Лабораторная работа № 1. Сильные и слабые электролиты

Опыт 1. Окраска индикаторов в различных средах.

В одну пробирку налейте 5-6 капель 2 н. H₂SO₄, в другую – такой же объем 2 н. NaOH, в третью – такой же объем дистиллированной воды. Во все три пробирки добавьте по 1 капле раствора фенолфталеина. Отметьте цвет раствора в каждой пробирке. Аналогичный опыт проделайте с индикатором метиловым оранжевым. Результаты наблюдений занесите в таблицу:

Индикатор	Среда
кислая	нейтральная	щелочная
Фенолфталеин
Метиловый оранжевый

Опыт 2.Определение pH растворов кислот

HCl, H₂SO₄, CH₃COOH

На часовое стекло положить полоски универсального индикатора, нанести на них 1-2 капли испытуемого раствора и тотчас же сравнить окраску бумаги со шкалой универсального индикатора. Сделать выводы о силе электролитов. Записать уравнения диссоциации.

Опыт 3.Определение рН растворов оснований

NaOH, Ca(OH)₂, NH₄OH

На часовое стекло положить полоски универсального индикатора, нанести на них 1-2 капли испытуемого раствора и тотчас же сравнить окраску бумаги со шкалой универсального индикатора. Сделать выводы о силе электролитов. Записать уравнения диссоциации.

Лабораторная работа № 2. Смещение ионного равновесия. Ионные реакции с образованием слабого электролита

Опыт 1. Налейте в две пробирки по 5-6 капель 0,1 н. раствора гидроксида аммония и по 1-2 капли раствора фенолфталеина. Затем в одну из пробирок бросьте 1 кристалл хлорида аммония. Пробирку встряхните несколько раз. Наблюдайте ослабление интенсивности окраски раствора.

Гидроксид аммония – слабый электролит. В его растворе имеет место равновесие: NH₄OH ↔ NH₄⁺+OH^–. Ионы ОН^– и обусловливают окраску фенолфталеина. Добавление NH₄Cl, который диссоциирует на ионы NH₄⁺ и Cl^–, значительно увеличивает концентрацию ионов NH₄⁺ в растворе. А это нарушает равновесие между молекулами NH₄OH и ионами NH₄⁺ и OH^–, смещая его влево, т.е. ионы NH₄⁺ и OH^– соединяются и образуют недиссоциированные молекулы NH₄OH. В результате концентрация ионов ОН^– в растворе очень сильно понижается и окраска раствора бледнеет.

Опыт 2. Налейте в две пробирки по 5-6 капель 0,1 н. раствора уксусной (CH₃COOH) кислоты и по 1-2 капли раствора метилового оранжевого. Затем в одну из пробирок введите 2-3 кристаллика ацетата натрия (CH₃COONa). Пробирку встряхните несколько раз. Сравните интенсивность окраски в пробирках. Объясните причину изменения окраски раствора.

Опыт 3.Ионные реакции с образованием слабого электролита

а) Положите в пробирку несколько кристаллов хлорида аммония (NH₄Cl) и прилейте раствор гидроксида натрия (NaOH). Определите выделяющийся газ по запаху, слегка нагрев пробирку.

б) Опустите в пробирку несколько кристаллов ацетата натрия (CH₃COONa) и прилейте разбавленную серную кислоту. Напишите уравнение реакции.

Лабораторная работа № 3. Произведение растворимости

Опыт 1.Ионные реакции с образованием осадков

а) Налейте в три пробирки по 2-3 капли раствора хлорида бария (BaCl₂) и добавьте в одну из них несколько капель раствора сульфата натрия (Na₂SO₄), в другую – раствора серной кислоты, в третью – раствора сульфата алюминия (Al₂(SO₄)₃). Наблюдайте появление одинакового осадка. Составьте уравнения реакций. Что можно сказать о сущности реакций в проделанном опыте?

б) Налейте в одну пробирку 2-3 капли сульфата железа (FeSO₄) (II)? а во вторую – такой же объем раствора сульфата меди (CuSO₄) (II). Прилейте в обе пробирки по 3-4 капли раствора сульфида натрия (Na₂S). Составьте уравнения реакций. Слейте растворы, а осадки сохраните для следующих опытов.

Опыт 2.Образование осадков и произведение растворимости

В две пробирки налейте по 3-4 капли 0,005 М раствора нитрата свинца (Pb(NO₃)₂). В одну из них прибавьте такой же объем 0,05 М раствора хлорида калия (KCl), а в другую – такой же объём 0,05 М раствора иодида калия (KI). В какой из пробирок выпал осадок? Объясните полученный результат, используя значения произведений растворимости. Составьте уравнения реакций.

Опыт 3. Растворение осадков и произведение растворимости

К осадкам FeS и CuS, полученным в опыте 1.б). Прилейте немного 2 н. раствора соляной кислоты. Какой из осадков растворился? Составьте уравнение реакции. Объясните различие в растворимости осадков, используя значения произведений растворимости.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Слабые электролиты

Примеры решения задач

Задача 1.1. Степень диссоциации уксусной кислоты в 0,1 М растворе равна 1,32∙10^–2. Найти константу диссоциации кислоты и значение рК.

Решение. Подставим данные задачи в уравнение закона разбавления Оствальда

К = α²C_M/(1–α) = 1,77∙10^–5 pK = -lg K = 4,75

Задача 1.2.Вычислить концентрацию ионов водорода в 0,1 М растворе хлорноватистой кислоты HClO (K=5∙10^-8).

Решение: Найдем степень диссоциации HClO

. Отсюда [H⁺] = α∙C_M = 7∙10^–5 моль.

Задачу можно решить и другим способом, используя соотношение

тогда [H⁺] = 7∙10^–5 моль/л.

Задача 1.3. Во сколько раз уменьшится концентрация ионов водорода в 0,2 М растворе HCOOH (K = 0,8∙10^–4), если к 1 л этого раствора добавить 0,1 моль HCOONa? Считать, что соль полностью диссоциирована.

Решение: HCOOH H⁺ + НCOO^–

HCOONa → HCOO^– + Na⁺

Исходная концентрация ионов водорода:

.

Концентрацию ионов водорода в растворе после добавления соли обозначим х. Тогда концентрация недиссоциированных молекул кислоты равна (0,2-х). Концентрация же ионов HCOO^– слагается из двух величин: из концентрации, создаваемой диссоциацией молекул кислоты, и концентрации, обусловленной присутствием в растворе соли. Общая концентрация ионов HCOO^– равна, следовательно, (0,1+х)

откуда х = 3,6∙10^–4 моль/л.

Сравнивая исходную концентрацию ионов водорода с найденной, находим, что прибавление соли HCOONa вызвало уменьшение концентрации ионов [H⁺] в т.е. в 16,6 раза.

Задачи для самостоятельной работы:

1.4. Нужно приготовить раствор, содержащий в 1 л 0,5 моля NaCl, 0,16 моля KCl и 0,24 моля K₂SO₄. Как это сделать, имея в своем распоряжении только NaCl, KCl и Na₂SO₄?

1.5. Константа диссоциации масляной кислоты C₃H₇COOH 1,5∙10^–5. Вычислить степень её диссоциации в 0,005 М растворе.

1.6. Найти степень диссоциации хлорноватистой кислоты HOCl в 0,2 н. растворе.

1.7. Степень диссоциации муравьиной кислоты HCOOH в 0,2 н. растворе равна 0,03. Определить константу диссоциации кислоты и значение рК.

1.8. Степень диссоциации угольной кислоты H₂CO₃ по первой ступени в 0,1 н. растворе равна 2,11∙10^–3. Вычислить К₁.

1.9. При какой концентрации раствора степень диссоциации азотистой кислоты HNO₂ будет равна 0,2?

1.10. В 0,1 н. растворе степень диссоциации уксусной кислоты равна 1,32∙10^–2. При какой концентрации азотистой кислоты HNO₂ ее степень диссоциации будет такой же?

1.11. Сколько воды нужно прибавить к 300 мл 0,2 М раствора уксусной кислоты, чтобы степень диссоциации кислоты удвоилась?

1.12. Чему равна концентрация ионов водорода H⁺ в водном растворе муравьиной кислоты, если α = 0,03?

1.13. Вычислить [H⁺] в 0,02 М растворе сернистой кислоты. Диссоциацией кислоты по второй ступени пренебречь.

1.14. Вычислить [H⁺], [HSe^–] и [Se^2–] в 0,05 М растворе H₂Se.

1.15. Во сколько раз уменьшится концентрация ионов водорода, если к 1 л 0,005 М раствора уксусной кислоты добавить 0,05 моля ацетата натрия?

1.16. Рассчитать концентрацию ионов CH₃COO^– в растворе, 1 л которого содержит 1 моль CH₃COOH и 0,1 моля HCl, считая диссоциацию последнего полной.

Сильные электролиты

Пример решения задач

Задача 2.1. Вычислить ионную силу и активность ионов в растворе, содержащем 0,01 моль/л MgSO₄ и 0,01 моль/л MgCl_2.

Решение: Ионная сила раствора равна

Коэффициент активности иона Mg²⁺ (и равный ему коэффициент активности иона SO₄^2–) найдем по формуле

Аналогично находим f для Cl^–:

Теперь, пользуясь соотношением а = f∙C_M, находим активность каждого иона:

Задачи для самостоятельной работы:

2.2. Вычислить приближенное значение активности ионов K⁺ и SO₄^2– в 0,01 М растворе K₂SO₄.

2.3. Вычислить приближенное значение активности ионов Ba²⁺ и Cl^– в 0,002 н. растворе BaCl₂.

2.4. Найти приближенное значение коэффициентов активности иона водорода в 0,0005 М растворе H₂SO₄, содержащем, кроме того, 0,0005 моль/л HCl. Считать, что серная кислота полностью диссоциирует по обеим ступеням.

2.5. Вычислить ионную силу и активность ионов в растворе, содержащем 0,01 моль/л Ca(NO₃)₂ и 0,01 моль/л CaCl₂.

2.6. Вычислить ионную силу и активность ионов в 0,1 %-ном (по массе) растворе BaCl₂. Плотность раствора принять равной единице.

2.7. Рассчитать активность иона водорода в 0,005 н. растворе HCl, содержащем, кроме того, 0,15 моль/л NaCl.

2.8. Найти приближенные значения коэффициентов активности ионов Cl^–, SO₄^2–, PO₄^3– и [Fe(CN)₆]^4– в растворе с ионной силой 0,0001.

Произведение растворимости

Примеры решения задач

Задача 3.1. Растворимость гидроксида магния Mg(OH)₂ при 18 ^оС равна

1,7∙10 ^–4 моль/л. Найти ПР Mg(OH)₂ при этой температуре.

Решение: При растворении каждого моля Mg(OH)₂ в раствор переходит 1 моль ионов Mg⁺² и вдвое больше ионов ОН^–.

Mg(OH)₂ Mg²⁺ + 2 OH^–

Следовательно, в насыщенном растворе Mg(OH)₂

[Mg²⁺] = 1,7∙10^-4 моль/л; [OH^–] = 3,4∙10^{– 4} моль/л.

Отсюда .

Задача 3.2. . Вычислить растворимость соли (в моль/л и в г/л) при указанной температуре.

Решение: Обозначим растворимость соли через s (моль/л). Тогда в насыщенном растворе PbI₂ cодержится s моль/л ионов Pb²⁺ и 2s моль/л ионов I^–.

PbI₂ Pb⁺²+2I^–

s s 2s

ПР=[Pb²⁺][I^–]² = 4s³

; .

Растворимость PbI₂, выраженная в г/л, составляет 1,3∙10^-3∙461 = 0,6 г/л.

Задача 3.3. Во сколько раз растворимость CaC₂O₄ в 0,1 М растворе (NH₄)₂C₂O₄ меньше, чем в воде?

Решение: Вычислим растворимость CaC₂O₄ в воде. Пусть концентрация соли в растворе будет s (моль/л), поэтому можем записать

Отсюда

Найдем растворимость этой соли в 0,1 М растворе (NH₄)₂C₂O₄; обозначим её через s′. Концентрация ионов Ca²⁺ в насыщенном растворе тоже будет s′, а концентрация [C₂O₄^2–] составит (0,1+s′), т.к. s′<0,1, то можно считать, что [C₂O₄^2–] = 0,1моль/л. Тогда ; s′=2∙10^–8 моль/л. Следовательно, в присутствии (NH₄)₂C₂O₄ растворимость СaC₂O₄ уменьшилась в раз, т.е. в 2200 раз.

Задача 3.4. Смешаны равные объемы 0,02 н. растворов CaCl₂ и Na₂SO₄; образуется ли осадок CaSO₄?

Решение: Найдем произведение концентраций ионов Ca⁺² и SO₄^2– сравним его с . Условием выпадения осадка является [Ca²⁺][SO₄^2–] > .

Исходные молярные концентрации растворов CaCl₂ и Na₂SO₄ одинаковы и равны 0,01 моль/л, т.к. при смешении исходных растворов общий объем раствора вдвое больше, то концентрация каждого из ионов вдвое уменьшается по сравнению с исходными. Поэтому [Ca²⁺] = [SO₄^2–] = 5∙10^–3, находим [Ca²⁺][SO₄^2–] = 2,5∙10^–5

2,5∙10^-5 < 1,3∙10^-4.

Поэтому осадок не образуется.

Задача 3.5. Произведение растворимости CaC₂O₄ = 2∙10^–9. Найти растворимость этой соли в 0,1 М растворе (NH₄)₂C₂O₄.

Решение: Выразим ПР через активность ионов:

.

Обозначив искомую растворимость соли через s, находим, что

[Ca²⁺] = s моль/л, [C₂O₄^2–] = 0,1 моль/л. Таким образом,

Вычислим ионную силу раствора (I) 0,1 М раствора (NH₄)₂C₂O₄

I = 0,5(0,2∙1²+0,1∙2²) = 0,3

Согласно табл. 2 приложения, при этой ионной силе коэффициенты активности двухзарядных ионов равны 0,42. Тогда

.

Задачи для самостоятельной работы:

3.6. Растворимость CaCO₃ при 35^оС равна 6,9∙10^–5 моль/л. Вычислить произведение растворимости этой соли.

3.7. Вычислить произведение растворимости PbBr₂ при 25 ^оС, если растворимость соли при этой температуре равна 1,32∙10^–2 моль/л.

3.8. В 500 мл воды при 18 ^оС растворяется 0,0166 г AgCrO₄. Чему равно произведение растворимости этой соли?

3.9. Для растворения 1,16 г PbI₂ потребовалось 2 л воды. Найти произведение растворимости соли.

3.10. Исходя из произведения растворимости карбоната кальция, найти массу CaCO₃, содержащуюся в 100 мл его насыщенного раствора.

3.11. Найти массу серебра, находящегося в виде ионов в 1 л насыщенного раствора AgBr.

3.12. Вычислить объем воды, необходимый для растворения при 25 ^оС 1 г BaSO₄.

3.13. В каком объеме насыщенного раствора Ag₂S содержится 1 мг растворенной соли?

3.14. Во сколько раз растворимость (в моль/л) Fe(OH)₂ в воде больше растворимости Fe(OH)₃ при 25 ^оС?

3.15. Образуется ли осадок сульфата серебра, если к 0,02 М раствору AgNO₃ добавить равный объем 1 н. раствора H₂SO₄?

3.16. К 50 мл 0,001 н. раствора HCl добавили 450 мл 0,0001 н. раствора AgNO₃. Выпадет ли осадок хлорида серебра?

3.17. Образуется ли осадок хлорида свинца, если к 0,1 н. раствору Pb(NO₃) добавить равный объем 0,4 н. раствора NaCl?

3.18. Во сколько раз уменьшится концентрация ионов серебра в насыщенном растворе AgCl, если прибавить к нему столько соляной кислоты, чтобы концентрация ионов Cl^- в растворе стала равной 0,03 моль/л?

3.19. Вычислить растворимость (в моль/л) CaF₂ в воде и в 0,05 М растворе CaCl₂. Во сколько раз растворимость во втором случае меньше, чем в первом?

3.20. Во сколько раз растворимость AgCl в 0,001 н. растворе NaCl меньше, чем в воде? Расчет произвести с учетом коэффициентов активности, пользуясь данными табл. 2 приложения.

3.21. В каком из указанных случаев раствор электролита МХ ненасыщен: а) [M^z+][X^z-] < ПР; б) [M^z+][X^z-] = ПР; в) [M^z+][X^z-] > ПР?

3.22. Обозначим растворимость AgCl в воде, в 0,01 М CaCl₂, в 0,01 M NaCl и в 0,05 М AgNO₃ соответственно через s_o, s₁, s₂ и s₃. Какое соотношение между этими величинами правильно: а) s_o > s₁ > s₂ > s₃; б) s_o > s₂ > s₁ > s₃; в) s_o > s₁ = s₂ > s₃; г) s_o > s₂ > s₃ > s₁?

3.23. К 0,01 н. раствору H₂SO₄ медленно добавляют раствор, содержащий 0,01 моль/л CaCl₂ и 0,01т моль/л SrCl₂. Какой осадок начнет выпадать раньше: а) SrSO₄; б) CaSO₄?

3.24. Произведения растворимости солей NiC₂O₄ и Na₃AlF₆ одинаковы (4∙10^-10). Какое соотношение между растворимостями (моль/л) этих солей правильно:

а) > ; б) = ; в) < ?

3.25. Произведения растворимости AgBrO₃ и Ag₂SO₄ равны соответственно 5,5∙10^-5 и 2∙10^-5. укажите правильное соотношение между растворимостями (s, моль/л) этих солей:

а) < ; б) ≈ ; в) > .

3.26. Как изменится растворимость CaF₂ в 0,1 М растворе KNO₃ по сравнению с его растворимостью в воде:

а) возрастет; б) уменьшится; в) останется неизменной?