Дисоціація води

У якості розчинника найчастіше застосовують воду. Вода, як слабкий електроліт, хоча і в незначному ступені, дисоціює на іони. Дисоціація іде по рівнянню:

Н₂О «Н⁺ + ОН^-

Запишемо вираз константи рівноваги, яка в даному випадку буде константою дисоціації К_Д:

Ступінь дисоціації води a = 1,8 ∙ 10^-9. Ця величина дуже мала. З 554 молекул води на іони розкладається тільки одна молекула. Тому можна враховувати, що знаменник дробі дорівнює загальній концентрації води і що концентрація недисоційованих молекул у воді і розбавлених водних розчинах однакова. Маса 1 л води при 25⁰С дорівнює 997 г. Мольна маса води 18,02. Звідсіля молярність води дорівнює 997: 18,02 = 55,37 моль/л. Концентрація іонів Н⁺ і ОН^- однакова, а її чисельне значення дорівнює:

1,8 ∙ 10^-9 ∙ 55,37 = 1 ∙ 10^-7

якщо використовувати вказані дані, можливо визначити значення константи дисоціації води (К_Д):

[Н⁺] = [ОН^-] = 10^-7, [H₂O] = 55,37

В цьому рівнянні К_Д і знаменник дробі є величинами постійними. Переносимо їх в ліву частину рівняння:

1,8 ∙ 10^-16 ∙ 55,37 = 10^-7 ∙ 10^-7 = 10^-14 =

Величину називають іонним добутком води. Для даної температури вона є постійною, як для самої води, так і для розбавлених розчинів.

Якщо ми вводимо в розчин додатково Н⁺- або ОН^--іони, то з іонного добутку води можливо розрахувати концентрацію кожного іону. Наприклад, при введенні кислоти концентрація іонів Н⁺-іонів підвищилась у 1000 разів, тобто

10^-7 ∙ 10⁺³ = 10^-4 моль/л

і концентрація ОН^--іонів зменшилась у стільки ж разів і стане

10^-7: 10⁺³ = 10^-10 моль/л

Підставимо значення концентрації іонів в іонний добуток води:

[H⁺] ∙ [OH^-] = 10^-14, отримаємо 10^-4 ∙ 10^-10 = 10^-14

Знаючи концентрацію іонів Н⁺- або ОН^- -іонів в деякому розчині, завжди можна розрахувати концентрацію протилежного іону:

Таким чином, водний розчин незалежно від того, яка його концентрація, повинен завжди містити Н⁺- і ОН^--іони. Знаючи, що [H⁺] ∙ [OH^-] = 10^-14, можливо надати кількісну характеристику розчину:

[H⁺] > 10^-7 моль/л [ОH^-] < 10^-7 моль/л кислий розчин

[H⁺] = 10^-7 моль/л [ОH^-] = 10^-7 моль/л нейтральний розчин

[H⁺] < 10^-7 моль/л [ОH^-] > 10^-7 моль/л лужний розчин

Водневий і гідроксильний показники

Зручніше виражати концентрацію [H⁺]-іонів в логарифмічних одиницях. Водневий показник уявляє собою негативний десятинний логарифм концентрації іонів водню, тобто:

рН = - lg [H⁺]

Поряд з рН застосовують поняття гідроксильного показника рОН – це негативний десятинний логарифм концентрації іонів гідроксилу, тобто:

рОН = - lg [ОH^-]

При логарифмуванні рівняння [H⁺] ∙ [OH^-] = 10^-14 і змінивши знаки на протилежні отримаємо:

рН + рОН = рК_w = 14 (при 25⁰С)

рК_w = -lg К_w = -lg 10^-14 = 14

Тобто, для любого водного розчину маємо співвідношення:

рН = рК_w - рОН = 14 – рОН (при 25⁰С)

рН = 7 рОН = 7 нейтральний розчин

рН > 7 рОН < 7 лужний розчин

рН < 7 рОН > 7 кислий розчин

Обчислення концентрації іонів Н⁺ і ОН^- для розчинів кислот і основ

Сильні одноосновні кислоти (HCl, HI, HNO₃). В сильних кислотах [H⁺] практично дорівнює концентрації кислоти. Тобто, для розрахунків можна застосувати наступні формули:

[H⁺] = С_кисл = С_НАn

рН = - lg [H⁺] = - lg С_кисл = - lg С_НАn

Сильні однокислотні основи (NaOH, KOH і інш.). В сильнихосновах [ОH^-] практично дорівнює концентрації основи. Тобто, для розрахунків можна застосувати наступні формули:

[ОH^-] = С_осн рОН = - lg [ОH^-] = - lg С_осн = -lg [OH^-]

рН = 14 - рОН

Слабкі одноосновні кислоти. Напишемо рівняння дисоціації кислоти:

HAn «An^- + H⁺

An^- і H⁺ - іони утворюються в рівних кількостях, і їх концентрації будуть рівні:

[An^-] = [H⁺]

Якщо розчин мало розбавлений, то майже уся присутня кислота знаходиться у вигляді недисоційованих молекул. Тобто, можна прийняти, що [НAn] = С_кисл.

По закону дії мас маємо:

тому що [H⁺] = [An^-]

звідсіля

Щоб від [H⁺] перейти до рН розчину, потрібно прологарифмувати попереднє рівняння і змінити знаки біля логарифмів. Отримаємо:

рН = 1/2 рК_кисл = -1/2 lg С_кисл

Слабкі однокислотні основи (анілін, NH₄OH і інш.). Напишемо рівняння дисоціації слабкої основи NH₄OH:

NH₄OH «NH₄⁺ + OH^-

концентрації NH₄⁺ і OH^--іонів рівні між собою:

[NH₄⁺] = [OH^-]

В розбавленому розчині основа знаходиться в основному в недисоційованому стані.

Тобто, можна прийняти, що [NH₄OH] = С_осн. По закону дії мас маємо:

звідсіля

звідсіля

Щоб від [ОH^-] перейти до рОН розчину, потрібно прологарифмувати попереднє рівняння і змінити знаки біля логарифмів. Отримаємо:

рН = 14 - 1/2 рК_осн + 1/2 lg С_осн

Задача. Визначити [H⁺], [OH^-], рН, рОН 0,005 М розчину соляної кислоти.

Дано:

С_М (HCl) = 0,005 М

[H⁺], [OH^-], рН, рОН -?

HCl сильна кислота, тоді:

[H⁺] = С_кисл = 0,005 = 5 ´ 10^-3

рН = - lg [H⁺] = - lg 5 ´ 10^-3 = 2,3 рОН = - lg [ОH^-] = - lg 2 ´ 10^-12 = 11,7

Задача. Визначити [H⁺], [OH^-], рОН, якщо рН = 4,4.

Дано:

рН = 4,4

[H⁺], [OH^-], рОН -?

[H⁺] = 10 ^{– рН} = 10 ^–4,4 = 3,98 ´ 10^-9

рН = - lg [H⁺] = - lg 3,98 ´ 10^-9 = 8,4

рОН = - lg [ОH^-] = - lg 2,51 ´ 10^-6 = 5,6

Задача. Визначити [H⁺], [OH^-], рН, рОН 0,1 н. розчину мурашиної кислоти.

Дано:

N(НСООН) = 0,1 н. НСООН – слабка кислота, тому

[H⁺], [OH^-],

рН, рОН -?

Знаходимо в довіднику значення К_кисл = 1,74 ´ 10^-5

Підставляємо в формулу:

рН = - lg [H⁺] = - lg 1,32 ´ 10^-3 = 2,88

рОН = - lg [ОH^-] = - lg 7,58 ´ 10^-12 = 11,12

Задача. Визначити [H⁺], [OH^-], рН, рОН утвореного розчину після зливання

10 мл 0,005 М розчину HCl і 15 мл 0,02 М розчину NaOH.

Дано:

V(HCl) = 10 мл

V(NaOH) = 15 мл

C_M(HCl) = 0,005 М

C_M(NaOH) = 0,02 М

[H⁺], [OH^-],

рН, рОН -?

1. Визначаємо який розчин і якого об’єму знаходиться у надлишку

V(HCl) ´ N(HCl) = V(NaOH) ´ N(NaOH)

10 ´ 0,005 = 0,05 15 ´ 0,02 = 0,3

0,05 < 0,3

тобто розчин NaOH знаходиться у надлишку. Визначаємо який об’єм його піде на нейтралізацію 10 мл HCl

Визначаємо об’єм NaOH, який залишився не нейтралізованим

V^//(NaOH) = V(NaOH) - V^/(NaOH) = 15 – 2,5 = 12,5 мл

2. Визначаємо концентрацію NaOH в утвореному розчині.

3. Визначаємо [H⁺], [OH^-], рН, рОН. NaOH – сильна основа, тому:

[ОH^-] = С_осн = 0,01

рН = - lg [H⁺] = - lg 0,01 = 2 рОН = - lg [ОH^-] = - lg 10^-12 = 12

Поиск по сайту: