Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН)
Вода является слабым электролитом и диссоциирует по уравнению: H2O ó H+ + OH-. Выражение для
константы диссоциации имеет вид: Кдис = [H+]рав [OH-]рав =1,8 10-16
[H2O ]рав.
Значение Кдис воды определили экспериментально по измерению удельной электропроводности при Т = 25 оС. Чистая вода практически не проводит электрический ток, т.е. άдис(H2O) << 1, поэтому можно принять, что
[H2O ]рав = [H2O]нач. Рассчитаем молярную концентрацию чистой воды, зная, что 1л воды весит 1 кг (ρ =1кг/л):
См(H2O) = m (H2O) = 1000 г = 55,6 моль/ л.
M (H2O) * V (H2O) 18 г/моль* 1 л
Подставим полученное значение См(H2O) в уравнение для Крав::
Крав * 55,6 = Кw = [H+] [OH-] = 10-14 , где Кw – ионное произведение воды.
В чистой воде [H+] [OH-] = 1 10-14 , тогда [H+] = [OH-] = 10-7 моль/л.
В водных растворах кислот [H+] > [OH-] или [H+] > 7 моль/л, среда кислая.
В водных растворах щелочей и оснований [H+] < [OH-], [H+] < 7 моль/л, среда основная или щелочная.
При растворении в воде любых по природе веществ остается неизменным - [H+] [OH-] = 1 10-14 .
Для удобства выражения реакции среды водных растворов был введен специальный термин, который назвали водородным показателем (рН). рН – отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода:
рН = - lg [H+].
Иногда пользуются также показателем рОН – отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов гидроксила. рОН = - lg [ОH-]
В нейтральной среде рН = 7 ; рОН = 7, рН + рОН = 14
В кислой среде рН < 7 ; рОН < 7, рН + рОН = 14
В щелочной среде pH > 7 ; рОН < 7, рН + рОН = 14
ШКАЛА рН
0―――――――――――――――――――7―――――――――――――――――――14
←―― кислая среды нейтральная среда щелочная среда ――→
растворы кислот чистая вода растворы оснований, щелочей
Кислотность и щелочность (рН) является важнейшей характеристикой всех водных растворов и естественных водных объектов (реки, озера, моря, океаны ). рН контролирует скорость многих химических, биологических и биохимических процессов, играет важную роль в медицине, в технологии пищевой и перерабатывающей промышленности.
Пример 1Рассчитайте рН раствора,в 500 мл которого содержится 0,245 г серной кислоты. Степень диссоциации кислоты равна 1.
Решение: Уравнение диссоциации кислоты: H2SO4 <=> 2H+ + SO4-2
Выражение для расчета рН: рН = -lg CM (H+), где CM (H+) = n (H+) * άдис * CM (кислоты).
Рассчитаем CM (кислоты) = 0,245 / 98 * 0,5 = 0,05 моль/л
Тогда рН = -lg ( 1 * 2 * 0,05) = -lg 0,1 = 1.
Пример 2Рассчитайте рН 5,6% раствора КОН,степеньдиссоциации щелочи в растворе составляет 0,9. Плотность раствора равна 1,02 мл/л.
Решение: Уравнение диссоциации щелочи: КОН <=> К+ + ОН-
Выражение для расчета рН в растворах щелочей : рН = 14 – рОН = 14 – (-lg (ОH-) * άдис *CM (КОН)).
Рассчитаем CM (КОН) = 12 * 1,02 / 56 * 0,1 = 1,02 моль/л
Тогда рН = 14 -lg ( 0,9 * 1 * 1,02) = 13.
ЗАДАЧИ
95. Рассчитайте концентрацию ионов водорода в растворе, если: а) рН=4; б) рОН = 11; в) рН = 12; г) рН = 8.
96. Рассчитайте рН и рОН раствора, в которых концентрация ионов Н+ составляет: а)10-3; б)10-11; в)10-5; г) 10-1.
97. Во сколько раз различается концентрация ионов ОН- в растворах: а) рН=3 и рОН = 2;
б) рН =14 и рОН = 11; в) рН = 5 и рОН = 5; г) рН = 4 и рОН = 10.
