Кислотно-основное равновесие




ОСНОВНЫЕ ТИПЫХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Равновесие в системе осадок – раствор

Гетерогенная (неоднородная) система состоит из двух фаз: насыщенного раствора электролита и осадка. В этой системе устанавливается динамическое равновесие:

BaSO4↓↔Ва2+ + SO42-

К этой равновесной системе применим закон действия масс, исходя из которого можно сформулировать правило произведения растворимости (ПР): произведение концентраций ионов труднорастворимого электролита в его насыщенном растворе есть величина постоянная при данной температуре:

ПР BaSO4 = [Ва2+] [SO4 2-]

Если в формуле имеются стехиометрические коэффициенты, то они входят в уравнение как показатели степени, в которые необходимо возвести концентрации ионов, например,:

ПРCa3 (PO4)2 = [Са2+] 3 [PO43-] 2

Произведение растворимости характеризует растворимость вещества: чем больше значение ПР, тем больше растворимость. При более точных расчетах необходимо вместо концентраций ионов использовать значения активностей, учитывающих электростатические взаимодействия между ионами. Активности ионов пропорциональны концентрациям:

а = ν С. (1.1)

Здесь ν = а / С – коэффициент активности, зависящий от концентраций и зарядов всех ионов в растворе, а также от собственного заряда иона. Для нахождения коэффициентов активности сначала рассчитывают ионную силу раствора I по формуле:

(1.2)

где Сi и zi – молярные концентрации и заряды всех ионов в растворе.

 

Пример 1. Вычислить произведение растворимости иодида серебра AgI, если растворимость этой соли при температуре 25°С равна 2,865 ∙ 10–6 г/л

Решение. Химическое равновесие в насыщенном растворе AgI описывается уравнением

 

AgI↓↔ Ag+ + I

 

Запишем выражение произведения растворимости для иодида серебра:

 

ПРAgI = [Ag+] [I]

 

Вычислим растворимость иодида серебра (моль/л). Так как молярная масса AgI составляет 234,772 г/моль, то концентрация AgI в растворе будет:

 

[AgI] = 2,865 ∙ 10–6/ 234,772 = 1,22 ∙ 10–8 моль/л.

 

При диссоциации каждого моля иодида серебра образуется 1 моль Ag+ и 1 моль I.

Следовательно, их концентрации равны:

[Ag+] = [I] = [AgI] = 1,22 ∙ 10–8 моль/л.

 

Подставляя значения [Ag+] и [I] в уравнение произведения растворимости, получим:

ПРAgI = 1,22 ∙ 10–8 ∙ 1,22 ∙ 10–8 = 1,5 ∙ 10–16.

Пример 2. Вычислить произведение растворимости Ag2CrO4, если в 100 мл насыщенного раствора его содержится 0,002156 г.

Решение. Найдем растворимость хромата серебра (моль/л):

в 100 мл насыщенного раствора – 0,002156 г соли

в 1000 мл х г соли

x = 1000 ∙ 0,002156 / 100 = 0,02156 г/л.

Молярная масса Ag2CrO4 равна 331,73 г/моль, тогда растворимость Ag2CrO4 (моль/л) будет:

[Ag2CrO4] = 0,02156 / 331,73 моль/л = 6,5 ∙ 10–5 моль/л.

Хромат серебра диссоциирует следующим образом:

Ag2CrO4↓↔2Ag+ + CrO42-

Тогда

[Ag+] = 2 ∙ 6,5 ∙ 10–5 = 1,3 ∙ 10–4 моль/л;

[CrO42-] = 6,5 ∙ 10–5 моль/л;

ПР Ag2CrO4 = [Ag+]2[CrO42-] = (1,3 ∙ 10–4)2 ∙ 6,5 ∙ 10–5 ≈ 1,1 ∙ 10–11.

 

Задачи для самостоятельного решения:

Вычислить произведение растворимости соли:

1. CaF2, если массовая концентрация насыщенного раствора соли составляет 0,017 г/л.

2. MgNH4PO4, если при анализе 1000 мл насыщенного раствора найдено 7,9 мг этой соли.

 

 

Кислотно-основное равновесие

Кислотно-основное (протолитическое) взаимодействие состоит в обратимом переносе протона от молекулы кислоты к молекуле основания. При этом кислота превращается в сопряженное с ней основание, а основание становится сопряженной кислотой. На практике наиболее часто имеют дело именно с протолитическими равновесиями (реакции нейтрализации, гидролиза и диссоциации).

Наибольшее признание из всех известных теорий кислот и оснований получила протолитическая теория Бренстеда и Лоури. Согласно этой теории, кислотно-основные реакции осуществляются за счет переноса протона от кислоты к основанию. Иначе говоря, кислота является донором, а основание – акцептором протонов. Существуют также вещества, способные как отдавать, так и принимать протоны. Они называются амфолитами. В водных растворах сильных одноосновных

кислот протолитическое равновесие HA + H2O H3O+ + Aцеликом сдвинуто вправо, и концентрация ионов водорода совпадает с концентрацией кислоты. Слабые кислоты и основания в водных растворах диссоциированы лишь частично. На основании анализа равновесий в растворах выводятся основные уравнения для расчета рН.

Расчет рН растворов электролитов проводится по следующим (упрощенным) формулам:

pH = – lg C кислоты (1.1)

слабых кислот

(1.2)

сильных однокислотных оснований

pH = 14 + lg C основания (1.3)

 

слабых оснований

(1.4.)

 

солей слабых кислот

(1.5)

 

солей слабых оснований

(1.6)

 

 

буферных растворов, образованных слабой кислотой и ее солью (солью слабой кислоты и сильного или слабого основания):

 

(1.7)

буферных растворов, образованных слабым основанием и ее солью (солью слабого основания и сильной или слабой кислоты):

 

(1.8)

амфолитов (кислых солей)

 

pH = (pKn + pKn+1) / 2 (1.9)

 

Пример: Вычислить рН раствора, полученного при сливании:

а) 20,0 мл 0,1 М раствора NaOH и 16,0 мл 0,08 М раствора HCl.

б) 20,0 мл 0,1 М раствора NaOH и 36,0 мл 0,08 М раствора HCl.

Решение а. Запишем уравнение реакции:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

С целью выяснения состава раствора, образовавшегося после сливания, рассчитаем количества веществ в исходных растворах:

n 0(NaOH) = 20,0 ∙ 10–3 ∙ 0,1 = 2,0 ∙ 10–3 моль;

n 0(HCl) = 16,0 ∙ 10–3 ∙ 0,08 = 1,28 ∙ 10–3 моль.

Так как n 0(NaOH) > n 0(HCl), то NaOH находится в избытке, следовательно, в образовавшемся после сливания растворе будут находиться NaOH и NaCl в следующих количествах:

n 1(NaOH) = n 0(NaOH) – n 0(HCl) = 2,0 ∙ 10–3 – 1,28 ∙ 10–3 = 0,72 ∙ 10–3 моль.

NaCl является солью сильной кислоты и сильного основания и на pH не влияет.

Объем раствора (V) составит 20,0 + 16,0 = 36,0 мл.

Рассчитаем концентрацию NaOH в растворе:

С (NaOH) = 0,72 ∙ 10–3/ 36 ∙ 10–3 = 0,02 моль/л.

Исходя из состава раствора, выбираем формулу (1.3) для расчета рН сильного основания:

pH = 14 + lg C (NaOH) = 14 + lg(0,02) = 12,3

Решение б:

Запишем уравнение реакции:

NaOH + HCl = NaCl + H2O

С целью выяснения состава раствора, образовавшегося после сливания, рассчитаем количества веществ в исходных растворах:

n 0(NaOH) = 20,0 ∙ 10–3 ∙ 0,1 = 2,0 ∙ 10–3 моль;

n 0(HCl) = 36,0 ∙ 10–3 ∙ 0,08 = 2,88 ∙ 10–3 моль.

Так как n 0(NaOH) < n 0(HCl), то HCl находится в избытке, следовательно, в образовавшемся после сливания растворе присутствовать HCl и NaCl в следующих количествах:

n 1(HCl) = n 0(HCl) – n 0(NaOH) = 2,88 ∙ 10–3 – 2,0 ∙ 10–3 = 0,88 ∙ 10–3 моль/

NaCl является солью сильной кислоты и сильного основания и на pH не влияет.

Объем раствора (V) составит 20,0 + 36,0 = 56,0 мл.

Рассчитаем концентрацию HCl в растворе:

С (HCl) = 0,88 ∙ 10–3/ 56 ∙ 10–3 = 0,0157 моль/л.

Исходя из состава раствора, выбираем формулу (1.1) для расчета рН сильного основания:

pH = lgC(HCl) = lg(0,0157) = 1,8.

 

Задачи для самостоятельного решения:

Вычислить рН раствора, полученного при сливании растворов

А) 20,0 мл 0,12 М NaOH 5,2 мл 0,24 М HCl

Б) 20,0 мл 0,25 М NaOH 10,2 мл 0,5 М раствора HCl

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-03 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: