Задачи для самостоятельного решения. 1.1. Вычислить концентрацию ионов натрия и сульфат-ионов в 5%- растворе сульфата натрия
1.1. Вычислить концентрацию ионов натрия и сульфат-ионов в 5%- растворе сульфата натрия (r=1.042 г/мл).
1.2. Сколько воды необходимо прибавить к 100 мл 0.01 М раствора синильной кислоты HCN, чтобы степень диссоциации кислоты возросла в 4 раза? Как изменится рН раствора?
1.3. Во сколько раз изменится степень диссоциации HCN, если к полученному в предыдущей задаче раствору добавить 0.1 г HNO3?
2.1. Определить рН 0.01М раствора гидроксида калия.
2.2. Перекись водорода Н2О2 является слабой кислотой. Вычислить степень диссоциации и рН 1М раствора перекиси водорода, если Ка=1.4×10-12.
2.3. Рассчитать концентрацию ионов НО2- в растворе, 1 л которого содержит 1 моль перекиси водорода и 0.001 моля HCl.
3.1. Вычислить концентрацию хлорид-ионов в 0.03 М растворе хлорида бария.
3.2. Рассчитать концентрации всех ионов, образующихся при диссоциации H2S в его 0.05 М растворе.
3.3. К 0.2 М раствору HCN добавили такое количество KCN, что концентрация соли в растворе стала равна 0.02 моль/л. Как изменится при этом степень диссоциации синильной кислоты?
4.1. Определить рН2%- раствора гидроксида натрия (r=1.021 г/мл).
4.2. Найти концентрацию NH4OH, при которой ее степень диссоциации равна 2%. Вычислить концентрацию ионов водорода в таком растворе.
4.3. Как изменится рН, если к 1 л 1 М раствора гидроксида аммония прибавить 100 мл 20%- раствора хлорида аммония (r=1.057 г/мл)?
5.1. Какой раствор имеет более щелочную среду: 2%- раствор КОН (r=1.016 г/мл) или 1.6%- раствор NaOH (r=1.016 г/мл)?
5.2. Степень диссоциации хлорноватистой кислоты HClO в ее 0.001 М растворе равна 0.71%. Определите константу диссоциации и рН раствора.
5.3. Рассчитать концентрацию ионов ClO- в растворе, 150 мл которого содержат 1.5 10-3 молей HClO и 1.5 10-3 молей HCl.
6.1. Вычислить концентрацию ClO4- ионов в растворе, содержащем 3 г хлорной кислоты HClO4 в 300 мл раствора.
6.2. Определить константу диссоциации плавиковой кислоты HF и рН раствора, если ее степень диссоциации в 0.25 М растворе равна 5.1%.
6.3. В каком объемном отношении необходимо смешать растворы из заданий 6.1 и 6.2, чтобы степень диссоциации HF уменьшилась в 6 раз?
7.1. Какую массу КОН надо растворить в 1 л воды, чтобы рН полученного раствора стал равен 12?
7.2. Степень диссоциации бромноватистой кислоты HBrO в растворе и рН раствора соответственно равны 0.04% и 5.3. Определить концентрацию раствора кислоты и константу ее диссоциации.
7.3. Какую массу КBrO надо добавить к 1 л раствора HBrO из предыдущего задания, чтобы концентрация ионов водорода уменьшилась в 5 раз
8.1 Рассчитать концентрации ионов бария и хлорид-ионов в 3%- растворе хлорида бария BaCl2 (r=1.025 г/мл).
8.2 Во сколько раз изменится степень диссоциации и на сколько единиц изменится рН, если раствор слабого электролита разбавить в 100 раз?
8.3 Во сколько раз изменится степень диссоциации слабого электролита, если в раствор добавить соль, имеющую со слабым электролитом одинаковые ионы, а концентрации соли и слабого электролита равны? Задачу решить в общем виде.
9.1 Вычислить концентрацию нитрат-ионов в 0.02 М растворе Al(NO3)3.
9.2 Определить концентрации всех ионов в 0.01 М растворе угольной кислоты.
9.3 К 0.1 М раствору HClO добавили такое количество КClO, что концентрация соли в растворе стала равна 0.005 моль/л. Как изменилась степень диссоциации кислоты?
10.1 Вычислить концентрацию ионов Sr2+ и NO3- в 8%- растворе Sr(NO3)2 (r=1.072г/мл).
10.2 Какой объем воды необходимо прибавить к 300 мл 0.0025 М- раствора H2S, чтобы степень диссоциации кислоты возросла в 3 раза? Как изменится рН раствора?
10.3 Во сколько раз изменится степень диссоциации кислоты в полученном в предыдущей задаче растворе, если к нему добавить 1 г серной кислоты?
