Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН)

Вода является слабым электролитом и диссоциирует по уравнению: H₂O ó H⁺ + OH^-. Выражение для

константы диссоциации имеет вид: К_дис = [H⁺]_рав [OH^-]_рав =1,8 10^-16

[H₂O ]_рав.

Значение К_дис воды определили экспериментально по измерению удельной электропроводности при Т = 25 ^оС. Чистая вода практически не проводит электрический ток, т.е. ά_дис(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):

С_м(H₂O) = m (H₂O) = 1000 г = 55,6 моль/ л.

M (H₂O) _* V (H₂O) 18 г/моль_* 1 л

Подставим полученное значение С_м(H₂O) в уравнение для К_рав::

К_{рав *} 55,6 = К_w = [H⁺] [OH^-] = 10^-14, где К_w – 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 1 Рассчитайте 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 C_M (H⁺), где C_M (H⁺) = n (H⁺) _* άдис _* C_M (кислоты).

Рассчитаем C_M (кислоты) = 0,245 / 98 _* 0,5 = 0,05 моль/л

Тогда рН = -lg (1 _* 2 _* 0,05) = -lg 0,1 = 1.

Пример 2 Рассчитайте 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 _*C_M (КОН)).

Рассчитаем C_M (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 SO₃^2- + 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.

СН₃СОО К + H₂O ↔ КОН + СН₃ООН молекулярное уравнение

К⁺ + СН₃СОО⁻ + НОН ↔ K⁺ + ОН⁻ + СН₃СООН полное ионное уравнение

СН₃СОО⁻ + Н ОН ↔ ОН⁻ + СН₃СООН сокращенное ионное уравнение

Гидролиз соли Na₂ S 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 гидролиз протекает 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,

2 AI CI₃ +3Na₂ S + 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 + 3СО₃^2- + 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, CuSO_4, 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)SО_4. Укажите рН