейший гидролиз. Характерен для солей, образованных одно­основной слабой кислотой и (или) слабым многокислотным основанием (NH4CN, NH4Cl, NaCl, CH3COONa, KNO2 и др.).

Ступенчатый гидролиз. Характерен для солей, образованных сла­бой многоосновной кислотой и (или) слабым многокислотным основанием (Na2CO3, K2S, (NH4)2, FeCL3, CuSO4, CuCL2 и др.).

Гидролиз по катиону. Рассмотрим гидролиз FеС13. Катионы Fе3+,
образующиеся при диссоциации молекул соли FеСl3=Fe3+ + 3Cl-, связывают ионы ОН- с образованием слабодиссоциирующих частиц, причем присоединение гидроксильных групп происходит постепенно,
по ступеням:

1 ступень: Fе3+ + НОН Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru FеОН2+ + Н+

2 ступень: FeOH2+ + HOH Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru Fe(OH)2+ + H+

3 ступень: практически не протекает.

Накапливающиеся в системе ионы Н+ обеспечивают кислую реакцию среды и сильно смещают процесс диссоциации воды Н2О ↔ Н+ + ОН-
влево, что приводит к ослаблению гидролиза на ступени 2, а по
ступени 3 гидролиз практически не идет.

Таким образом, гидролиз солей, образованных слабым многокислотным основанием и сильной кислотой, протекает ступенчато с образованием основных солей. Молекулярные уравнения:

1 ступень: FeCl3 + H2O Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru FeOH2+ + H+

2 ступень:FeOHCl2+ H2O Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru Fe(OH)2Cl + HCl

3 ступень: практически не идет.

Гидролиз по аниону. Рассмотрим гидролиз соли Na2S. Анионы S2-, образующиеся при диссоциации соли Na2S Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru 2Na+ + S2-, связывают ионы Н+ с образованием слабо диссоциирующих частиц. Присоединение Н+ происходит постепенно:

1 ступень: S2- + НОН Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru HS- + OH-

2 ступень: HS- + HOH Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru H2S + OH-

Накапливающиеся в системе ионы OH- обеспечивают щелочную реакцию среды и ослабляют течение гидролиза по ступени 2.

Таким образом, гидролиз солей, образованных сильным основанием
и слабой многоосновной кислотой, протекает ступенчато с образованием кислых солей. Молекулярное уравнение:

1 ступень: Na2S + H2O Ионное произведение воды. Водородный показатель - student2.ru NaHS + NaOH

2 ступень: практически не идет.

Полный необратимый гидролиз. Некоторые соли, образованные очень слабым основанием и слабой летучей кислотой (Cr2S3, Cr2(CO3)3, Fe2(CO3)3, Al2(CO3)3 и др.), подвергаются полному необратимому гидролизу. При этом образуется слабо диссоциирующие основание и кислота. Оба продукта уходят из сферы реакции в виде осадков и газов. Аналогично гидролизируются смеси солей, одна из которых образована очень слабым основанием и сильной кислотой, а другая – сильным основанием и слабой летучей кислотой (Na2S+CrCl3 , Na2CO3 + Al2(SO4)3 и т.п.). Например:

2AlCl3 + 2Na2S + 6H2O = 2Al(CO)3↓+ 3H2S↑ + 6NaCl

Количественными характеристиками процесса гидролиза служат степень и константа гидролиза.

Таблица 5

Наши рекомендации