Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Растворы. Гидролиз солей. жесткость ВОДЫ.

Поиск

Истинные растворы, которые Вам предстоит изучить, принадлежат к высокодисперсным системам. Кроме них существуют низкодисперсные системы типа суспензий и эмульсий и коллоидные системы (золи), занимающие промежуточное положение между ними по степени дисперсности.

Благодаря своим особым свойствам и характеристикам (адсорбция, поверхностное натяжение, коагуляция и др) дисперсные системы представляют большой практический интерес.

Обращение к изучению истинных растворов связано прежде всего с тем, что физико-химические свойства веществ зависят не только от их структуры, термодинамических и кинетических условий, но и характера среды реакции - неэлектролитов и электролитов. Тип раствора и является предмет изучения данной темы.

Физико-химическая природапроцесса растворения (ключевое понятие) включает в себя как диффузию (физическая часть), так и сольватацию (химическая часть), последняя преобладает в электролитах.

Диффузия лежит в основе фазового перехода, характеризуемого величинами ∆Hф.п. и ∆Sф.п. (в случае электролита добавляется еще ∆Hсольв. и ∆Sсольв.). Именно от их сочетания

(∆G=∆H-T∆S) зависит растворимость веществ. Законы же Рауля объясняют такие физические свойства веществ в растворах, как повышение температуры кипения (∆tкип) и понижение температуры замерзания (∆tзам) по сравнению с чистыми веществами.

В свою очередь сольватация (гидратация) является причиной процесса электролитической диссоциации веществ, характеризуемого величиной константы диссоциации (Кд). Применительно к диссоциации воды Кд превращается в ионное произведение воды () и затем в pH (водородный показатель).

Таким образом, в растворе вода может быть или просто реакционной средой, или реагентом. В первом случае она изменяет в основном физические свойства веществ (агрегатное состояние, растворимость, tкип, tзам). Во втором - физико-химические свойства (реакционная способность, кислотные, основные, окислительно-восстановительные, электрические).

Применяя рассматриваемые выше общие закономерности протекания химических реакций, следует учитывать роль среды как дополнительного фактора, влияющего на ход процесса.

В этой связи давайте обратимся к растворам и, прежде всего, водным, так как вода является наиболее распространенным компонентом растворов и обладает поистине уникальными свойствами.

Нельзя не заметить, что подавляющее большинство легко доступных материалов являются растворами или гетерогенными смесями, а не чистыми веществами или соединениями. Так, например, чистый атмосферный воздух - раствор, в котором кислород составляет около 1/5 части.

Повсеместность распространения растворов обусловлена самопроизвольным протеканием процессов растворения (∆G < 0) за счет увеличения энтропии в результате смешивания частиц. Изучая растворы, следует помнить о физико-химическойприроде происхождения растворов, знать основные признаки истинных растворов.

Изучая термодинамику процесса растворения, необходимо учитывать как его физическую сторону (фазовый переход, диффузия), так и химическую (сольватация). При этом следует помнить, что сольватация (гидратация) всегда является экзотермическим процессом (∆Hсольв.<0) и сопровождается уменьшением энтропии (∆Sсольв.<0).

Известно, что существуют растворы неэлектролитов и электролитов. Изучая неэлектролиты, следует знать основные свойства их разбавленных растворов такие, как давление насыщенного пара, температуры кипения и замерзания (законы Рауля)

При изучении электролитов, следует обратить внимание на их важнейшую характеристику - силу электролита, оцениваемую величинами степени диссоциации (a) и константы диссоциации (Кд) 1. При этом необходимо иметь в виду, что сильные электролиты диссоциируют практически нацело ( G<<0, Кд≥1), а слабые – незначительно ( G>0, Кд<1), причем ступенчато (Кд 1> Кд 2> Кд 3)2. Следствием этого является тот важный факт, что реакции в растворах протекают между ионами. Известно, что сильные электролиты существуют преимущественно в виде ионов, а слабые - в виде недиссоциированных молекул.

Изучая слабые электролиты, не забывайте и об амфотерных - диссоциирующих двояко (по кислотному и основному типу). Это имеет большое практическое значение (например, алюминиевые конструкции устойчивы только в нейтральной среде).

Ярким примером такого амфотерного электролита является и вода, диссоциация которой количественно характеризуется постоянной величиной ионного произведения воды 3

=10-14). Эта константа дает возможность определить среду раствора (нейтральную, кислую, щелочную) через величину водородного показателя pH4.