11.1 Рассчитать рН 0.3%- раствора HClO4 (r=1.002 г/мл).
11.2 Вычислить степень диссоциации и рН в 0.01 М растворе HClO.
11.3 Рассчитать концентрацию ионов ClО- в растворе, 1 мл которого содержит 1×10-5 моля HClO и 1×10-6 моля HCl.
12.1 Рассчитать рН 0.2%- раствора Ва(ОН)2 (r=1.002 г/мл).
12.2 Рассчитать концентрацию HClO, при которой ее степень диссоциации равна 0.2%. Вычислить рН такого раствора.
12.3 Как изменится рН раствора предыдущей задачи, если к 2 л раствора прибавить 1 мл 2%- раствора KClO (r=1.013 г/мл)?
13.1 Какой раствор имеет более кислую среду: 1% -раствор HCl (r=1.003 г/мл) или 1%- раствор HClO4 (r=1.005 г/мл)?
13.2 Определить константу диссоциации и степень диссоциации NH4OH, если рН его 0.1 М раствора равен 11.13.
13.3 Рассчитать концентрацию ионов аммония в растворе, 300 мл которого содержат 0.1 моля NH4OH и 0.1 моля КОН.
14.1 Какую массу гидроксида натрия необходимо растворить в 3 л воды, чтобы рН полученного раствора стал равен 11.5?
14.2 Степень диссоциации HClO в растворе и рН раствора равны соответственно 0.63% и 5.1. Рассчитать концентрацию раствора и константу диссоциации кислоты.
14.3 Какую массу КClO надо добавить к 1 л раствора кислоты из предыдущей задачи, чтобы концентрация ионов водорода уменьшилась в 7 раз?
15.1 Вычислить концентрацию ионов натрия и ионов водорода в растворе, 200 мл которого содержит 0.8 г гидроксида натрия.
15.2 Определить константу диссоциации NH4OH и рН раствора, если степень диссоциации этого основания в 0.2 М растворе равна 0.95%.
15.3 В каком объемном отношении следует смешать растворы из заданий 15.1 и 15.2, чтобы степень диссоциации NH4OH уменьшилась в 20 раз?
16.1 Рассчитать концентрации ионов калия и ионов HPO42- в 3% -растворе K2HPO4 (r=1.021 г/мл).
16.2 Какой объем воды необходимо прибавить к 20 мл 0.1 М- раствора NH4OH, чтобы степень диссоциации этого основания возросла в 10 раз? Как изменится рН раствора?
16.3 Как изменится степень диссоциации NH4OH, если к полученному в предыдущей задаче раствору добавить 1 г NаOH?
17.1 Вычислить концентрацию ионов бария и нитрат-ионов в 0.003 М- растворе Ва(NО3)2.
17.2 Рассчитать концентрации ионов Н+, Н2РО3- и НРО32- в 0.8 М- растворе фосфористой кислоты, если ее константы диссоциации равны Ка1=1.6 ×10-3 и Ка2=6.3×10-7.
17.3 К 0.15 М- раствору NH4OH добавили такое количество NH4Cl, что концентрация соли в растворе стала равна 0.2 моль/л. Рассчитать рН полученного раствора.
18.1 Рассчитать рН 0.2%- раствора азотной кислоты (r=1.001 г/мл).
18.2 Рассчитать степень диссоциации и рН 0.1 М раствора НСN.
18.3 Рассчитать концентрацию ионов СN- в растворе, 2 л которого содержат 0.1 моля НСN и 0.0005 моля HCl.
19.1 Рассчитать концентрацию ионов SO42- в 3%- растворе Al2(SO4)3 (r=1.025 г/мл).
19.2 Рассчитать степень диссоциации и концентрацию угольной кислоты в растворе, если рН раствора равен 4.5.
19.3 Какую массу азотной кислоты достаточно растворить в 100 мл 0.02 М раствора угольной кислоты, чтобы степень диссоциации Н2СО3 уменьшилась в 150 раз?
20.1 Рассчитать рН 0.1%- раствора соляной кислоты (r=1.00 г/мл).
20.2 Определить константу диссоциации и степень диссоциации HBrO, если рН 0.001 М раствора этой кислоты равен 5.85.
20.3 Рассчитать концентрацию ионов BrO- в растворе, 200 мл которого содержат 0.01 моля HBrO и 0.005 моля HBr.
21.1 Какую массу LiOH необходимо растворить в 1 л воды, чтобы рН полученного раствора стал равен 11?
21.2 Степень диссоциации NH4OH в растворе и рН раствора равны соответственно 1.8% и 11. Рассчитать концентрацию раствора и константу диссоциации основания.
21.3 Какую массу NH4Cl надо добавить к 1 л раствора предыдущей задачи, чтобы концентрация ионов водорода увеличилась в 10 раз?
22.1 Рассчитать концентрацию ионов хлора в растворе, в 100 л которого содержится 0.5 г ВаCl2.
22.2 Определить константу диссоциации HBrO и рН раствора, если степень диссоциации HBrO в 0.01 М растворе равна 0.0447%.
22.3 Какую массу КBrO необходимо добавить к 1 л раствора предыдущей задачи, чтобы степень диссоциации HBrO уменьшилась в 10 раз?
23.1 Какую массу азотной кислоты необходимо растворить в 200 мл воды, чтобы рН полученного раствора стал равен 2.5?
23.2 Степень диссоциации НСN и рН раствора равны соответственно 0.089% и 6.05. Определить концентрацию раствора и константу диссоциации кислоты.
23.3 Какую массу КСN необходимо добавить к 1 л раствора предыдущей задачи, чтобы концентрация ионов водорода уменьшилась в 200 раз?
24.1 Рассчитать концентрации ионов калия и карбонат-ионов в 5.2%- растворе К2СО3 (r=1.044 г/мл).
24.2 Какой объем воды необходимо добавить к 10 мл 0.02 М раствора Н2СО3, чтобы степень диссоциации кислоты увеличилась в 2 раза? Как при этом изменится рН раствора?
24.3 Во сколько раз изменится степень диссоциации угольной кислоты в полученном в предыдущей задаче растворе, если к нему прибавить 0.001 г азотной кислоты?
25.1 Рассчитать концентрации ионов алюминия и хлора в 0.2 М- растворе хлорида алюминия.
25.2 Рассчитать степень диссоциации H2S и концентрацию кислоты, если рН раствора равен 5.3.
25.3 Какую массу NaHS достаточно растворить в 750 мл 0.001 М- раствора H2S, чтобы степень диссоциации кислоты уменьшилась в 10 раз?
Гидролиз солей
Гидролизом соли называется процесс взаимодействия растворенной соли с водой, сопровождающийся, как правило, изменением рН раствора. Гидролиз может происходить только в том случае, когда в процессе взаимодействия происходит образование мало диссоциирующих частиц. Поэтому гидролизу подвергаются соли слабых кислот или слабых оснований или тех и других вместе.
Уравнения гидролиза пишут аналогично другим ионным уравнениям: малодиссоциированные и малорастворимые, а также газообразные вещества пишут в виде молекул, сильные электролиты - в виде ионов. Уравнения гидролиза солей многоосновных кислот и оснований с кислотностью больше 1 записывают по ступеням.
Пример 1
Гидролиз Na2CO3 (соль сильного основания и слабой кислоты).
I ступень: СО32-+Н2О «НСО3- + ОН-
(ионно-молекулярное уравнение)
Na2CO3 + H2O « NaHCO3+ NaOH
(молекулярное уравнение)
2 ступень: HCO3-+ H2O « H2CO3 + OH-
NaHCO3 + H2O « H2CO3 + NaOH.
Анион слабой кислоты (карбонат-ион СО32-) связывает ионы водорода, образуя по I ступени гидрокарбонат-ион (НСО3- ), по 2 ступени - слабую угольную кислоту (H2CO3). При этом накапливаются гидроксид-ионы (ОН-), обуславливающие щелочную реакцию раствора (рН>7).
Пример 2
Гидролиз NH4Cl (соль слабого основания и сильной кислоты)
NH4++H2O « NH4OH + H+
NH4Cl + H2O « NH4OH + HC1.
Пример 3
Гидролиз СrCl3 (соль слабого основания с кислотностью, равной 3, и сильной кислоты). Ион Cr3+ соединяется с ионами ОН- ступенчато, образуя гидросксид-ионы, ионы Cr(OH)2+, [Cr(OH)2]+ и молекулы Cr(OH)3. Практически гидролиз ограничивается I ступенью:
Cr3++H2O « Cr(OH)2++H+.
Образуется основная соль
CrCl3 + H2O « CrOHC12 + Hc1. РН<7.
Пример 4
Гидролиз Al(CH3COO)3 (соль слабого основания и слабой кислоты)
Al3++3CH3COO- + 3H2O ® Al(OH)3¯ + 3CH3COOH
В этом случае образующиеся ионы водорода и гидроксид-ионы взаимно нейтрализуются (рН » 7), следовательно, процесс гидролиза становится необратимым. Образуются малодиссоциирующие кислота и основание.
Константа гидролиза (Кг), степень гидролиза (h) связаны с ионным произведением воды (КW) и молярными концентрациями гидролизующейся соли (С) и образующихся ионов [Н+] и [ОН-] следующими соотношениями:
а) гидролиз по аниону (соль слабой кислоты и сильного основания)
Кг = КW/Кa,
h » Ö(Кг/С),
[ОН-]= h × C » Ö(Кг×С), [Н+] » КW/[ОН-],
где Ка - константа диссоциации кислоты;
б) гидролиз по катиону (соль слабого основания и сильной кислоты)
Кг = КW/Кb,
h @ Ö(Кг/С),
[Н+] = h×C»Ö(Кг×С),
где Кb - константа диссоциации основания;
в) одновременный гидролиз по катиону и аниону (соль слабого основания и слабой кислоты)
Кг = КW/(Кb×Кa).
Замечания
1. Приведенные выше формулы справедливы при выполнении условия h<<1. Если это условие не выполняется, то h рассчитывают из формулы
КГ=C× h2/(1-h).
2. Для расчета константы гидролиза необходимо использовать константы диссоциации кислот и оснований по ступени, соответствующей уравнению гидролиза, например, уравнению гидролиза
HPO42- + H2O « H2PO4- + OH-
соответствует вторая ступень диссоциации фосфорной кислоты
H2PO4- « HPO42- + H+.
(Обратите внимание на подчеркнутые ионы - они присутствуют в обоих процессах, хотя и расположены по разные стороны от стрелки).
Пример 5
Вычислить степень гидролиза ацетата калия в 0,1 М растворе и рН раствора.
Решение
Уравнение реакции гидролиза
СН3СОО-+Н2О « СН3СООН + ОН-.
Из справочных данных Кa=1,8×10-5.
Кг = КW/Кa = 10-14 /(1,8×10-5) = 5,56 × 10-10 .
h = Ö(Кг/С) = Ö(5,56×10-10 /0,1) = 7,5×10-5.
[ОН-] = h×C = 7,5×10-5×0,1 = 7,5×10-6 моль/л.
[Н+] = КW/[ОН-] = 10-14/(7,5×10-6) = 1,33×10-9 моль/л.
рН = -lg[Н+] = - lg 1,3 × 10-9 = 8,88.
Пример 6
Определить рН 0,1 М раствора ортофосфата калия К3РО4.
Решение
Для расчета рН достаточно ограничиться I ступенью гидролиза
PO43-+H2O « HPO42-+ OH-,
соответствующей третьей ступени диссоциации фосфорной кислоты Кa3(Н3РО4) = 1,3 × 10-12.
Кг = КW/Кa3 = 10-14/(1,3×10-12) = 7,7×10-3.
Далее решение аналогично решению примера 5.
Если в раствор гидролизующейся соли ввести реактив, связывающий образующиеся при гидролизе ионы Н+ или ОН-, то, в соответствии с принципом Ле Шателье, для восполнения потерь этих ионов равновесие смещается в сторону усиления гидролиза. Гидролиз может стать полным и необратимым.
Пример 7.
Гидролиз хлорида цинка:
I ступень: Zn2++H2O « ZnOH++H+
2 ступень: ZnOH++H2O « Zn(OH)2¯ +H+.
Если в раствор соли ZnCl2 добавить немного щелочи, то гидроксид-ионы ОН- щелочи будут связывать образующиеся при гидролизе ионы Н+ с образованием воды. Равновесие сместится вправо, т.е. гидролиз пойдет и по 2 ступени, до конечного продукта Zn(OH)2¯. Если же раствор соли (ZnCl2) подкислить, то увеличение концентрации ионов Н+ сместит равновесие гидролиза влево, т.е. гидролиз будет подавлен.
Ионы Н+ (или ОН-) можно связать в молекулы воды, вводя в раствор не только щелочь (или кислоту), но и другую соль, которая также подвержена гидролизу, но характер среды в растворе которой противоположен характеру среды раствора первой соли. Сливаемые растворы взаимно нейтрализуют друг друга, гидролиз обеих солей усилится и станет необратимым, что приведет к образованию конечных продуктов гидролиза обеих солей
Пример 8
При смешении растворов солей Zn(NO3)2 и Na2CO3 гидролиз общих солей будет полным и необратимым.
Первый раствор
I ступень: Zn2++H2O « Zn(OH)++H+,
2 ступень: ZnOH++H2O « Zn(OH)2¯ +H+ .
Второй раствор
I ступень: CO32- + H2O « HCO3-+OH-,
2 ступень: HCO3-+H2O « H2CO3 + OH-.
При сливании растворов
Н+ + ОН-®Н2О
и, как следствие (с учетом того, что угольная кислота неустойчива и разлагается на CO2 и H2O)
Zn2++CO32-+H2O ® Zn(OH)2¯ + CO2
или в молекулярном виде
Zn(NO3)2 + Na2CO3 + H2O ® Zn(OH)2¯ + CO2 + 2NaNO3.