Методические указания к разделу 1.

Первоначальная задача при исследовании любого материала – его качественный анализ на содержание наиболее распространенных неорганических ионов, поскольку знание элементного состава исследуемого материала и степеней окисления присутствующих элементов во многом определяет его структуру и свойства.

В химическом анализе для выявления присутствия-отсутствия веществ используют химические реакции. Для качественного химического анализа пригодна далеко не каждая химическая реакция, а лишь те из них, которые сопровождаются заметным, характерным для определенного вещества, изменением реакционной смеси – аналитическим эффектом. Аналитическим эффектом может быть появление (или исчезновение) осадка, окраски, выделение газов, способность экстрагироваться несмешивающимися с водой растворителем, характерной окраской пламени при внесении в него испытуемой пробы и т.п. Все реакции, которые сопровождаются заметным изменением реакционной смеси, могут быть использованы для качественного анализа и в этом случае названы аналитическими. Кроме ярко выраженного аналитического эффекта аналитическая реакция, применяемая в качественном анализе, должна обладать высокой чувствительностью и характеризоваться достаточной селективностью.

Реактивы, используемые для разделения изучаемых ионов на аналитические группы, называют групповыми реагентами, а реактивы (и соответственно, реакции), применяемые для открытия отдельных ионов, - характерными.

Рассмотрите кислотно-основную классификацию катионов и аналитическую классификацию анионов. Изучите и запишите характерные реакции на приведенные в программе катионы и анионы. Установите, какая из реакций на данный ион является более чувствительной и специфичной.

Из темы 1.4 необходимо усвоить следующее.

Ионное произведение воды: [Н⁺] [ОН־] = 10^-14

При вычислении рН растворов сильных кислот и оснований (К_дис>10^-2) исходят из предположения, что они полностью диссоциируют на ионы. Поэтому считают, что в растворе сильной кислоты концентрация ионов Н⁺ равна исходной молярной концентрации эквивалентных частиц этой кислоты.

[Н⁺] = С_кисл = С(НХ), где НХ – сильная кислота

рН = - lg [Н⁺] = - lg С_кисл = - lg С(НХ)

В растворе сильного одноосновного основания концентрация ионов ОН־ равна исходной молярной концентрации эквивалентных частиц этого основания

[OH־] = С_осн = С(КtОН), где КtОН сильное основание,

рОН = - lg [ОН־] = - lgС_осн = - lgС(КtОН); рН = 14-рОН

Слабые кислоты и слабые основания в растворах диссоциируют не полностью. Как следствие этого, концентрация ионов водорода в растворах таких кислот всегда меньше исходной молярной концентрации эквивалентных частиц.

[Н⁺] =

Концентрация ионов гидроксида в растворах слабых оснований всегда меньше исходной молярной концентрации его эквивалентных частиц.

[OH־] =

Многоосновные кислоты и основание в водном растворе диссоциируют ступенчато. Диссоциация по каждой последующей ступени происходит в меньшей степени, чем по предыдущей. Как, правило, учитывают только первые две ступени диссоциации. Диссоциацией и образованием Н⁺ или ОН־ на последующих ступенях пренебрегают.

Буферными являются растворы, поддерживающие практически постоянное значение рН при добавлении и концентрировании в системе.

рН буферных растворов:

- сопряженной пары кислоты основание типа НА/А־ (например, СН₃СООН и СН₃СООNа):

рН = рКа + lg , где рКа = - lgКа

Ка – константа диссоциации слабой кислоты;

С(Аn־) – концентрация сопряженного основания, т.е. анионов;

С(НАn) – концентрация слабой кислоты.

- сопряженной пары основание кислота типа В/ВН⁺ (например, NН₃Н²О и NН₄Cl):

рОН = рКв + lg, где Кв = - lgКв

рН = 14 – рОН = 14 – рКв + lg

Кв – константа диссоциации слабого основания;

С(В) – концентрация сопряженной кислоты;

С(ВН⁺) – концентрация слабого основания.

Примерные решения задач к разделу 1

Пример 1.Рассчитать рН водного раствора хлорной кислоты с концентрацией 0,05 моль/л

Решение:

[Н⁺] = С_НClО = 0,05 моль/л

рН = lg [Н⁺] = - lg 0,05 = 1,3

Пример 2. Рассчитать рН водного раствора гидроксида натрия с концентрацией 0,032 моль/л

Решение:

[ОН־] = С_NaOH = 0,32 моль/л

рОН = - lg [ОН־] = - lg 0,032 = 1,49

рН = 14 – 1,49 = 12,51

Пример 3. Определить рН 0,1 н.NН₄ОН

Решение:

NН₄ОН – слабое основание. К_{NН ОН} = 1,79·10^-5

[ОН־] = = = 1,34·10^-3

рОН = - lg [ОН־] = - lg 1,34·10^-3 = 2,87

рН = 14 – рОН = 14 – 2,87 = 11,13

Пример 4. Рассчитать рН раствора, содержащего 0,12 М уксусной кислоты и 0,095 М ацетата натрия. Ка(СН₃СООН) = 1,74·10^-5

Решение: Поскольку уксусная кислота является слабой, то можно считать, что исходные и равновесные концентрации кислоты СН₃СООН и ее соли СН₃СООNa равны. Тогда

рН = рКа + lg = - lg 1,74·10^-5 + lg = 4,66

Пример 5.Рассчитать рН раствора, содержащего 0,12 М пиридина и 0,095 М хлорида пиридиния Кв(С₆Н₅N) = 1,5·10^-9

Решение:

рН = 14 – рОН = 14 – рКв + lg = 14 – 8,82 + lg = 5,28

Вопросы для самоконтроля:

1. Объясните сущность методов качественного анализа.

2. Перечислите требования, предъявляемые к методам качественного анализа.

3. Дайте определения понятиям: чувствительность, специфичность, реакции обнаружения ионов.

4. Изложите сущность аналитической классификации катионов.

5. Назовите групповые реагенты.

6. Составьте уравнения реакций на наиболее распространенные катионы.

7. Изложите общие принципы аналитической классификации анионов.

8. Назовите групповые реагента.

9. Составьте уравнения реакций на наиболее распространенные анионы.

10. Запишите формулы для расчета рН сильных кислот, сильных оснований, слабых кислот, слабых оснований.

11. Охарактеризуйте буферные смеси и раскройте их значение в регулировании рН растворов.