double arrow

Расчет рН растворов сильных и слабых электролитов

(кислот и оснований)

Сильные электролиты ­– все кислоты и основания, константы ионизации которых больше 10–2.

В водных растворах концентрации ионов Н+ и ОН взаимосвязаны выражением ионного произведения воды

Кв = Кд×[H2O] = 1,8×10–16×55,49 = 10–14

[H+] × [OH] = 10–14

В чистой воде или нейтральном растворе

[H+] = [OH] = 10–7 моль/л

В кислой среде

[H+] > 10–7,[OH] < 10–7

В щелочной среде

[H+] < 10–7,[OH] > 10–7

Для расчета концентрации ионов Н+ или ОН используют значение отрицательного логарифма, который называется водородным или гидроксильным показателем соответственно

рН = –lg[H+] pOH = –lg[OH]

Так как [H+] × [OH] = 10–14, то для водных растворов выполняется соотношение

рН + рОН = 14

В растворах сильных электролитов (a~1) молярная концентрация ионов Н+ и ОН практически равна молярной концентрации кислоты или основания и определяется как

[H+] = Ск–ты×a ~ Cк–ты, [ОН] = Сосн×a ~ Cосн

Для количественной характеристики реакции среды раствора сильного электролита используется водородный показатель

рН = –lga(H+),

где а+) – активность ионов водорода, определяется как

а+) = g(Н+)?[Н+],

где [Н+] – равновесная молярная концентрация ионов Н+, g(Н+) – коэффициент активности ионов водорода, определяемый по правилу ионной силы (определяется из таблиц).

Для расчета рН щелочей используют соотношение

рН = 14 – рОН,

где рОН = –lga(OH-).

Пример 1. Рассчитайте рН 0,01 М раствора серной кислоты.

Решение. Серная кислота – H2SO4 – сильная двухосновная кислота, в растворе полностью распадается на ионы, и уравнение диссоциации записывают как необратимый процесс

H2SO4 ® 2H+ +

Согласно уравнению при полном распаде на ионы концентрация ионов составит 0,01 моль/л, а концентрация ионов [Н+] – в 2 раза больше, т.е. 0,02 моль/л.

Расчет рН следует проводить по формуле

рН = –lga(H+) = –lg (g(Н+)?[Н+])

Для определение коэффициента активности находим ионную силу раствора составит:

Коэффициент активности (находим из справочной литературы) =0,9

Тогда величина рН раствора серной кислоты составит

рН = –lga(H+) = –lg (g(Н+)?[Н+]) = –lg(0,9?0,06) = 1,27

Если пренебречь активностью ионов водорода, то

рН = –lg[H+] = –lg0,06 = 1,22

Пример 2. Рассчитайте рН раствора гидроксида бария Ва(ОН)2, в 2 л которого содержится 1,713 г безводного гидроксида бария.

Решение. Ва(ОН)2 – щелочь, сильный электролит, в растворе полностью диссрциирует по уравнению

Ва(ОН)2 ® Ва2+ + 2ОН

Для определения молярной концентрации [ОН], вычислим молярную концентрацию щелочи

Согласно уравнению при полном распаде на ионы концентрация ионов Ва2+ составит 0,005 моль/л, а концентрация ионов [ОН] – в 2 раза больше, т.е. 0,01моль/л.

Для расчета рН щелочей используюем соотношение

рН = 14 – рОН = 14 + lga(OH-) = 14 + lg(g(OH)?[OН])

Рассчитаем ионную силу раствора:

Коэффициент активности (находим из справочной литературы) = 0,87

Тогда величина рН раствора Ва(ОН)2 составит

рН = = 14+lg(0,87?0,01) = 11,93

Пример 3. Рассчитайте, как изменится рН 0,01 М раствора гидроксида натрия, если в 1 л такого раствора растворить 0,5845 г хлорида натрия.

Решение. NaOH – сильный электролит, щелочь. При добавлении к раствору щелочи сильного электролита NaCl молярная концентрация ОН не изменится. Однако возрастет ионная сила раствора, что приведет к уменьшению коэффициента активности ионов, снижению активности ионов и, следовательно, к изменению рН раствора.

1. Рассчитаем сначала рН чистого раствора щелочи. Так как диссоциация протекает полностью согласно уравнению

NaOH ó Na+ + OH-,

то [OH] равна молярной концентрации NaOH, и составляет 0,01 моль/л.

При величине ионной силы данного раствора

коэффициент активности равен 0,9.

