Ионное произведение воды. Водородный показатель. Шкала рН и рОН. Задачи по теме

ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ

Одним из наиболее часто используемых растворителей является вода, поэтому при различных расчетах используется ионное произведение воды.

Вода является очень слабым электролитом, но тем не менее ее молекулы также диссоциируют на ионы. Рассмотрим обратимую реакцию (реакция автопротолиза воды):

НОН « Н⁺ + ОН^- или НОН + НОН = Н₃О⁺ + ОН^-

Н₃О⁺ - ион гидроксония.

или ; К_д = 1,86∙10^-16.

Найдем ионное произведение воды.

[Н⁺][ОН^-]= K_W = K_д[НОН]; [HOH] = 1000/18 =55,5 моль/л.

[Н⁺][ОН^-]= 1,86∙10^-16 ∙55,5=10^-14.

[Н⁺][ОН^-]= 10^-14

lg[H⁺] + lg[ОН^-] = -14

-lg[H⁺] - lg[ОН^-] = 14

Отрицательный логарифм некоторой величины М в химии принято обозначать рМ, где М – концентрация тех или иных ионов без указания их заряда, некая константа и т. д.

рН + рОН = 14.

В чистой воде, не содержащей растворенных веществ, [H⁺] = [ОН^-].

[Н⁺] = [ОН^-] = 10^-7; [H⁺]² = 10^-14; [H⁺] = 10^-7 и рН = 7.

рН – называют «водородным показателем». Зная рН раствора, легко найти его рОН и наоборот.

Тогда. Следовательно в водных растворах для нейтральной среды рН = 7. Тогда шкала рН в водных средах имеет вид

Рис.. Шкала рН в водных растворах.

Это не значит, что рН кислых растворов не может быть меньше нуля, а щелочных – больше 14. Возможно и то, и другое. В сильнокислых средах рН < 0, в щелочных – рН > 14.

Если растворитель – этиловый спирт то

2 С₂Н₅ОН « С₂Н₅ОН₂⁺ + С₂Н₅О^-

этаксоний-ион этаксил-ион

К_д = .

Ионное произведение сольвата [С₂Н₅ОН₂⁺][С₂Н₅О^-] = 10^-19.

[С₂Н₅ОН₂⁺] = [С₂Н₅О^-] =

0______ _____9,5____ ______19.

Если в качестве растворителя используется аммиак, то

2 NH₃ « .

K_S = 10^-33

0______ _____16,5____ ______33.

10. Буферные растворы. Буферная емкость. Задачи по теме.

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ

Величина рН, характеризующая кислотность или щелочность среды, имеет большое значение в аналитической химии. рН влияет на концентрацию веществ в растворе, на скорость химических реакций, т.е. на точность анализа. В отдельных случаях введение кислоты или щелочи резко изменяет значение рН, что негативно сказывается на ходе анализа. При введении этих растворов необходимо использовать буферные смеси, которые поддерживают значение рН в определенных пределах при введении кислоты или щелочи в раствор.

В качестве буферных растворов, применяемых в анализе, используют::

- смесь уксусной кислоты и ее соли - ацетата натрия (СН₃СООН и СН₃СООNa). Это ацетатная буферная смесь;

- смесь водного раствора аммиака и хлорида аммония NH₄OH и NH₄Cl - аммонийная буферная смесь;

- смесь дигидрофосфата натрия NaH₂PO₄ и гидрофосфата натрия Na₂HPO₄ - фосфатная буферная смесь.

Способность буферных систем поддерживать постоянство рН при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или сильного основания основана на том, что одна составная часть буферной системы может взаимодействовать с ионами Н⁺ кислоты, а другая – с ионами ОН^– прибавляемого основания. Вследствие этого буферная система может связывать как катионы водорода, так и гидроксид-анионы приливаемых кислот и оснований и до определенного предела сохранять постоянство величины рН.

Например, если к ацетатной буферной системе приливать сильную кислоту (НС1, H₂SO₄, HNO₃), то пойдет реакция между ацетат ионом и ионами водорода кислоты, что можно выразить уравнением:

CH₃COONa + HC1 ÞСН₃СООН + NaCl

СН₃СОО^– + Н⁺ ÞСН₃СООН

Сильная кислота (НС1 или H₂SO₄) замещается слабой уксусной кислотой, посылающей в раствор ничтожно малое количество ионов водорода.

При добавлении же к ацетатной буферной системе сильной щелочи (NaOH, КОН) пойдет реакция нейтрализации уксусной кислоты сильным основанием: >

СН₃СООН + NaOH Þ CH₃COONa + Н₂О

Н⁺ + ОН^– Þ Н₂О

В том и другом случае в растворе существенно не изменяются концентрации ни Н⁺, ни ОН^– ионов.

В аммиачной буферной системе протекают следующие реакции.

При добавлении сильной кислоты идет нейтрализация раствора аммиака кислотой:

NH₄OH + HNO₃ Þ NH₄NO₃ + H₂O

ОН^– + Н⁺ Þ Н₂О

При добавлении сильного основания (NaOH, KOH) идет реакция обмена между солью и сильным основанием с образованием слабого основания NH₄OH:

NH₄С1 + NaOH Þ NH₄OH + NaC1

NH₄⁺ + ОН^– Þ NH₄OH

Способность буферных систем сохранять постоянство рН определяется его буферной емкостью. Она определяется числом моль-эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу.

Буферная емкость тем больше, чем выше концентрация компонентов буферной смеси. По мере добавления к буферному раствору кислоты или щелочи устойчивость раствора к изменению рН постепенно уменьшается вследствие уменьшения концентрации одного из компонентов. Чтобы действие буферной системы было достаточно эффективным, т. е. чтобы буферная емкость раствора изменялась не слишком сильно, концентрация одного компонента не должна превышать концентрацию другого компонента больше чем в 10 раз.

Буферные системы широко и разносторонне используются в аналитической химии. Состав буферных систем довольно разнообразен, поэтому имеется их широкий выбор.Для создания и поддержания величины рН к исследуемому раствору добавляют ту или иную буферную смесь. Так, аммиачная буферная система используется для осаждения гидроксида алюминия, который при применении чистого раствора аммиака частично растворяется в его избытке.

Ацетатный буферный раствор используется при осаждении ионов бария дихроматом калия в присутствии ионов стронция и кальция.

Многие аналитические реакции с органическими реактивами, характеризующиеся образованием окрашенных соединений, проводятся при строго определенной величине рН. Например, при обнаружении катиона Ni²⁺ диметилглиоксимом (реактив Чугаева) используется ацетатная буферная система с рН= 5.