Теория растворов сильных электролитов

Процесс электролитической диссоциации сильного элек­тролита, в отличие от диссоциации слабого электролита, практически необратим, и его нель­зя охарактеризовать константой диссоциации. Так ионы в сильных электролитах диссоциированы практически нацело, то возрастает роль межионного взаимодействия, которое количественно характеризуется его активностью a(X) и ко­эффициентом активности f_a.

Активность иона a(X) - эффективная концентрация иона X, соответственно которой он участвует во взаи­модействиях, протекающих в растворах сильных элек­тролитов:

а(Х) =f_a ∙c(Х) , (1)

где с(Х) - концентрация иона Х в растворе,

f_a - коэффициент активности иона Х в растворе.

Коэффициент активности иона f_a показывает, во сколько раз активность иона отличается от его истин­ной концентрации в растворе сильного электролита. Значение коэффициента активности иона зависит от: 1) кон­центрации этого иона (сначала уменьшается, а затем растет с ростом концентрации); 2) температуры (увеличивается с ростом температуры); 3) концентрации других ионов (влияет общая концентрация всех ионов в растворе).

Г. Льюис(1907)ввел понятие ионной силы раствора электролита.

Ионная сила раствора I - величина, характеризующая интенсивность электростатического поля всех ионов в растворе, которая равна полусумме произведений мо­лярной концентрации (с) каждого иона на квадрат его заряда:

I = , (2)

где q₁, q₂, q₃, ... ,q_n - заряды всех ионов, находящихся в растворе,

c₁, c₂, c₃, ... ,c_n – молярные концентрации ионов.

В очень разбавленных растворах зависимость между коэф­фициентом активности иона f_a, зарядом этого иона q₁и ионной силой I описывается уравнением Дебая — Хюккеля:

lg f_a(Z₁) = (3)

Примеры решения задач

Пример 1.

Вычислите ионную силу водного раствора, содержащего 0,05 М раствор Ba(NO₃)₂ и 0,01 М раствор Al₂(SO₄)₃.

Решение:

1) Рассмотрим диссоциацию солей в водном растворе:

Ba(NO₃)₂ → Ba²⁺ + 2NO₃^-

Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄^2-

2) Определим молярную концентрацию образующихся ионов:

С(Ba²⁺) = 0,05 моль/л; С(NO₃^-) = 0,05 ∙ 2 = 0,1 моль/л;

С(Al³⁺) = 0,01 ∙ 2 =0,02 моль/л; С(SO₄^2-) = 0,01 ∙ 3 =0,03 моль/л

3) Рассчитаем ионную силу раствора по формуле:

I = 1/2(c₁∙ q₁² + c₂∙ q₂² + …)

I = 1/2(0,05∙2² + 0,1∙1² + 0,02∙3² + 0,03∙2²) = 0,3 моль/л

Ответ: 0,3 моль/л.

Пример 2.

Вычислите степень диссоциации карбоната натрия, имеющего изотонический коэффициент i = 2,8.

Решение:

1) По формуле α = i – 1 / n – 1 рассчитаем степень диссоциации Na₂CO₃, где n – число ионов, образующихся в растворе.

Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃^2- , n = 3.

α = 2,8 – 1 / 3 – 1 = 0,9

Ответ: 0,9.

Задачи для самостоятельного решения

1. Вычислите ионную силу 0,05 М раствора СаCl₂. Какова должна быть молярная концентрация раствора NaCl, чтобы он имел такую же ионную силу?

2. Ионная сила водного раствора KCl равна 0,2 моль/л. Какова его молярная концентрация? Какова концентрация раствора BaCl₂ той же ионной силы?

3. Вычислите ионную силу 0,02 М раствора Al₂(SO₄)₃. Каким он будет по отношению к плазме крови (изо-, гипо- или гипертоническим)?

4. Вычислите ионную силу 0,5 М раствора MgCl₂. Какова должна быть молярная концентрация раствора KNO₃, чтобы он имел такую же ионную силу?

5. Рассчитайте ионную силу раствора «Трисоль», применяемого в медицинской практике в качестве плазмозамещающего раствора, учитывая его состав:

натрия хлорид – 0,085 моль/л;

калия хлорид – 0,013 моль/л;

натрия гидрокарбонат – 0,048 моль/л.

6. Сопоставьте ионные силы двух растворов при одинаковой молярной концентрации: раствора AgNO₃ и раствора Al₂(SO₄)₃. Для какого раствора ионная сила больше, во сколько раз?

7. Рассчитайте ионную силу раствора «Рингера-Локка», применяемого в медицинской практике в качестве плазмозамещающего раствора, учитывая его состав: натрия хлорид – 0,9 г

калия хлорид – 0,02 г

кальция хлорид -0,02 г

натрия гидрокарбонат – 0,02 г

глюкоза – 0,1 г

вода для инъекций – до 100 мл

Вычислите активность иона натрия в этом растворе, если коэффициент активности равен 0,72.

8. Рассчитайте активность 0,05 М раствора HCl, если коэффициент активности равен 0,830.

9. Вычислите изотонический коэффициент серной кислоты, имеющей степень диссоциации α= 0,8.

10. Водный раствор сульфата меди с массовой долей 1% назначают в малых дозах для улучшения кроветворной функции. Вычислите активность ионов меди в таком растворе, если коэффициент активности равен 0,28; ρ = 1,009 г/мл.

11. Водный раствор сульфата цинка с массовой долей 0,25% применяется в качестве глазных капель как антисептическое и вяжущее средство. Рассчитайте активность иона цинка в таком растворе, если коэффициент активности равен 0,41; ρ = 1 г/мл.

12. Вычислите степень диссоциации дихлоруксусной кислоты, имеющей изотонический коэффициент i = 1,75.

13. Вычислите степень диссоциации серной кислоты, если изотонический коэффициент i = 2,61.

Тестовые задания

Выберите один верный ответ

1. Имеются два раствора с одинаковой молярной концентрацией: KCl и MgSO₄. Какой из растворов имеет большее значение ионной силы?

1) KCl 3) Имеют одинаковую ионную силу

2) MgSO₄ 4) Нельзя определить ионную силу данных растворов

2. Чему равна активность 0,05 М раствора HCl, если коэффициент активности равен 0,830:

1) 0,0415 2) 0,0602 3) 16,6 4) 0,083

3. Коэффициент активности можно определить по уравнению:

1) Михаэлиса-Ментен 3) Шульца-Гарди

2) Дебая-Хюккеля 4) Вант-Гоффа

4. Имеются два раствора с одинаковой молярной концентрацией: СН₃СООН и К₂SO₄. Какой из растворов имеет большее значение ионной силы?

1) СН₃СООН 3) Имеют одинаковую ионную силу

2) К₂SO₄ 4) Нельзя определить ионную силу данных растворов

5. Исходя из уравнения Дебая-Хюккеля следует, что с увеличением ионной силы раствора коэффициент активности:

1) Увеличивается 2) Уменьшается

3) Не изменяется 4) Имеет экспоненциальную зависимость

6. Значение коэффициента активности зависит от:

1) Концентрации отдельного иона 2) Температуры

3) Концентрации других ионов 4) От всех перечисленных факторов

7. Коэффициент активности можно определить по уравнению:

1) lgγ = - 0.5 z² √I 2) γ = -А z √I 3) lgγ = - 0.509 z² I 4) lgγ = А z √I

8. Чему равна кислотность 0,001 М раствора гидроксида натрия:

1) 3 2) 11 3) 5 4) 9

9. Растворителем в растворе является вещество:

1) Которого больше по объему

2) Изменяющее агрегатное состояние в процессе растворения

3) Обязательно индифферентное

4) Обязательно жидкое

10. Растворы по агрегатному состоянию могут быть:

1) Только жидкие 2) Только жидкие и газообразные

3) И жидкие, и газообразные, и твердые 4) Только жидкие и твердые

11. рН 0,005 М раствора серной кислоты равно:

1) 5 2) 3 3) 2 4) 5,5

12. Ионное произведение воды при 25⁰С равно:

1) 10^-14 2) 7 3) 14 4) 10^-7

13. Значение рН + рОН равно:

1)10^-14 2) 7 3) 14 4) 10^-7

14. Для соединений NH₄OH и NH₄NO₃ верно, что:

1) Только первое – сильный электролит

2) Только второе – сильный электролит

3) Оба – слабые электролиты

4) Оба – сильные электролиты

15. Наиболее слабым электролитом является

1) HF 2) HCl 3) HBr 4) HI

16. Чему равна кислотность 0,0005 М раствора гидроксида стронция:

1) 3 2) 11 3) 12 4) 2

17. Сильными электролитами являются все вещества, указанные в ряду:

1) H₂SO₃, CuCl₂, HСlO 2) NaOH, H₂SO₄, HClO₄

3) MgCl₂, CH₃COOH, RbOH 4) HNO₂, HClO₃, HClO₄

18. Чему равен рН 0,005М раствора Ba(OH)₂:

1) 13 2) 8 3) 4 4) 12

19. Если в растворе увеличивается концентрация ионов водорода, то:

1) Численное значение рН раствора растет

2) Концентрация гидроксид-ионов растет

3) Численное значение рН раствора уменьшается

4) рН раствора не изменяется

20. Чему равна концентрация ионов Н⁺ в растворе, в котором концентрация ионов ОН^- равна 0,01 моль/л:

1) 10^-12 моль/л 2) 10^-5 моль/л 3) 10^-3 моль/л 4) 10^-10 моль/л