Тогда , а

рОН = –lg –lg0,009 = 2,05

рН = 14 – рОН = 14 – 2,05 = 11,95

2. Теперь рассчитаем рН после добавления в раствор NaOH соли хлорида натрия. В водном растворе хлорид натрия диссоциирует нацело:

NaCl ® Na+ + Cl,

что дает в раствор .

Следовательно, ионная сила такого раствора с учетом всех видов ионов станет равной:

При такой ионной силе коэффициент активности равен 0,8.

Тогда , а

рОН = –lg –lg0,008 = 1,1

рН = 14 – рОН = 14 – 1,1 = 11,9.

Таким образом, рН раствора уменьшится с 11,95 до 11,9.

Слабые электролиты – кислоты и основания, константы ионизации которых меньше 10–4.

Концентрации ионов Н+ (ОН) и, следовательно, рН растворов слабых кислот (оснований) определяется не только концентрацией раствора, но и константой ионизации кислоты (основания), т.е. природой электролита.

Степень диссоциации (a) слабых электролитов связана с их концентрацией в растворе законом разбавления Оствальда

,

где Кд – константа диссоциации (ионизации) слабой кислоты Кк–ты или слабого основания Косн, С – молярная концентрация (моль/л).

Для расчета рН растворов слабых многоосновных кислот и многокислотных оснований используют, в основном, константу диссоциации по первой ступени.

Для слабой кислоты

[H+] = a×Cк–ты = ,

рН = –lg[H+] = –lg = ½ (pКк–ты – lgСк–ты)

Для слабого основания

[ОН] = a×Cосн = ,

рН = 14 – рОН = 14 + lg[ОH] = 14 + lg = 14 – ½ (pКосн – lgСосн)

 

Для электролитов, константы ионизации которых больше 10–4, используется более строгое уравнение Оствальда расчета степени ионизации:

Пример 4. Рассчитайте рН 0,001 М раствора селеноводородной кислоты.

Решение. Селеноводородныя кислота – H2Sе – слабая двухосновная кислота, в растворе диссоциирует ступенчато:

1-я ступень:H2Sе ó H+ + HSe, Кд1 = 1,55?10–4

2-я ступень: HSe ó H+ + Se2–, Кд2 = 1?10–11

При расчетах рН растворов слабых электролитов можно с достаточной степенью точности использовать формулу

рН = –lg[H+]

В соответствии с уравнением диссоциации по первой ступени концентрация ионов Н+ равна концентрации HSe и концентрации диссоциированных молекул H2Se. Тогда, по определению: ,

[H+] = a?cкислоты = = 3,937?10–4

рН = –lg[H+] =–lg3,937?10–4 = 3,4

Пример 5. Рассчитайте концентрацию раствора муравьиной кислоты с рН равным 3. Решение. Муравьиная кислота НСООН – слабый электролит, диссоциирует обратимо по уравнению

HCOOH ó H+ + HCOO, Кд = 1,8?10–4

Из уравнения диссоциации видно, что при диссоциации одной молекулы кислоты возникает один катион Н+ и один анион НСОО. Так как по условию рН раствора равен 3, то концентрация данных ионов составляет [H+] = =[HCOO] = 10–3 моль/л. При этом концентрация диссоциированной кислоты также составляет 10–3 моль/л. Обозначив исходную концентрацию кислоты через х и учитывая, что в начальный момент продуктов диссоциации не было, находим, что при равновесии концентрация недиссоциированной кислоты [HCOOH] = (x – 10–3) моль/л.

Запишем выражение для константы диссоциации муравьиной кислоты и подставим значения равновесных концентраций

,

 

откуда х = 0,0055 моль/л, что соответствует молярной концентрации кислоты.

 

Пример 6. Рассчитайте, как изменится рН 0,01 М раствора NH4ОH при разбавлении его в 100 раз.

Решение. NH4ОН – слабый электролит, диссоцииует обратимо по уравнению:

NH4OH ó + OH

Из уравнения диссоциации следует, что для расчета рН следует рассчитать равновесную концентрацию ОН, а затем воспользоваться соотношением

рН = 14 – рОН

Найдем рН 0,01 М раствора NH4ОН, Кд = 1,76?10–5

[OH] = a?cосн =

Тогда,

рН = 14 + lg[OH] = 14 + lg4,2?10–4 = 10,62

 

Теперь рассчитаем рН раствора, разбавленного в 100 раз, т.е. при концентрации NH4ОН равной 10–4 моль/л:

[OH] = a?cосн =

Тогда,

рН = 14 + lg[OH] = 14 + lg4,2?10–5 = 9,62

Таким образом, при разбавлении раствора происходит уменьшение величины рН.


Сейчас читают про: