Химическое равновесие в растворах электролитов

 

Контрольные вопросы и задачи

1. Растворимость веществ в воде. Способы выражения концентраций растворов.

2. Диссоциация и ионизация электролитов. Привести примеры. Степень диссоциации и константа диссоциации слабых электролитов. Закон разбавления Оствальда. Водородный показатель (рН среды).

3. Растворы неэлектролитов. Законы Рауля. Понятие об осмосе.

4. Вычислите массу хлорида аммония, содержащегося в 405 г насыщенного при 15⁰С раствора. Растворимость соли при этой температуре равна 35 г в 100 г воды.

5. В 50 г насыщенного при 40⁰С раствора содержится 6,5 г сульфата калия. Вычислите растворимость этой соли.

6. Вычислите массовую долю и молярную концентрацию гидроксида натрия, если в 450 раствора содержится 4 г щелочи (r = 1,04 г/см³).

7. Смешали 2 л раствора серной кислоты (w = 60% и r = 1,5 г/см³) и 3 л раствора этой кислоты (w = 14% и r = 1,1 г/см³). Вычислите массовую долю кислоты в полученном растворе. Как приготовить такой раствор?

8. Раствор содержит смесь солей: AgNO₃, Ba(NO₃)₂, Zn(CH₃COO)₂. К нему добавили избыток серной кислоты. Запишите ионные и молекулярные уравнения возможных химических реакций.

9. Вычислите степень диссоциации и рН раствора муравьиной кислоты концентрацией 0,2 моль/л.

10. Вычислите рН раствора соляной кислоты концентрацией 0,00128 моль/л и раствора гидроксида бария такой же концентрации.

11. Образец свежеприготовленного яблочного сока имеет рН = 3,76. Вычислите концентрацию ионов водорода в растворе.

12. При растворении 0,1 моль неэлектролита в 5 л воды температура кипения раствора повысилась на 0,016⁰С. Вычислите молярную массу растворенного вещества (эбулиоскопическая константа для воды Кэб = 0,52⁰С).

13. В 1,5 л воды растворили 60 г неэлектролита. Раствор замерзает при температуре -1,86⁰С. Вычислите молярную массу растворенного вещества.

14. В 1 л раствора содержится 0,01 моль хлорида натрия. Осмотическое давление этого раствора при 0⁰С равно 4,33.10⁴Па. Во сколько раз оно отличается от осмотического давления раствора сахара той же концентрации и при той же температуре? Чем объясняется это отличие?

15. Какую массу воды следует прибавить к раствору гидроксида калия массой 150 г с массовой долей 2 %, чтобы получить раствор с массовой долей 1%?

16. Какой объем соляной кислоты (w=36%, р=1.17 г/мл) необходим для приготовления 10 л раствора концентрацией 1 моль/л.

Примеры выполнения заданий.

Пример 1. Растворимость нитрата калия при 60⁰С равна 110 г, а при 0⁰С - 15 г. Вычислите массу соли, которая выпадет в осадок, если 840 г насыщенного при 60⁰С раствора охладить до 0⁰С.

Решение

1. По определению растворимости 210 г раствора содержит 110 г KNO₃ при температуре 60⁰ и 115 г раствора 15 г соли при температуре 0⁰С. При охлаждениии раствора от 60⁰С до 0⁰С выпадает в осадок KNO₃.

m (KNO₃) = 210 - 115 = 95 г

2. Масса осадка соли при охлаждении 840 г раствора KNO₃:

m (KNO₃) = 840 х 95/110 = 380 г.

Ответ: При охлаждении насыщенного при 60⁰С раствора KNO₃ до 0⁰С выпадает в осадок 380 г соли.

Пример 2. Вычислите массовую долю азотной кислоты в растворе, полученном смешением 500 мл раствора HNO₃(w = 32%, r = 1,2 г/см³) и 1 л воды.

Решение

1. Масса раствора HNO₃:

m(р-ра) = 500. 1,2 = 600 г

2. Масса безводной азотной кислоты, содержащейся в растворе

m(HNO₃) = 600. 32/100 = 192 г

3. Масса раствора (2), полученного в результате смешивания:

m₂ = 600 + 1000 = 1600 г

4. w₂(HNO₃) в полученном растворе:

w₂(HNO₃) = (192:1600). 100% = 12%

Ответ. После смешивания с водой концентрация раствора азотной кислоты уменьшилась, w₂(HNO₃) = 12%.

Пример 3. Как приготовить 250 мл раствора сульфата железа (III) концентрацией 0,1 моль-экв/л? Раствор будет использован для получения гидроксида железа по реакции ионного обмена.

Решение

1. Так как раствор сульфата железа (III) будет использован для получения гидроксида железа по реакции ионного обмена, число эквивалентности (z) этой соли равно 6: Fe₂(SO₄)₃ + 6KOH =2Fe(OH)₃ + 3K₂SO₄.

2. Молярная масса вещества-эквивалента сульфата железа:

M (1/z) = M / z = 400 /6 = 67 г/ моль-экв.

3. Масса сульфата железа, необходимого для приготовления 250 мл = 0,25 л раствора:

m = C (1/z) · M (1/z) · V = 0,1 · 67 · 0,25 = 1,675 г.

4. Методика приготовления раствора: навеску сульфата железа (1,675 г) вносим в мерную колбу объемом 250 мл, растворяем в воде и объем раствора доводим до метки.

Ответ. Для приготовления 250 мл раствора сульфата железа концентрацией 0,1 моль-экв./ л 1,425 г соли следует растворить в мерной колбе объемом 250 мл.

Пример 4. Как приготовить 100 мл раствора перманганата калия концентрацией 0,2 моль-экв./л, предназначенного для изучения окислительных свойств этого вещества в кислой среде?

Решение

1. Так как раствор перманганата калия предназначен для изучения окислительных свойств этого вещества в кислой среде, число эквивалентности (z) этой соли равно 5: MnO₄^- + 8H⁺ +5e^- =Mn²⁺ + 4H₂O.

2. Молярная масса вещества-эквивалента перманганата калия:

M (1/z) = M / z = 158/ 5 = 31,6 г/ моль-экв.

3. Количество и масса перманганата калия, необходимого для приготовления 100 мл = 0,1 л раствора:

n = C (1/z)· V = 0,2· 0,1 = 0,02 моль

m = n М = 0,02 31,6 г = 0,632 г

4. Методика приготовления раствора: навеску перманганата калия (0,632 г) вносим в мерную колбу объемом 100 мл, растворяем в воде и объем раствора доводим до метки.

Ответ. Для приготовления 100 мл раствора перманганата калия концентрацией 0,2 моль-экв./ л 0,632 г соли следует растворить в мерной колбе объемом 100 мл.

Пример 5. Как приготовить 100 г насыщенного раствора роданида калия?

Решение

1. Растворимость (S) роданида калия - при 20 ^оС в 100 г воды составляет 217,5 г соли.

2. Массовая доля роданида калия в насыщенном растворе:

w = 217,5 · 100 / (217,5 + 100) = 68,5%.

3. Масса вещества и объем воды для приготовления 100 г насыщенного раствора роданида калия:

m(в-ва) = 100 · 68,5 / 100 = 68 г. m (H₂O) = 100 – 68,5 = 31,5 г;

V(H₂O) = 31,5/ 1 =31,5 мл.

4. Методика приготовления раствора: навеску соли 68,5 г растворяем в 31,5 мл воды.

Ответ. 68,5 г роданида калия растворяем в 31,5 мл воды.

Пример 6. Вычислите рН раствора синильной кислоты концентрацией 0,1 моль/л, a = 7.10^-5

Решение

1. Уравнение электролитической диссоциации синильной кислоты:

HCN = H⁺ + CN^-

2. Концентрация катионов водорода в растворе:

[H⁺] = C_HCN. a = 0,1. 7.10^-5 = 7.10^-6 моль/л

3. рН раствора синильной кислоты:

рН = -lg[H⁺] = - lg 7.10^-6 = -(-6 + lg 7) = -(-6 + 0,8451) = 5,1549» 5,15

Ответ. рН раствора синильной кислоты концентрацией 0,1 моль/л равно 5,15.

Пример 7. Вычислите концентрацию катионов водорода в растворе соляной кислоты, если рН = 4,82.

Решение

1. Уравнение электролитической диссоциации соляной кислоты:

HСl = H⁺ + Сl^-

2. Концентрация катионов водорода в растворе:

[H⁺] = antlg(-pH) = antlg (-4,82) = antlg (`5,18) = 1,54 10^-5 моль/л

Ответ. Концентрация катионов водорода в растворе соляной кислоты, имеющем рН = 4,82, равна 1,54 10^-5 моль/л.

Пример 8. Вычислите концентрацию гидроксид-ионов и рН раствора гидроксида кальция (С = 0,00128 моль/л).

Решение

1. Уравнение электролитической диссоциации гидроксида кальция:

Са(ОН)₂ = СаОН⁺ + ОН^-

СаОН⁺ = Са²⁺ + ОН^- (Кд₂ = 4,3. 10^-2)

2. Концентрация гидроксид-ионов.

В растворе, где С = 0,00128 моль/л a = 1, следовательно [OH^-] = 2. C (Ca(OH)₂) = 2. 0,00128 = 0,00256 моль/л

3. Концентрация катионов водорода:

[H⁺] [OH^-] = 10^-14

[H⁺] = 10^-14/2,56.10^-3 = 4,0 10^-11 моль/л

4. рН раствора:

рН = -lg[H⁺] = -lg 4,0 10^-11 = 10,3979» 10,4

Ответ. Концентрация гидроксид-ионов в растворе гидроксида кальция составляет 0,00256 моль/л, а рН = 10,4.

Пример 9. При 25⁰С давление насыщенного пара воды составляет 3,166 кПА (23,75 мм рт.ст.). Вычислите при той же температуре давление насыщенного пара над водным раствором мочевины (карбамид) CO(NH₂)₂ с массовой долей 5%.

Решение

1. Р = N. P₀, где

P₀ - давление насыщенного пара над чистым растворителем

P - над раствором

N - мольная доля растворенного вещества

n(моч.) = 5/60 = 0,083 моль

n(Н₂О) = 95/18 = 5,272 моль

2. Мольная доля воды:

5,272

N(H₂O) = ¾¾¾¾¾¾ =0,6985

5,272 + 0,083

Р= 0,б985. 3,166 = 3,119 кПА (23,31 мм рт.ст.)

Ответ. Р = 3.119 кПА

Пример 10. Вычислите, при какой температуре должен кристаллизовать- ся (замерзать) раствор, содержащий 250 г H₂O и 54 г глюкозы (М(C₆H₁₂O₆) = 180 г/моль).

Решение

1. Моляльность растворы глюкозы:

 

n. 1000 54 1000

Сm = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 1,2 моль/кг

m (р-ля) 180 250

 

2. DТкрист_. = К. m, где

DТкрист_. - понижение температуры кристаллизации раствора

m - моляльная концентрация раствора

К – криоскопическая константа, которая показывает, на сколько градусов понизилась бы температура замерзания раствора, если бы в 1 кг был растворен 1 моль в-ва

К (Н₂О) = 1,86

DТкрист_. = 1,86. 1,2 = 2,23⁰С.

Ответ. раствор будет кристаллизоваться при температуре -2,23⁰С (0⁰С - кристаллизация воды).

Пример 11. Раствор, содержащий 8 г. некоторого вещества в 100 г диэтилового эфира, кипит при 36,86⁰С, чистый эфир кипит при 35,6⁰С. Вычислите молярную массу растворенного вещества. Эбулиоскопическая константа (Е) эфира равна 2,02.

Решение

1. D tкип. = 36,86 - 35,6 = 1,26⁰С

2. D Ткип. = Е. Сm, Þ Сm = D Ткип./Е = 1,26/2,02 = 0,624 моль/кг

 

m. 1000

Сm = ¾¾¾¾¾

m (р-ля) M

 

m. 1000 8 1000

М = ¾¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾ = 128,2 г/моль

Cm. m (р-ля) 0,624. 100

 

Ответ. М = 128,2 г/моль.

Пример12. При какой температуре будет кипеть раствор сахарозы с массовой долей 50%? (М = 342 г/моль, E_H2O = 0,516).

Решение

n. 1000

1. Сm = ¾¾¾¾¾

М (р-ля)

В 100 г р-ра содержится 50 г сахарозы и 50 г воды

n сах. = 50/342 = 0,146 моль

 

0,146. 1000

Сm = ¾¾¾¾¾ = 2,92 моль/кг

 

2. D Ткип. = Е. Сm = 0,516. 2,92 = 1,506, т.е. раствор кипит при температуре: 100⁰ + 1,506⁰ = 101,5⁰С.

Ответ. Ткип.= 101,5⁰С

Пример13. Вычислите массу сахарозы, которую надо добавить к 100 г воды, чтобы

а) понизить температуру кристаллизации на 1⁰;

б) повысить температуру кипения на 1⁰.

Решение

а) DТзам. = К. Сm = 1 (по условию задачи)

К_H2O = 1,85; Сm = 1/1,85 = 0,54 моль/кг

 

m. 1000

Сm = ¾¾¾¾¾, откуда

m (р-ля) M

 

m(сах.) = 0,54. 342. 100/1000 = 18,4 г

 

б)DТкип.= Е. Сm = 1(по условию задачи)

Е = 0,516 Сm = 1/0,516 = 1,94 моль/кг

 

m. 1000

Сm = ¾¾¾¾¾, откуда

M (р-ля) M

 

Сm. M. m(р-ля) 1,94. 342. 100

m(сах.) = ¾¾¾¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾ = 66,3 г.

1000 1000

Ответ. Для понижения температуры кристаллизации раствора сахарозы на 1^о, к 100 г воды надо добавить 18,4 г этого вещества; для повышения температуры кипения раствора на 1^о, к 100 г воды надо добавить 66,3 г этого вещества.

Пример14. Вычислите при t = 20⁰С осмотическое давление гематина (красящего вещества крови), если в 100 мл раствора этого вещества содержится 6,33 г гематина (М = 633 г/моль).

Решение

Росм. = CRT

С = 6,33/633 = 0,1 г/моль

Росм. = 0,1. 8,31. 293 = 243,4 кПА

Ответ. Росм. = 243,4 кПА.

Пример 15. При 25⁰С осмотическое давление раствора, содержащего 2,8 г в-ва в 200 мл раствора, равно 0,7 кПА. Вычислите молярную массу растворенного вещества.

Решение

1. Росм. = CRT

С = Росм./RT = 0,7/8,31. 298 = 0,000283 моль/л

2. С = n/V = m/M. V, откуда

M = m/C. V = 2,8. 1000/0,000283. 200 = 49500 г/моль.

Ответ. М = 49500 г/моль.