Эта величина приобретает особое значение при изучении явления гидролиза 5 как особого типа ионообменных реакций в растворах3

Глубина протекания данного процесса количественно оценивается величиной константы гидролиза К г.

Вода играет столь большую роль в природе, технике и технологических процессах, что изучение ее свойств и поведения является совершенно необходимым для будущего инженера. Достаточно вспомнить, что почти ¾ поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере, а также в виде огромных масс снега и льда.

Широкое распространение воды и ее значение объясняется особыми свойствами, резко отличающими воду от других веществ.

Известно, что вода является хорошим растворителем вследствие высокой полярности ее молекул (µ=1,84 Д). Самопроизвольно протекающие реакции гидратации (∆Нгидр<0,∆Gp<0) служат тому доказательством

А в реакциях гидролиза солей вода является основным сореагентом

Вода обладает также каталитической способностью. Только в присутствии воды протекают процессы электролитической диссоциации (ионные реакции идут только в растворах). В отсутствии следов влаги не протекают многие химические реакции, например, фтороводород HF не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха и т.п.

Весь этот комплекс физических и химических свойств воды обуславливает ее огромную роль и в природе, и в технике. Использование воды в технике многосторонне. Вода используется не только как реагент или катализатор некоторых производств, но и как рабочая среда - ведь без снабжения водой не может работать ни одна отрасль народного хозяйства.

1 Кд есть величина Кр для процесса диссоциации слабых электролитов, так как этот процесс обратим (к нему применим принцип Ле-Шателье).

2Чем больше Кд, тем больше ионов в растворе слабого электролита.

3Зависит только от температуры и не зависит от состава раствора.

4pH = - lg[H+] вводится из-за удобства пользования логарифмической шкалой.

5Гидролиз соли - процесс обменного взаимодействия ее с молекулами воды, сопровождающийся изменением pH раствора. Не забывайте, что в холодных и умеренно концентрированных растворах гидролиз практически ограничивается первой стадией.

Рассматривая роль воды в технике, имейте в виду, что природная вода не бывает совершенно чистой, а всегда содержит некоторое количество растворенных и взвешенных веществ органического и минерального происхождения. Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой, в отличие от мягкой воды, например, дождевой. Суммарное содержание этих солей в воде называется ее общей жесткостью, которая подразделяется на карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную). Первая из них обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция, магния, вторая - присутствием солей сильных кислот - сульфатов, хлоридов кальция и магния.

Присутствие в воде значительного количества солей кальция и магния делает воду непригодной для многих технических целей, в частности, для охлаждения. А при продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотным слоем накипи. Такой слой даже при толщине 1 см сильно понижает передачу теплоты стенками котла, что ведет к увеличению расхода топлива. Все это требует очистки воды от примесей. В частности, удаление солей кальция и магния, т.е. умягчение воды входит в систему водоподготовки - обработки природной воды.

В ходе водоподготовки воду освобождают от грубодисперсных и коллоидных примесей и от растворенных веществ.

Кроме указанных на схеме методов (кипячение, обработка Na2CO3, NaOH, Na3PO4 и др.) для умягчения воды применяют методы осаждения и ионного обмена - катионирования, а для биологической очистки используется озонирование. Применение ионного обмена исключительно многообразно. С помощью ионитов можно извлечь из производственных растворов многие металлы и их соли, уходившие ранее вместе со сточными водами безвозвратно (Ag, Au, Pt, Ni, Zn, Mo и др).

Для очистки естественных и сточных вод в настоящее время широко используется также явление взаимной коагуляции коллоидов. Коагуляция коллоидов коллоидами играет большую роль и в почвенных процессах.

С очисткой воды тесно связаны вопросы создания безотходных производств, составляющих одно из важных звеньев общей экологической проблемы. Со всем этим непременно должен быть знаком квалифицированный инженер.

 

Пример 1. Составьте ионно-молекулярные и молекуляр­ные уравнения гидролиза солей: a) KCN, б) Nа2СО3, в) ZnSО4. Определите реакцию среды растворов этих солей.

Решение: а) Цианид калия KCN - соль слабой одноосновной кисло­ты HCN и сильного основания КОН. При растворении в воде молекулы KCN полностью диссоциируют на катионы К+ и анионы CN-. Катионы К+ не могут связывать ионы ОН- воды, так как КОН — сильный электролит. Анионы CN- связывают ионы Н+ воды, образуя молекулы слабого элект­ролита HCN. Соль гидролизуется, как говорят, по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:

CN- + Н2О Û HCN + ОН-,

или в молекулярной форме:

KCN + H2O Û HCN + KOH

В результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионов ОН-, поэтому раствор KCN имеет щелочную реакцию (pH>7).

б) Карбонат натрия Na23 - соль слабой многоосновной кислоты и сильного основания. В этом случае анионы СО32-, связывая водородные ионы воды, образуют анионы кислой соли НСО3-, а не молекулы Н2СО3, так как ионы НСО3- диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Н2СО3. В обыч­ных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

СО32- + Н2О Û НСО3- + ОН-,

или в молекулярной форме

Na23 + H2O Û NaHCO3 + NaOH

В растворе появляется избыток ионов ОН-, поэтому раствор Na2CO3 имеет щелочную реакцию (рН> 7).

в) Сульфат цинка ZnSО4 - соль слабого многоосновного основания Zn(OH)2 и сильной кислоты H2SO4. В этом случае Zn2+ связывают гидроксидные ионы воды, образуя катионы основной соли ZnOH+. Образование молекул Zn(OH)2 не происходит, так как ионы ZnOН+ диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Zn(OH)2. В обычных условиях гидро­лиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по катиону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

Zn2+ + H2O Û ZnOH+ + Н+,

или в молекулярной форме

2ZnSО4 + 2H2O Û (ZnOH)24 + H24.

В растворе появляется избыток ионов водорода, поэтому ра­створ ZnSО4 имеет кислотную реакцию (рН<7).

 

Пример 2. Давление насыщенного пара водного раствора, содержащего нелетучее растворенное вещество, на 2% ниже давления пара чистой воды. Определите моляльность раствора.

Решение. Зависимость давления насыщенного пара над раствором твердых веществ в жидких растворителях от концентрации выражается законом Рауля:

где - давление пара над чистым растворителем; Рi – давление пара над раствором данной концентрации; - относительное понижение давления насыщенного пара; n2 – число молей растворенного вещества; n1 – число молей растворителя; х2 – мольная доля растворенного вещества.

Приняв за 100 давление пара чистого растворителя и подставив 98 вместо Рi, получим х2 =0,02.

Моляльность раствора m – это количество растворенного вещества (моль) на 1 кг растворителя: х2=n2/(n1+n2),

где n1 – число молей воды в 1 кг: n1 =1000/18=55,56, n2=m. После подстановки значений получаем 0,02= m /(55,56+ m), откуда m =1,134.

Пример 3. Рассчитайте общую жесткость воды (в мг-экв/л), если в 0,25 л воды содержится 16,20 мг гидрокарбоната кальция, 2,92 мг гидрокарбоната магния, 11,10 мг хлорида кальция и 9,50 мг хлорида магния.

Решение. Жесткость воды Ж выражается в миллиграмм-эквивалентах двухзарядных катионов металлов Ca2+, Mg2+, Fe2+ и других или соответствующих им солей, содержащихся в 1 л воды:

Ж = m1/(Э1V) + m2/(Э2V) + m3/(Э3V) + …,

где m1, m2, m3 – содержание в воде двухзарядных катионов металлов (или соответствующих им солей), мг; Э1, Э2, Э3 – эквиваленты катионов металлов (или соответствующих им солей); V – объем воды, л.

Определяем эквивалентные массы солей, обусловливающих жесткость воды:

для Са(НСО3)2 Э = М/2 = 162,11/2 = 81,05 г/моль;

для Mg(HCO3)2 Э = М/2 = 146,34/2 = 73,17 г/моль;

для CaCl2 Э = М/2 = 110,99/2 = 55,49 г/моль;

для MgCl2 Э = М/2 = 95,21/2 = 47,60 г/моль.

Общая жесткость данного образца воды равна сумме временной и постоянной жесткости и обусловливается содержанием в ней солей, придающих ей жесткость; она равна:

Жобщ = 16,20/(81,05·0,25) + 2,92/(73,17·0,25) + 11,10/(55,49·0,25) + 9,50/(47,60·0,25) = 0,80 + 0,16 + 0,80 + 0,80 = 2,56 мг-экв/л.

Пример 4. Какое количество извести необходимо для умягчения 1м3 воды, если временную жесткость воды нужно понизить с 6 до 2 мг·экв/л.

Решение. При решении задачи используем закон эквивалентов. Если жесткость воды нужно понизить на 4 мг·экв/л, то извести нужно добавить 4 мг·экв/л ( =74/2=37). Для 1м3 воды (1000л) нужно следующее количество извести: 4·37·1000=148000 мг = 148 г.

Контрольные вопросы.

91. Укажите, какое из веществ каждой пары лучше диссоциирует в водном растворе. Ответ мотивируйте:

а) H2S или H2Se;

б) H2S или HCl;

в) HBr или HF.

92. Какой раствор будет более щелочным: Na2SO3 или Na2SiO3? Где глубже протекает гидролиз? Почему?

93. Рассчитайте концентрацию ионов водорода в 0,1 М растворе уксусной кислоты СН3СООН, константа диссоциации которой равна 1,75×10-5.

94. Концентрация ионов водорода в растворе равна 5·10-2 моль/л. Определите рН раствора и концентрацию гидроксид ионов.

95. рН раствора равен 12. Рассчитайте концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов.

96. Дайте теоретическое обоснование высокой растворяющей способности воды.

97. Какую жесткость называют карбонатной, некарбонатной, общей? Как можно устранить карбонатную, некарбонатную жесткость? Напишите уравнения соответствующих реакций.

98. В 1 л воды содержится 40,7 мг-ион Са2+ и 37,4 мг-ион Mg2+. Чему равна жесткость этой воды?

99. К 1 м3 жесткой воды прибавили 132,5 г карбоната натрия. На сколько миллиграмм - эквивалентов понизилась жесткость?

100. Приведите по крайней мере пять характеристик воды, которые объясняют ее широкое использование в качестве растворителя электролитов.

101. Укажите наиболее характерные примеси в водопроводной воде. Предложите возможные способы обнаружения этих примесей. Возможно ли их разделение?

102. Рассчитайте, сколько должна весить накипь, выпавшая при выпаривании 100 л воды, если жесткость обусловлена только присутствием гидрокарбоната кальция и равна 5 мг·экв/л.

103. В чем заключается механизм умягчения воды катионированием?

104. Какое агрегатное состояние типично для воды? Почему вода практически не проводит электрический ток? Ответы обоснуйте.

105. Опишите соответствующие равновесия с водой следующих веществ: KCN; CH3COOH.

Приведите выражения их констант. Как они называются?

106. Раствор ацетата натрия в присутствии фенолфталеина бесцветен. Однако при нагревании он приобретает розовую окраску. Объясните это, исходя из суммарных реакций, происходящих в растворе ацетата.

107. По каким критериям можно отличить чистое вещество от раствора?

108. Константа равновесия реакции

CH3COONa + HCN = CH3COOH + NaCN

равна 2,6·10-5. Какая из кислот слабее (уксусная или синильная)? Ответ мотивируйте.

109. На чем основано применение антифризов в автомобилях?

110. К раствору Nа2СО3 добавили cледующие вещества:

а) НСl, б) NaOH, в) Сu(NO3)2, г) K2S. В каких случаях гидролиз карбоната натрия усилится? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

111. К раствору А12(SO4)3 добавили следующие вещества:

a) H2SO4, б) КОН, в) Na2SO3, г) ZnSO4. В каких случаях гидролиз сульфата алюминия усилится? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

112. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: FeCl3 или FeCl2? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

113. Какая из двух солей при равных условиях в боль­шей степени подвергается гидролизу: NaCN или NaClO? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

114. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: MgCl2 или ZnCl2? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

115. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: Na2CO3 или Na2SO3? По­чему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные урав­нения гидролиза этих солей.

116. К раствору FeCl3, добавили следующие вещества: а) НС1, б) КОН, в) ZnCl2, г) Na2CO3. В каких случаях гид­ролиз хлорида железа (III) усилится? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

117. По формулам солей CsNO3, BiCl3, К2Сr2О7 предска­жите реакцию среды этих растворов (рН). Составьте моле­кулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза BiCl3 и К2Сr2O7.

118. Присутствие каких солей обусловливает жесткость природной воды? Как можно устранить карбонатную и некарбонатную жесткость воды? Рассчитайте сколько граммов Са(НСО3)2 содержится в 1м3 воды, жесткость которой равна 3 мг-экв/л.

119. Определите карбонатную жесткость воды, в 1л которой содержится по 100 мг Са(НСО3)2, Mg(HCO3)2 и Fe(HCO3)2.

120. Сколько гашеной извести необходимо прибавить к 1 м3 воды, чтобы устранить ее временную жесткость, равную 7,2 мг-экв/л?



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-12-10; просмотров: 373; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.191.91.15 (0.008 с.)