|
Равновесия в растворах электролитов
Расчет концентрации ионов водорода и рН в растворах сильных кислот
И оснований
При растворении вещества в воде могут образовываться ионы. Частичный или полный распад вещества на ионы в результате взаимодействия с растворителем называют электролитической диссоциацией. Одной из основных характеристик электролитической диссоциации является степень диссоциации (α), которая равна отношению концентрации продиссоциировавших молекул к начальной концентрации растворенного вещества.
Степень диссоциации зависит от: природы растворителя; природы растворенного вещества; концентрации раствора (чем меньше концентрация раствора, тем больше степень диссоциации); температуры; наличия одноименного иона.
По степени диссоциации все электролиты делятся на сильные и слабые. Сильные электролиты в не слишком концентрированных растворах практически полностью диссоциируют на ионы. К сильным электролитам относятся:
- все растворимые в воде основания (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2, Ra(OH)2;
- сильные кислоты (HNO3, H2SO4, HCl, HBr, HI, HClO4 и некоторые другие);
- почти все растворимые в воде соли, в том числе и комплексные.
Задача 5
В мерную колбу объемом V1 (мл) внесли V2 (мл) раствора S1 с концентрацией C1 (моль/л) (таблица 9). Объем раствора довели до метки. Какова молярная и нормальная концентрации полученного раствора и его рН?
Таблица 9 – Условие задачи 5
№
| V1, мл
| С1, моль/л
| V2, мл
| S1
| №
| V1, мл
| С1, моль/л
| V2, мл
| S1
|
|
| 0,1000
|
| H2SO4
|
|
| 0,4600
|
| H2SO4
|
|
| 0,1120
|
| Ba(OH)2
|
|
| 0,4720
|
| Ba(OH)2
|
|
| 0,1240
|
| HNO3
|
|
| 0,4840
|
| HNO3
|
|
| 0,1360
|
| KOH
|
|
| 0,4960
|
| KOH
|
|
| 0,1480
|
| HCl
|
|
| 0,5080
|
| HCl
|
|
| 0,1600
|
| LiOH
|
|
| 0,5200
|
| LiOH
|
|
| 0,1720
|
| HBr
|
|
| 0,5320
|
| HBr
|
|
| 0,1840
|
| CsOH
|
|
| 0,5440
|
| CsOH
|
|
| 0,1960
|
| HI
|
|
| 0,5560
|
| HI
|
|
| 0,2080
|
| Ca(OH)2
|
|
| 0,5680
|
| Ca(OH)2
|
|
| 0,2200
|
| H2SO4
|
|
| 0,5800
|
| H2SO4
|
|
| 0,2320
|
| Ba(OH)2
|
|
| 0,5920
|
| Ba(OH)2
|
|
| 0,2440
|
| HNO3
|
|
| 0,6040
|
| HNO3
|
|
| 0,2560
|
| KOH
|
|
| 0,6160
|
| KOH
|
|
| 0,2680
|
| HCl
|
|
| 0,6280
|
| HCl
|
|
| 0,2800
|
| LiOH
|
|
| 0,640
|
| LiOH
|
|
| 0,2920
|
| HBr
|
|
| 0,6520
|
| HBr
| Продолжение таблицы 9
№
| V1, мл
| С1, моль/л
| V2, мл
| S1
| №
| V1, мл
| С1, моль/л
| V2, мл
| S1
|
|
| 0,3040
|
| CsOH
|
|
| 0,6640
|
| CsOH
|
|
| 0,3160
|
| HI
|
|
| 0,6760
|
| HI
|
|
| 0,3280
|
| Ca(OH)2
|
|
| 0,6880
|
| Ca(OH)2
|
|
| 0,3400
|
| H2SO4
|
|
| 0,7000
|
| H2SO4
|
|
| 0,3520
|
| Ba(OH)2
|
|
| 0,7120
|
| Ba(OH)2
|
|
| 0,3640
|
| HNO3
|
|
| 0,7240
|
| HNO3
|
|
| 0,3760
|
| KOH
|
|
| 0,7360
|
| KOH
|
|
| 0,3880
|
| HCl
|
|
| 0,7480
|
| HCl
|
|
| 0,4000
|
| LiOH
|
|
| 0,7600
|
| LiOH
|
|
| 0,4120
|
| HBr
|
|
| 0,7720
|
| HBr
|
|
| 0,4240
|
| CsOH
|
|
| 0,7840
|
| CsOH
|
|
| 0,4360
|
| HI
|
|
| 0,7960
|
| HI
|
|
| 0,4480
|
| Ca(OH)2
|
|
| 0,8080
|
| Ca(OH)2
| Разберем решение этой задачи на примере вариантов 1 и 2.
