Ионное произведение воды. Водородный показатель

 

Вода слабый электролит, но некоторая часть молекул ионизируется

.

Для обратимого процесса запишем константу диссоциации:

,

где [H⁺] и [OН^–] – концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов;
К_Д – константа диссоциации воды, при 22 °С равна 1,8×10^–16; [H₂O] – концентрация недиссоциированных молекул воды.

Вода диссоциирует очень мало, то концентрацию можно считать величиной постоянной (численное значение равно 55,56 моль/л), тогда

;

,

где К_W – ионное произведение воды.

Произведение концентраций ионов водорода и гироксид-ионов называется ионным произведением воды и численно равно 1 · 10^–14 при 22 ° С.

Ионное произведение воды – величина постоянная не только для воды, но и для водных растворов. С изменением температуры К_W меняется.

При комнатной температуре в чистой воде , тогда растворы, в которых , называются нейтральными.

В кислых растворах , в щелочных наоборот. Зная концентрацию одного из ионов воды, можно рассчитать концентрацию второго иона ; . Таким образом, реакция среды любого водного раствора может быть количественно охарактеризована концентрацией одного из ионов. Так, для растворов:

● нейтрального ;

● кислого      ;

● щелочного

На практике вместо концентрации ионов водорода используют функцию от этой величины, называемой водородным показателем, или рН. рН – это десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком:

 

.                                       (9.6)

 

Аналогично концентрацию ОН^–-ионов можно выразить через показатель рОН.

 

.                                         (9.7)

 

В нейтральных растворах рН = 7, в кислых рН < 7, в щелочных рН > 7.

 

14 = рН + роН.                                      (6.8)

 

Примеры решения задач

 

Пример 1. Реакция протекает по уравнению:

ЗВа²⁺ + 2РО₄^3– = Ва₃(РO₄)₂↓.

Напишите два разных уравнения в молекулярной форме, соответствующих этой реакции.

Решение. К ионам в левой части исходного уравнения допишем ионы с противоположным значением заряда с таким коэффициентом, чтобы можно было составить формулы веществ. При этом учитываем, что исходные вещества должны быть достаточно хорошо растворимы в воде. Затем те же ионы с теми же коэффициентами пишем в правой части уравнения:

3Ва²⁺ + 2РО₄^3– = Ва₃(РО₄)₂↓;

6Cl^– + 6Н⁺ = 6Сl^– + 6Н⁺.

Объединяя ионы обоих равенств в молекулы, получим уравнение реакции в молекулярной форме:

3ВаСl₂ + 2Н₃РО₄ = Ва₃(РО₄)↓ + 6НСl.

Аналогично подбираем и другие ионы:

3Ва²⁺ + 2РО₄^3– = Ва₃(РО₄)₂↓;

6NO₃^– + 6Na⁺ = 6NО₃^– + 6Na⁺.

Получаем второе уравнение в молекулярной форме:

3Ba(NO₃)₂ + 2Nа₃РО₄ = Ва₃(РО₄)₂↓+ 6NaNO₃.

Пример 2. Вычислить ионную силу электролита и активность ионов в растворе, содержащем 0,01 моль/л MgSO₄ и 0,01 моль/л MgCl₂.

Решение. Запишем уравнение диссоциации солей:

;                              ;

Из уравнений в растворе находятся ионы .

Определим ионную силу электролита по уравнению (9.2), учитывая все ионы, находящиеся в растворе:

Коэффициент активности определяем по формуле –lgf = 0,502 z²(I)^1/2

Для ионов : ; f = 0,3;

для ионов : ; f = 0,3;

для ионов : ; f = 0,74.

Находим активность (моль/дм³) по формуле (9.1):       

, , .

Пример 3. Вычислить концентрацию ионов в растворе:
а) 0,1 моль/дм³  a = 1; б) 0,1 моль/дм³ , .

Решение. Запишем уравнения электролитической диссоциации с учетом того, что раствор серной кислоты является сильным электролитом, а угольной слабым.

а) , концентрацию моль/дм³ ионов в сильном электролите можно рассчитать по формуле (9.3): ; ;

б) , концентрацию моль/дм³ ионов в слабом электролите можно рассчитать по формуле (9.5): .

 

Пример 4. Вычислить концентрацию ионов водорода моль/дм³ в растворе с рН = 3.

Решение. По формуле (9.6):  моль/дм³.

 

Пример 5. Вычислите молярную концентрацию раствора КОН, если рН = 12.

Решение. Запишем уравнение диссоциации с учетом того, что это сильный электролит: . Концентрация ионов  численно равна концентрации электролита, из уравнения из 1 моль КОН образуется 1 моль .

Определяет концентрацию ионов  формула (9.8): рОН = 14 – 12 = = 2, откуда , следовательно  = 0,01 моль/дм³, т.е. раствор является сантимолярным (0,01М).

 

9.3. Индивидуальные задания

 

241. составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ: K₂SiO₃ и HCl; CdSO₄ и Na₂S; NH₄Cl и Ca(OH)₂. Как подразделяются электролиты в зависимости от значения степени диссоциации?

242. Составьте по два молекулярных уравнений реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями: , . Какие растворы относятся к сильным, слабым электролитам? Приведите примеры.

243. Рассчитайте, при какой концентрации циановодородной кислоты степень диссоциации равна 0,001, если . Что такое степень диссоциации?

244. составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ: BaSO₄ и HNO₃; FeCl₃ и KOH. Что такое рН раствора? Определите рН раствора 0,1 М NaОН.

245. Составьте по два молекулярных уравнений реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнением .
Укажите реакцию среды и найдите концентрацию ионов  в растворах рН которых равен 2 и 8.

246. Водородный показатель одного раствора равен 3, а другого – 6. В литре какого раствора концентрация ионов водорода больше и во сколько раз? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между растворами CuSO₄ и H₂S.

247. Рассчитайте рН 0,05 М раствора NH₄OH, если .
Что такое ионная сила раствора?

248. Рассчитайте ионную силу и активность иона  в растворе следующего состава: 0,05 М HCl 0,01 M CaCl₂. Напишите уравнения ступенчатой диссоциации Н₃ВО₃ и выражения для константы диссоциации по второй ступени.

249. Определите массу едкого натрия, растворенного в 200  раствора, если рН раствора равен 12. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ Na₃PO₄ и CaCl₂.

250. Составьте по два молекулярных уравнений реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями . Найдите массу Ва(ОН)₂, содержащегося в 500  водного раствора, раствора равен 13.

251. Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ: Ca₂CO₃ и HCl. Чему равны  в 0,01 М растворах уксусной кислоты и гидроксида аммония?

252. Какое из веществ –  – взаимодействует с раствором серной кислоты? Запишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения этих реакций. Укажите реакцию среды и найдите концентрацию ионов , в растворах рН которых равен 10 и 5.

253. Напишите уравнения ступенчатой диссоциации Рb(OH)₂ и выражения для констант диссоциации по каждой ступени. Рассчитайте, чему равна степень диссоциации азотистой кислотыв 0,05 М растворе ().

254. Рассчитайте ионную силу и активность иона  в растворе следующего состава: 0,005 М Sr(OH)₂ 0,01 M NaCl. составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ Си(ОН)₂ и HNO₃.

255. Вычислите степень диссоциации гидроксида аммония в 0,05 М и 0,5 М растворах при 298 К. Сформулируйтеопределение степени диссоциации и ее зависимость от концентрации электролита.

256. Составьте по два молекулярных уравнений реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнением: . Чему равна степень диссоциации  в его 2М растворе, если концентрация ионов  в растворе .

257. Определите молярную концентрацию раствора муравьиной кислоты (HCOOH), если α = 6 %, . Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионно-молекулярными уравнениями: , .

258. Рассчитайте ионную силу и активность всех ионов в растворе слудующего состава: 0,002 М и 0,01 M . составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ: .

259. Вычислите рН 0,05 М раствора  и 0,05 М раствора . Объясните различия в значениях. Напишите уравнения ступенчатой диссоциации Н₃РО₄ и выражения для константы диссоциациипо второй ступени.

260. Определите чему равна константа диссоциации бромноватистой кислоты НBrО, если в растворе с молярной концентрацией эквивалента, равной 0,03 , степень диссоциации 0,001. составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами следующих веществ: CaCl₂ и AgNO₃, Zn(OH)₂ и NaOH.