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 С_М, 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 ^I_дис – константа диссоциации кислоты по первой стадии.

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

рН слабых оснований ( ): (39)

 

 

где К ^I_дис – константа диссоциации основания по первой стадии.

Примечание. Наряду с обозначением размерности для С_Ммоль/лиспользуется обозначение М. Например, С_М = 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 С_М 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, 509ô z₊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: С_М = 3, 2∙ 10^-4 моль/л.

Задача 3.4.

Величина pH раствора Н₃ВО₃ равна 5. Рассчитайте .

Решение.

Н₃ВО₃ – слабая кислота:

Ответ: С_М = 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: С_М = 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

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. II. Обзор среды и история болезни
2. III.3. Композиционное и пространственное решение пейзажей
3. M(Mike) - Мое судно остановлено и не имеет хода относительно воды.
4. XII. ОСОБЕННОСТИ КОРМЛЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ В УСЛОВИЯХ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
5. А4 Какой показатель даёт владельцу коммерческого предприятия представление об эффективности его работы?
6. Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета
7. Анализ внешней деловой окружающей среды
8. Анализ внешней и внутренней среды
9. Антиинфляционное регулирование.
10. Апериодическое (инерционное, статическое) звено
11. БЕЗОПАСНОСТЬ ГРУЗА И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
12. Биосфера и её строение, экосистемы, взаимоотношения организмов и среды