98. Рассчитайте молярную концентрацию растворов НCI, водородный показатель которых равен: а) рН =3; б) рН = 5.
99. Вычислите рН 0,1 М растворе НF.
100.Вычислите рН в 0,1 М растворе сернистой кислоты, учитывая только 1-ю ступень диссоциации.
101.Вычислите рН и степень диссоциации в 0,002 М растворе HCIO.
102.Вычислите рН и степень диссоциации в 0,02 М растворе HNO2.
103.Вычислить константу гидролиза фторида калия, определить степень гидролиза этой соли в 0,01 М растворе и рН раствора.
104.Определите рН 0,02 М. раствора Н2СО3, учитывая только первую ступень диссоциации.
105.Сравните рН среды в 0,1 М и 0,001 М растворах HCN.
106.Рассчитайте рН в растворе Sr(ОН)2, если 200 мл этого раствора содержат 0,074 г гидроксида кальция. Степень диссоциации электролита равна 1.
ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ
Гидролиз солей - это реакция обмена ионов соли с водой, в результате которой изменяется кислотность раствора. Гидролиз – процесс обратный реакции нейтрализации. Если реакция нейтрализации процесс экзотермический и необратимый, то гидролиз – процесс эндотермический и обратимый.
Реакция нейтрализации 2KOH + H2SO3 = K2SO3 + 2H2O 2OH- + H2SO3 = 2H2O + SO32
сильный слабый сильный слабый
Реакция гидролиза K2SO3+ H2O = KOH + KHSO3 SO32- + HOH = HSO3- + OH-
При гидролизе смещается равновесие диссоциации воды вследствие связывания одного из ее ионов (Н+ или ОН-) в слабый электролит соли. При связывании ионов Н+ в растворе накапливаются ионы ОН−, реакция среды будет щелочная, а при связывании ионов ОН− накапливаются ионы Н+ - среда будет кислая.
Разберем случаи гидролиза, пользуясь понятиями "слабый" и "сильный" электролит.
Соль образована сильным основанием и слабой кислотой (гидролиз протекает по аниону). Это имеет место при гидролизе соли СН3СООК. Ионы соли СН3СОО− и К+ взаимодействуют с ионами Н+ и ОН− из воды. При этом ацетат-ионы (СНзСОО−) связываются с ионами водорода (Н+) в молекулы слабого электролита - уксусной кислоты (CHзCOOH), а ионы ОН− накапливаются в растворе, сообщая ему щелочную реакцию, так как ионы К+ не могут связать ионы ОН− (КОН является сильным электролитом), pH >7.
СН3СООК + H2O↔КОН + СН3ООН молекулярное уравнение
К+ + СН3СОО− + НОН ↔ K+ + ОН− + СН3СООН полное ионное уравнение
СН3СОО− + НОН ↔ ОН− + СН3СООН сокращенное ионное уравнение
Гидролиз соли Na2S протекает ступенчато. Соль образована сильным основанием и слабой двухосновной кислотой. В этом случае анион соли S2− связывает ионы Н+ воды, в растворе накапливаются ионы ОН−. Уравнение в ионной и молекулярной форме по первой ступени имеет вид
1-я ступень S2− + НОН↔HS− + ОН− сокращенное уравнение
Na2S + Н2О ↔ NaHS + NaOH молекулярное уравнение
Вторая ступень гидролиза практически не проходит при обычных условиях, так как, накапливаясь, ионы ОН− сообщают раствору с и л ь н о щ е л о ч н у ю реакцию, что приводит к реакции нейтрализации, сдвигу равновесия влево.
2-я ступень HS− + НОН ↔H2S + ОН− сокращенное уравнение
NaHS + Н2О ↔NaOH + H2S молекулярное уравнение
Соль образована слабым основанием и сильной кислотой (гидролиз протекает по катиону). Это имеет место при гидролизе соли NH4Cl (NH4ОH - слабое основание, НСl - сильная кислота). Отбросим ион Сl−, так как он с катионом воды дает сильный электролит, тогда уравнение гидролиза примет следующий вид:
NH4+ + НОН ↔ NH4OH + Н+ сокращенное уравнение
NH4Cl + Н2О ↔ NH4OH + НСl молекулярное уравнение
Из сокращенного уравнения видно, что ионы ОН− воды связываются в слабый электролит, ионы Н+ накапливаются в растворе и cреда становится кислой pH <7.
Гидролиз соли Zn(NO3)2 протекает ступенчато по катиону слабого основания.
1-я ступень Zn2+ + НОН ↔ ZnOH+ + H+ сокращенное уравнение
Zn(NO3)2 + Н2О ↔ ZnOHNO3 + HNO3 молекулярное уравнение
ионы ОН− связываются в слабое основание, ионы Н+ накапливаются.
Вторая ступень гидролиза практически не происходит при обычных условиях, так как в результате накопления ионов H+ в растворе создается с и л ь н о к и с л а я среда и гидроксид цинка растворяется .
2-я ступень ZnOH+ + НОН ↔ Zn(OH)2 + H+ сокращенное уравнение
ZnOHNO3 + Н2О ↔ Zn(OH)2 + HNO3 молекулярное уравнение
Соль образована слабым основанием и слабой кислотой (гидролиз протекает по катиону и аниону). Это имеет место при гидролизе соли СН3СООNH4 . Запишем уравнение в ионной форме, pH ≈ 7:
NH4+ + CH3COO− + НОН ↔ NH4OH + СН3СООН
Образуются слабое основание и слабая кислота, степень диссоциации которых примерно одинакова, поэтому при протекании гидролиза среда раствора будет нейтральная.
Необратимый гидролизпротекает для солей, которые образованы слабым основанием и слабой кислотой. В этом случае гидролиз протекает по всем ступеням до конца, т.е. до образования слабого труднорастворимого основания и слабой кислоты. Именно гидролиз является причиной того, что водные растворы некоторых солей приготовить нельзя, например CuCO3, AI2S3 и др. Необратимо протекает гидролиз, если одновременно ввести в раствор соль, образованную тяжелым металлом, и соль, образованную слабой летучей кислотой, например,
2AICI3 +3Na2S + H2O = Al2S3 +6NaCI
Гидролиз соли Al2S3 протекает полно и необратимо, так как в продукты реакции выделяются из раствора в виде осадка и газа: Al2S3 + 6Н2О → 3Н2S↑ + 2Аl(ОН)3↓
Разбавление и нагревание растворов усиливает гидролиз солей, т.е. происходит активизация последующих ступеней гидролиза, что в конечном счете приводит к образованию слабого основания и слабой кислоты:
Пример 1. Гидролиз Fе(СНзСОО)3 на холоде протекает с образованием FеОН(СН3СОО)2, а при кипячении получается осадок Fе(ОН)2СН3СОО и даже Fе(ОН)3.
Пример 2. Если в раствор Fe2(SO4)3 добавить раствор карбоната калия, то в результате гидролиза выпадет осадок Fе(ОН)3 и будет выделяться углекислый газ.
Fe2(SO4)3 + 3К2СО3 + 3Н2О → 2Fе(ОН)3↓ + 3СО2↑ + 3K2SO4 молекулярное уравнение
2Fe+3 + 3СО32- + 3НОН = 2Fе(ОН)3↓ + 3СО2↑ сокращенное уравнение
Соль образована сильным основанием и сильной кислотой (гидролизу не подвергается). При растворении в воде нитрата калия среда раствора не меняется, т.е. остается нейтральной, рН=7.
КNО3 + H2O ↔ КОН + HNO3,
K+ + NО3− + НОН ↔ К+ + ОН− + Н+ + NО3−.
ЗАДАЧИ
107.Какая среда (щелочная, кислая или нейтральная) будет в водных растворах следующих солей: АlСl3, KNO3, CuSO4, Na2CO3, (NH4)2S? Напишите уравнения гидролиза в полной и сокращенной ионной формах, укажите рН.
108.Какие соли подвергаются гидролизу: BaCl2, Рb(NО3)2, К3РO4, Na2CO3, ZnBr2? Напишите возможные уравнения гидролиза в молекулярном и сокращенном виде, укажите рН.
109.Подвергаются ли гидролизу растворы следующих солей: NaNO3, MgS, CuI2, (NН4)2СО3? Напишите уравнения реакций в молекулярном и сокращенном виде, где это возможно.
110.Напишите уравнения гидролиза следующих солей по первой ступени в молекулярном и сокращенном виде, укажите рН: а) СuSO4, К2SO3, (СНзСОО)2Ва, (NH4)3PO4;
б) Fe(OH)2NO3, AlOHCl2, Na2HPO4.
111.Какая среда (щелочная, кислая или нейтральная) будет в водных растворах следующих cолей: А1С13, KNO2, CuSO4, Na2SО3, (NH4)2S? Ответ подтвердите соответствующими реакциями гидролиза, укажите рН.
112.Какие из солей подвергаются гидролизу: CaCl2, Рb(NО3)2, Nа3РO4, К2СО3, ZnBr2?
Напишите возможные уравнения гидролиза в сокращенном виде, укажите рН.
113.Напишите все три ступени гидролиза для раствора СrС13 (в молекулярной и ионной формах). Назовите соли.
114.Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах всех ступеней гидролиза для раствора Nа3РO4. Назовите соли, укажите рН.
115.Объясните, почему раствор К3РO4 имеет сильнощелочную среду, а раствор КН2РO4 –слабокислую?
116.Напишите уравнения всех ступеней гидролиза в молекулярной и ионной формах следующих основных солей: ВiOН(NО3)2, (CuOH)2SO4, FeOHCl, Fe(OH)2NО3. Дайте названия всем этим солям.
117.Напишите уравнения всех ступеней гидролиза в молекулярной и ионной формах следующих кислых солей: К2НРO4, NH4НСO3, Ва(НS)2, Са(НSO3)2. Назовите соли, укажите рН.
118.Укажите реакцию на индикатор водных растворов следующих солей:NH4Al(SO4)2, CuSO4, Nа2СО3. Напишите уравнения гидролиза в ионном виде, укажите рН.
119.Напишите уравнения гидролиза только тех солей, для которых реакция среды существенно не изменяется: (NН4)2СО3, MgS, AgNО3, Сr2(SO4) 3.
120.Сульфиды трехвалентных металлов подвергаются необратимому гидролизу. Как протекает гидролиз Сг2S3?
121.При смешивании растворов AgNО3 и К2СО3 выделяется газ и выпадает осадок Ag2О. Напишите соответствующие уравнения реакций.
122.При смешивании растворов Cr2(SO4)3 и Na2S образуется осадок Сr(ОН)3. Напишите соответствующие уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.
123.Составьте ионные и молекулярные уравнения реакций, протекающих при смешивании растворов:
а) Аl2(SO4) 3 и Na2CO3; б) Fе(NО3)3 и K2S; в) СrСl3 и К2СО3, учитывая, что гидролиз доходит до конца.
124.Какие соли подвергаются гидролизу:хлорид калия, сульфит калия, хлорид цинка, нитрат кальция, нитрит кальция? Укажите рН
125.В какой цвет будет окрашен лакмус в водных растворах CuSO4, К2СО3, CaS, NаNО3, K2S, ZnCl2, NaCN?
126.Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций гидролиза солей: Fе2(SO4) 3, FеС13,
Zn(NО3)2. ZnSO4, NH4Cl, MgSO4. Укажите как можно усилить или ослабить гидролиз.
127.Выберите ряд, в котором все соли подвергаются гидролизу: a)MgCl2, Na3PO4, К2SО3;
б) Мg(NО3)2, Ba(NО3)2, NaCI; в) KBr, K2S, Сu(NО3)2.
128.Напишите в молекулярной форме уравнения гидролиза к каждому из ионных уравнений:
а) Сr3+ + H2O↔ (CrOH)2+ + H+ 6).S2− + H2O ↔ (HS) − + OH−
129.Какие из приведенных ниже солей гидролизуются? Для каждой из гидролизующихся солей напишите в молекулярно-ионной форме уравнение гидролиза и укажите реакцию водного раствора соли: a) NaBr; б) KNO2; в) HCOONH4; г) KI; д) СНзСООК; е)Ca(CN)2; ж) Ca(NO2)2; з) Ва(СНзСОО)2; и) (NH4)SО4. Укажите рН