Рассчитаем концентрацию раствора серной кислоты С2 (вариант 1), полученную при разбавлении раствора С1. Воспользуемся законом разбавления (14):
(моль/л).
Найдем нормальную концентрацию раствора (7):
(моль экв/л).
Запишем уравнение диссоциации серной кислоты. Это сильный электролит, который нацело диссоциирует на ионы:
0,0010 2∙0,0010
H2SO4 → 2H+ + SO42–
Если начальная концентрация H2SO4 равна 0,00100 моль/л, то, согласно уравнению реакции, концентрация образовавшихся ионов водорода в два раза больше и равна 0,00200 моль/л. Рассчитаем рН полученного раствора:
рН = –lg C(H+) = –lg 0,00200 = 2,6990 (рН = 2,70).
Полученный результат можно округлить с точностью до ±0,01 рН, в соответствии с точностью обычного рН-метра.
Аналогично решаем эту задачу для второго варианта. Рассчитываем концентрацию раствора Ba(OH)2, полученного после разбавления раствора С1 и его нормальность Сн:
Запишем диссоциацию гидроксида бария:
0,0224 2·0,0224
Ba(OH)2 → Ba2+ + 2OH–
С(ОН–) = 0,04480 моль/л.
Рассчитаем рН раствора: рОН = –lg C(OH–) = –lg 0,04480 = 1,3487;
рН = 14 – рОН = 14 – 1,3487 = 12,6513 (рН = 12,65).
Таблица 10 – Ответы к задаче 5
№
| С2, моль/л
| Сн,
моль экв/л
| C(H+/OH–)
| pH
| №
| С2, моль/л
| Сн,
моль экв/л
| C (H+/OH–)
| pH
|
| 0,00100
| 0,00200
| 0,00200
| 2,6990
|
| 0,03440
| 0,03440
| 0,03440
| 1,4634
|
| 0,02240
| 0,04480
| 0,04480
| 12,6513
|
| 0,02760
| 0,02760
| 0,02760
| 12,4409
|
| 0,01860
| 0,01860
| 0,01860
| 1,7305
|
| 0,01960
| 0,01960
| 0,01960
| 1,7077
|
| 0,01360
| 0,01360
| 0,01360
| 12,1335
|
| 0,02080
| 0,04160
| 0,04160
| 12,6191
|
| 0,01480
| 0,01480
| 0,01480
| 1,8297
|
| 0,00220
| 0,00440
| 0,00440
| 2,3565
|
| 0,00160
| 0,00160
| 0,00160
| 11,2041
|
| 0,04640
| 0,09280
| 0,09280
| 12,9675
|
Расчет концентрации ионов водорода и рН в растворах слабых кислот
И оснований
Слабые электролиты диссоциируют не полностью, в их растворах кроме ионов присутствуют также и недиссоциированные молекулы, концентрации которых связаны константой диссоциации. Например, для слабой кислоты HA константа диссоциации может быть записана следующим образом:
С0–х х х
HA ↔ H+ + A–
(моль/л). (16)
Если начальную концентрацию кислоты принять равной С0, а концентрацию продиссоциировавшей кислоты считать равной х, тогда в результате протекания реакции диссоциации в растворе останется (С0 – х) моль/л молекул кислоты и образуется х моль/л ионов водорода (С(Н+) = х) и х моль/л анионов кислоты (С(А–) = х). Эти концентрации для участников реакции называются равновесными. Для определения равновесных концентраций необходимо решить следующее квадратное уравнение:
| (17)
|
(18)
| Степень диссоциации НА (α) равна:
(19)
Если степень диссоциации слабой кислоты мала (меньше 0,1 %), то х<<С0 и в знаменателе уравнения (17) можно пренебречь величиной х:
(20)
В случае, когда в растворе находится слабое основание, например гидроксид аммония NH4OH, в растворе в равновесии будут находиться его молекулы (C0 – х), гидроксид-ионы ОН– (х) и ионы аммония NH4+ (х). Диссоциацию этого вещества в водном растворе и соответствующую константу диссоциации можно представить следующим образом:
С0–х х х
NH4OH ↔ NH4+ + OH–
Решая это уравнение, можно найти х, который в этом случае будет равен концентрации ионов ОН–. Поэтому сначала будет получена величина рОН, а затем рН.
Задача 6
Рассчитайте рН и степень диссоциации слабой одноосновной кислоты, если ее константа диссоциации равна К, а концентрация раствора – С0 (моль/л) (таблица 11).
Таблица 11 – Условие задачи 6
№
| С, моль/л
| К
| №
| С, моль/л
| К
| №
| С, моль/л
| К
|
| 0,040
| 2,00∙10–5
|
| 0,080
| 1,00∙10–4
|
| 0,120
| 1,80∙10–4
|
| 0,042
| 2,40∙10–5
|
| 0,082
| 1,04∙10–4
|
| 0,122
| 1,84∙10–4
|
| 0,044
| 2,80∙10–5
|
| 0,084
| 1,08∙10–4
|
| 0,124
| 1,88∙10–4
|
| 0,046
| 3,20∙10–5
|
| 0,086
| 1,12∙10–4
|
| 0,126
| 1,92∙10–4
|
| 0,048
| 3,60∙10–5
|
| 0,088
| 1,16∙10–4
|
| 0,128
| 1,96∙10–4
|
| 0,050
| 4,00∙10–5
|
| 0,090
| 1,20∙10–4
|
| 0,130
| 2,00∙10–4
|
| 0,052
| 4,40∙10–5
|
| 0,092
| 1,24∙10–4
|
| 0,132
| 2,04∙10–4
|
| 0,054
| 4,80∙10–5
|
| 0,094
| 1,28∙10–4
|
| 0,134
| 2,08∙10–4
|
| 0,056
| 5,20∙10–5
|
| 0,096
| 1,32∙10–4
|
| 0,136
| 2,12∙10–4
|
| 0,058
| 5,60∙10–5
|
| 0,098
| 1,36∙10–4
|
| 0,138
| 2,16∙10–4
|
| 0,060
| 6,00∙10–5
|
| 0,100
| 1,40∙10–4
|
| 0,140
| 2,20∙10–4
|
| 0,062
| 6,40∙10–5
|
| 0,102
| 1,44∙10–4
|
| 0,142
| 2,24∙10–4
|
| 0,064
| 6,80∙10–5
|
| 0,104
| 1,48∙10–4
|
| 0,144
| 2,28∙10–4
|
| 0,066
| 7,20∙10–5
|
| 0,106
| 1,52∙10–4
|
| 0,146
| 2,32∙10–4
|
| 0,068
| 7,60∙10–5
|
| 0,108
| 1,56∙10–4
|
| 0,148
| 2,36∙10–4
|
| 0,070
| 8,00∙10–5
|
| 0,110
| 1,60∙10–4
|
| 0,150
| 2,40∙10–4
|
| 0,072
| 8,40∙10–5
|
| 0,112
| 1,64∙10–4
|
| 0,152
| 2,44∙10–4
|
| 0,074
| 8,80∙10–5
|
| 0,114
| 1,68∙10–4
|
| 0,154
| 2,48∙10–4
|
| 0,076
| 9,20∙10–5
|
| 0,116
| 1,72∙10–4
|
| 0,156
| 2,52∙10–4
|
| 0,078
| 9,60∙10–5
|
| 0,118
| 1,76∙10–4
|
| 0,158
| 2,56∙10–4
| Пример решения задачи 6 (вариант 1).
Запишем уравнение электролитической диссоциации слабой одноосновной кислоты НА:
0,040–х х х
HA ↔ H+ + A–
Пусть продиссоциировало х моль/л кислоты НА, тогда осталось в (С0 – х) или (0,040 – х) и образовалось х моль/л ионов Н+ и х моль/л ионов А–. Подставим эти обозначения в константу диссоциации кислоты:
Сначала проверим возможность упрощенного решения квадратного уравнения. Для этого решим это уравнение исходя из предположения, что х<<С0 (20), тогда:
Степень диссоциации этой кислоты достаточно мала, однако значение 2,24 % превышает желаемую аналитическую точность определения 0,1 %. Поэтому этот расчет необходимо повторить с использованием точного уравнения (18):
(моль/л).
Рассчитаем рН раствора и степень диссоциации кислоты:
Таблица 12 – Ответы к задаче 6
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2025 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|