Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Показатель среды рН
Лекции.ИНФО


Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Показатель среды рН



  ⇄H
3.1. Ионное произведение воды

Вода - очень слабый амфотерный электролит, при ее диссоциации образуется одинаковое число ионов Н+ и ОН- , согласно уравнению:

Н2О ⇄ Н+ + ОН - . (26)

В соответствии с законом действующих масс, константа равновесия этого процесса равна:

 
(при t = 250C) , (27)

где – равновесные концентрации ионов водорода, гидроксила и воды соответственно.

Если учесть, что - количество молей воды в 1 л (1000 г) воды равно:

, (28)

где = 18 г/моль – мольная масса воды, тогда произведение концентраций ионов воды равно:

.

 

Это произведение называют ионным произведением воды и обозначают .

. (29)

Следовательно, ионное произведение воды – произведение концентраций ионов Н+ и ОН- - величина постоянная при постоянной температуре не только в чистой воде, но и в любом водном растворе электролита (сильного или слабого), в том числе содержащем кислоты, основания или соли, и при Т= 298К равна 10-14 .

 

3.2. Среда водных растворов. Водородный показатель pH

Из уравнения (26) следует, что при диссоциации молекул воды ионы H+ и OH- образуются в равных количествах, следовательно, в чистой воде при Т= 298К:

.

Растворы, в которых относят к нейтральным.

Носителями кислотных свойств являются ионы Н+, а носителями основных свойств – ионы ОН-. Поэтому растворы, в которых: и называют кислыми. Растворы, в которых: и называют щелочными.

В практической работе неудобно производить расчеты с концентрациями, выраженными числами с отрицательными показателями степеней. Поэтому принято выражать концентрацию водородных ионов через водородный показатель pH – десятичный логарифм концентрации ионов Н+ , взятый с обратным знаком:

 

(30)

 

Так как в чистой воде концентрации Н+ и ОН- ионов равны, вода является нейтральной средой, которой соответствует рН = 7.

Добавление к воде молекул кислоты увеличивает концентрацию ионов водорода, снижая рН. Следовательно, кислые растворы имеют рН < 7.

Добавление к воде ионов ОН- должно приводить к снижению концентрации ионов водорода, следовательно, все щелочные растворы имеют рН > 7 .

В табл.14 отображены концентрации ионов Н+ и соответствующие значения рН для различных сред водных растворов.

 

Таблица 14

 

Концентрации ионов Н+ и значения рН в различных средах

водных растворов.

Среда СН+ рН
Кислая СН+ > СОН- СН+ > 10-7   < 7 (6,5,4,…0)
Нейтральная СН+ = СОН- = 10-7  
Основная СН+ < СОН- СН+ < 10-7   >7 (8,9,10,…14)

Для кислых, нейтральных и щелочных растворов можно построить единую шкалу рН. Область возможных значений рН: от рН=0 до рН=14.

 

 

pH
0 усиление кислотности среды 7 усиление щелочности среды 14

 

           
   
нейтральная среда  
 
раствор щелочи 1 моль/л  
 
раствор сильной кислоты 1 моль/л  
 
 

 

 

Аналогично водородному иногда используют гидроксильный показатель среды - pOH:

(31)

Поскольку

(32)

в любом водном растворе электролита (кислоты, основания, соли):

. (33)

 

Формулы для расчета pH среды в растворах кислот и

Оснований

В формулах аналитической химии так же, как в формулах химических законов, используются молярные концентрации СМ, моль/л. Молярная концентрация (молярность) – количество вещества в молях, содержащееся в 1л раствора.

Соотношение между молярной и объемной весовой концентрациями:

(34)

С (г/л) – концентрация вещества в граммах на 1л раствора;

М – мольная масса вещества.

У сильных электролитов:

. (35)

рН сильных кислот: ( ):

(36)

 

рН слабых кислот; ( ):

(37)

 

 

 

где К Iдис – константа диссоциации кислоты по первой стадии.

рН сильных оснований (щелочей) ( ): (38)

рН слабых оснований ( ): (39)

 

 

где К Iдис – константа диссоциации основания по первой стадии.

Примечание. Наряду с обозначением размерности для СМмоль/лиспользуется обозначение М. Например, СМ = 0,5 моль/л = 0,5 М.

Примеры вычисления рН среды в растворах кислот и оснований

 

Задача 3.1.

Концентрация HСl в растворе равна 0,36 г/л. Рассчитайте pH среды.

 

Решение. Рассчитаем молярную массу HCl и мольную концентрацию раствора СМ по формуле (34 ). HCl - сильный электролит, поэтому для расчета рН применим формулу (36 ):

 

.

Ответ: рН = 2,0

 

Рассчитаем рН в 0,01 M растворе соляной кислоты с учетом коэффициентов активности ионов H+ и Cl - и ионной силы раствора.

 

Согласно уравнению (17) ионная сила раствора 0,01 М HCl равна:

 

В соответствии с уравнением (19) коэффициенты активности ионов H+ и Сl равны:

lg g± = -0,509ôz+z-ô = -0,509•12 = -0,0509;

g± = g(Н+) = g(Cl-) = 0,89.

С учетом значений коэффициентов активности значение рН равно:

 

.

Сравнение значений рН, вычисленных с использованием концентраций и активностей показывает, что для 0,01 М раствора HCl они достаточно близки. Их отличие не превышает ошибки экспериментального измерения pH (±0,05). Следовательно, влиянием ионной силы на рН в разбавленных растворов можно пренебречь.

В более концентрированных растворах различия становятся заметными, а теоретический расчет коэффициента активности сильно усложняется. Поэтому на практике во всех расчетах, кроме наиболее ответственных, вместо активностей применяют концентрации, пренебрегая некоторой ошибкой.

 

Задача 3.2.

Концентрация H3PO4 в растворе равна 0,6 моль/л. Рассчитайте pH.

 

Решение.

Н3РО4 – слабая кислота:

рН находим по формуле (37):

Ответ: рН = 1,17.

Задача 3.3.

Величина pH раствора HNO3 равна 3,5. Рассчитайте .

Решение. HNO3 – сильная кислота.

Ответ: СМ = 3,2∙10-4 моль/л.

Задача 3.4.

Величина pH раствора Н3ВО3 равна 5. Рассчитайте .

Решение.

Н3ВО3 – слабая кислота:

Ответ: СМ = 0,141 моль/л.

Задача 3.5.

 

Концентрация NaOH в растворе равна 3,5 г/л. Рассчитайте pH среды.

 

Решение. NaOH – сильное основание:

Ответ : рН = 12,94.

Задача 3.6.

 

Концентрация Mg(OH)2 в растворе равна 0,2 г/л. Рассчитайте pH среды.

Решение.

Mg(OH)2 – слабое основание: .

Ответ: рН = 11,47.

Задача 3.7.

Величина pH раствора Ca(OH)2 равна 9. Рассчитайте .

Решение. Са(ОН)2 – сильный электролит.

Ответ: СМ = 10-5 моль/л.

 

 

Контрольное задание № 3

Вопрос 1. В соответствии с Вашим вариантом из ряда гидроксидов

табл. 15 выберите:

 

а) сильные основания;

б) слабые основания;

в) сильные кислоты;

г) слабые кислоты.

 

Вопрос 2. Напишите уравнения электролитической диссоциации для всех электролитов и выражения для констант диссоциации по 1-ой стадии для слабых электролитов.

 

Вопрос 3. Рассчитайте рН р-ра вещества D с концентрацией Р(г/л).

 

Вопрос 4. Рассчитайте концентрацию вещества D в г/л, при заданном

значении рН.

 

Таблица 15

Исходные данные к контрольному заданию N 3

 









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-16; Просмотров: 295;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная