Задание на дом. 1. Напишите полные и краткие ионные уравнения, отвечающие реакциям: а) между сульфитом натрия и соляной кислотой; б) между сероводородом и нитратом меди; в)

1. Напишите полные и краткие ионные уравнения, отвечающие реакциям: а) между сульфитом натрия и соляной кислотой; б) между сероводородом и нитратом меди; в) между соляной кислотой и сульфидом железа(II).

2. Укажите, будет ли протекать в водной среде реакции между: а) нитратом серебра и бромидом натрия; б) нитратом серебра и фторидом калия; в) сероводородом и хлоридом ртути(II); г) сульфидом натрия и сульфатом меди; д) сульфидом натрия и бромидом ртути(II). Там, где реакции протекают, напишите соответствующие уравнения.

3. Какая из констант, характеризующих диссоциацию на ионы сероводородной кислоты, имеет самое маленькое численное значение?

4. Объясните, почему при ступенчатой диссоциации каждая константа диссоциации, отвечающая определенной ступени диссоциации, примерно в 10 4 раз меньше константы, отвечающей предыдущей стадии.

5. Укажите, при каких условиях возможно протекание в водной среде реакции между нитратом натрия и хлоридом калия. Обратите внимание – за счет ее проведения наши предки превращали гигроскопичный нитрат натрия в негигроскопичный нитрат калия – компонент черного пороха.

Тема 12. Ионное произведение воды. Понятие о рН растворов. Расчет рН раствора кислоты и щелочи

Молекулы воды диссоциируют на ионы в очень небольшой степени:

Этому равновесию при каждой температуре отвечает определенное значение константы равновесия К

Знаменатель правой части этого уравнения — [Н2О] (молярная концентрация чистой воды, т.е. число молей воды в 1 л воды) имеет постоянное значение (1000 : 18 = 55,6). Следовательно, и произведение молярных концентраций ионов Н+и ОН–, образующихся при диссоциации молекул воды, [Н + ]•[ОН–] = К•[Н2О] при фиксированной температуре для любых (кислых, нейтральных и щелочных) водных растворов — величина постоянная. Это произведение называют ионным произведением воды (принятые обозначения ИП или Кw); Кw=[Н + ]•[ОН–]). Размерность ИП или Кwмоль 2 /л 2 , но ее обычно опускают.

Сказанное справедливо для относительно разбавленных водных растворов, т.е. для растворов, в которых концентрация кислоты или щелочи не выше 0,1 моль/л. Экспериментально найдено, что значение ИП воды при 22°С равно Кw= 10 -14 . Диссоциация воды на ионы — эндотермический процесс, и с ростом температуры наблюдается увеличение значения Кw.

Из того, что Кw= [Н + ]•[ОН–] = 10 -14 , следует, что в нейтральном растворе, когда [Н + ] = [ОН–], молярные концентрации ионов [Н + ] = [ОН–] = 10 -7 моль/л.

Рассмотрим теперь случай, когда в воде находится соляная кислота HCl с молярной концентрацией 1•10 -3 моль/л. В этом растворе кислая среда. Концентрация ионов [Н + ] = 1•10 -3 моль/л (соляная кислота — сильный электролит, и в растворе находится только в виде гидратированных ионов). При нахождении концентрации [Н + ] дополнительным образованием ионов Н + за счет диссоциации молекул воды можно пренебречь, так как присутствие соляной кислоты подавляет диссоциацию молекул воды.

Если же взять водный раствор щелочи — гидроксида калия КОН с молярной концентрацией, равной, например, 10 -2 моль/л, то молярная концентрация ионов ОН - в этом случае будет также равна [ОН–] = 10 -2 моль/л (сильный электролит КОН в растворе, как и НСl, существует только в виде ионов). Но и этот щелочной раствор можно охарактеризовать через концентрацию в нем ионов [H + ]. С учетом ИП воды концентрация в нем [H + ] = 10 -14 /10 -2 = 10 -12 моль/л.

Таким образом, любой раствор — и кислый, и нейтральный, и щелочной можно охарактеризовать через молярную концентрацию ионов Н + . В кислом растворе [H + ]> 10 -7 моль/л, в щелочном растворе – [H + ] < 10 -7 моль/л.

Для того чтобы при характеристике среды любых растворов через концентрацию ионов H + не использовать выражения с отрицательными степенями (при широком применении это не очень удобно), решили указывать не само значение молярной концентрации ионов Н + , а десятичный логарифм этого значения, взятый с обратным знаком. Эту характеристику среды водного раствора обозначают как рН (пэ аш). Для нейтрального раствора значение рН = – lg[H + ] = – lg[10 -7 ] = 7. Для кислых растворов значение рН меньше 7, а для щелочных растворов – больше 7. Так, в случае раствора 10 -3 моль/л HCl рН = – lg[H + ] = – lg[10 -3 ] = 3, а в случае раствора 10 -2 моль/л КОН, для которого [H + ] = 10 -12 , рН = – lg[H + ] = – lg[10 -12 ] = 12.

Довольно часто вместо использования термина «рН раствора» используют термин «водородный показатель». Он подчеркивает, что любой раствор – и кислый, и нейтральный, и щелочной может быть охарактеризован через концентрацию ионов Н + .

Так как значение Кwс ростом температуры возрастает (при нагревании увеличивается диссоциация молекул Н2О на ионы), то и значение рН нейтрального водного раствора с ростом температуры изменяется (оно уменьшается, так как сама концентрация ионов Н + при этом растет).

Значения рН широко используют в химии, биохимии, геохимии, медицине, при разработке различных косметических препаратов и т.д. Так, рН желудочного сока человека 2-4, рН крови около 8 и т.д.

Для определения рН растворов используют индикаторную бумагу. В центральную часть небольшой полоски такой бумаги помещают каплю испытуемого раствора и сравнивают окраску этой части бумаги с цветовой шкалой, по которой и находят значение рН раствора. В лабораториях для точного определения рН применяют и специальные электронные приборы – рН-метры. В школьной практике для определения характера среды в растворе используют растворы особых веществ – индикаторов. Наиболее популярны в школьном кабинете химии растворы лакмуса, метилоранжа и фенолфталеина. Лакмус – это вещество растительного происхождения, содержащее несколько органических соединений. В кислой среде раствор лакмуса красный, в щелочной – синий, в нейтральной – фиолетовый. Окраска лакмуса к изменению среды мало чувствительна, поэтому лакмус используют только в школьной практике. В щелочной среде (при рН, немногим выше 7) раствор фенолфталеина красный, в нейтральной или кислой – бесцветный. Раствор метилоранжа в кислой среде – красный, в щелочной – оранжевый. На практике также часто используют полоски, содержащие так называемый универсальный индикатор. Ели эту полоску смочить каплей исследуемого раствора и затем сравнить возникшую окраску полоски с шкалой зависимости цвета плоски от рН, то в интервале рН 1-13 его значение можно определить с погрешностью примерно в 1 единицу рН.

Понятие рН можно использовать для растворов, в которых концентрация ионов Н + или ОН – меньше примерно 0,1 моль/л. Для растворов с более высокими значениями молярных концентраций этих ионов значение Кwне остается постоянно равным 10 -14 , и характеризовать такие растворы через рН нельзя. Такие растворы характеризуют через молярную концентрацию соответствующей кислоты или щелочи. Нужно отметить, что встречающиеся иногда в учебных пособиях вопросы и ответы к ним типа: «Каково значение рН 1 моль/л раствора HCl? (рекомендуемый как правильный ответ рН = 0)» или ««Каково значение рН 5 моль/л раствора серной кислоты? (рекомендуемый как правильный ответ рН = –1)» некорректны. Понятие рН применимо только к водным разбавленным растворам. Для характеристики кислотности (щелочности) концентрированных растворов следует использовать понятие «молярная концентрация ионов Н + ».