Произведение растворимости

1. Обсудите понятие произведения растворимости, как константы равновесия. Факторы, от которых зависит величина ПР.

2. Можно ли утверждать, что ПР есть характеристика малорастворимых солей? Можно ли использовать понятие ПР при рассмотрении свойств кислот и оснований?

3. В каких случаях ПР может быть выражено через концентрацию ионов, а в каких нужно пользоваться их активностями?

4. Напишите выражения для произведения растворимости следующих веществ:
AgCl, AgN₃, Ag₂S, Bi₂S₃, Ca(OH)₂, Fe₄[Fe(CN)₆].

5. Рассчитайте ПР для CaC₂O₄ при 13°C, если в 100 г воды при данной температуре растворяется 0,00067 г вещества.

6. Концентрация иона таллия (I) в насыщенном водном растворе хлорида таллия при 298 К равна 0,013 моль/л. Найдите ПР_TlCl в воде при 298.

7. Рассчитайте растворимость фторида кальция при 298 К:

a) в чистой воде;

b) в 0,01 М водном растворе NaF;

c) в 1·10 ^{- 4} М водном растворе перхлората кальция (без учета изменения ионной силы раствора).

8. Известно, что глаз человека замечает осадок в виде мути, если в 1 мл раствора содержится 10 ^{- 5} г кристаллического вещества. Можно ли заметить образование осадка, если слить вместе 10 мл раствора хлорида кальция с концентрацией 10 ^{- 3} моль/л и 10 мл раствора Na₂S с концентрацией 10^-3 моль/л?

9. Вычислите молярность раствора и концентрацию Fe³⁺ в насыщенном растворе гидроксида железа (III).

10. К 5 мл раствора сульфата натрия с концентрацией 10 ^{- 2} моль/л добавили 95 мл раствора хлорида кальция с концентрацией 10 ^{- 2} моль/л. Образуется ли осадок сульфата кальция?

11. Ионы серебра обладают сильно выраженными бактерицидными свойствами. Нижний предел бактерицидного действия ионов серебра оценивается как 10 ^{- 11} моль/л. Достигается ли эта концентрация в насыщенных растворах хлорида, бромида и иодида серебр, если их растворимости соответственно равны 9·10 ^{- 6}, 1,6·10 ^{- 6}, 3·10 ^{- 7} г в 10 г воды?

12. Какая соль лучше растворима в воде – хлорид или хромат серебра – и во сколько раз?

13. Обычное содержание F ^– в питьевой воде составляет 0,7–1,0 мг/л. Достигается ли требуемое содержание фторид–ионов в питьевой воде при ее присутствии на твердом фториде кальция?

14. Мочекаменная болезнь связана с образованием камней в почках. Состав камней может быть различным. Образуются фосфаты, оксалаты и карбонаты кальция. Какой объем воды необходимо пропустить через почки, чтобы растворить 0,2 г CaCO₃; 0,15 г CaC₂O₄ и 0,1 г Ca₃(PO₄)₂?

Окислительно-восстановительные реакции

Основные определения

Окислительно-восстановительные реакции – реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав взаимодействующих соединений. В ОВР всегда присутствует и окислитель, и восстановитель. По сути ОВР – это процесс переноса электронов от восстановителя к окислителю, т.е. электрон-донорно-акцепторные реакции

Окислитель (Ox) – вещество (молекула, атом, ион), принимающее электроны, т.е. восстанавливающееся в результате реакции. Процесс принятия электронов окислителем называется восстановлением.

Восстановитель (Red) – вещество (молекула, атом, ион), отдающее электроны, т.е. окисляющееся в результате реакции. Процесс отдачи электронов восстановителем называется окислением.

Типы окислительно-восстановительных реакций

Межмолекулярные ОВР – окислитель и восстановитель входят в состав разных молекул:

С⁰      + О₂⁰  = С⁺⁴О₂^–2

  Ox        Red

Внутримолекулярные ОВР – окислитель и восстановитель входят в состав одного вещества:

KN⁺⁵O₃^–2 = KN⁺³O₂ + O₂⁰

    Ox и Red

ОВР диспропорционирования – атомы одного и того же элемента, находящиеся в одной степени окисления, в ходе окислительно-восстановительной реакции одновременно выступют в качестве окислителя и восстановителя, при этом из одной промежуточной степени окисления получаются две, большая и меньшая:

Cl₂⁰ + 2NaOH = NaCl^–1 + NaOCl⁺¹ + H₂O

                               Ox и Red

ОВР конпропорционирования – атомы одного и того же элемента, находящиеся в разных степенях окисления, одновременно играют роль окислителя (если находятся в большей степени окисления) и восстановителя (если находятся в меньшей степени окисления), при этом из двух разных степеней окисления этого элемента образуется одна промежуточная:

2H₂S^–2 + S⁺⁴O₂ = 3S⁰ + 2H₂O

                                            Red     Ox

Метод полуреакций

Метод полуреакций используют для нахождения коэффициентов в ОВР, протекающих в водном растворе. В этом методе учитывается количество электронов, участвующих в процессах окисления-восстановления между реально существующими частицами в растворе (молекулами и ионами) или, другими словами, учитывая процессы электролитической диссоциации.

Уравнивание ОВР методом полуреаций можно описать следующей последовательностью.

1. Определить потенциальный окислитель и восстановитель.

2. Определить продукты реакции, т.е. то, во что переходят окислитель и восстановитель.

3. Исходя из этого, написать полуреакции, соответствующие окислению восстановителя и восстановлению окислителя, учитывая при этом среду, в которой протекает реакция.

4. Свести материальный баланс полуреакций, а затем и электронный баланс, подсчитав заряды в обеих частях уравнений.

5. Все дальнейшие действия с полуреакциями осуществлять, представляя их алгебраическими уравнениями.

Количество электронов, ушедших от восстановителя при его окислении, должно быть равно количеству электронов, принятому окислителем в процессе восстановления. Поэтому домножая эти уравнения (полуреакции) на количество электронов и складывая их, получаем реакцию в ион-молекулярном виде. После приведения подобных членов и введения ионов в левую и правую части, получаем ОВР.

Пример 1, кислый раствор.

KMnO₄ + NaNO₂ + H₂SO₄ → MnSO₄ + NaNO₃ + K₂SO₄ + H₂O

В данной реакции, проходящей в кислом растворе (в левой части уравнения присутствует серная кислота), окислителем является перманганат калия, KMnO₄, а восстановителем – нитрит натрия, NaNO₂. Т.к. оба этих соединения являются сильными электролитами, то в водном растворе реальным окислителем будет перманганатный ион MnO₄^─, который в результате реакции превращается в сульфат марганца MnSO₄, или, на самом деле, в Mn²⁺:

MnO₄^─ → Mn²⁺ (полуреакция восстановления)

Аналогично, в случае нитрита натрия:

NO₂^─ → NO₃^─ (полуреакция окисления)

При использовании метода полуреакций сначала необходимо уравнять количество элементов в обеих частях реакции. В кислом растворе для уравнивания кислорода и водорода можно пользоваться молекулами воды и протонами:

MnO₄^─  + 8H⁺ →  Mn²⁺ + 4H₂O

NO₂^─  + H₂O → NO₃^─ + 2H⁺

Затем необходимо уравнять заряды в левой и в правой части обеих полуреакций, исходя из того, что окислитель принимает электроны, а восстановитель отдает, уравнять полуреакции между собой по электронам и сложить с учетом произведенного домножения левые части полуреакций с левыми, а правые части – с правыми. Сокращая одинаковые частицы в левой и в правой частях полуреакции, получается окислительно-восстановительная реакция в ином виде:

2 [MnO₄^─  + 8H⁺]⁺⁷ + 5ē →  [Mn²⁺ + 4H₂O]⁺² (суммарный заряд понижается на 5 единиц, следовательно, система частиц принимает 5 электронов)

5 [NO₂^─  + H₂O] ^─1 – 2ē → [NO₃^─ + 2H⁺]⁺¹ (суммарный заряд повышается на 2 единицы, следовательно, система частиц отдает 2 электрона)

2MnO₄^─  + 16H⁺ + 5NO₂^─  + 5H₂O → 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5NO₃^─ + 10H⁺ (подчеркнутые частицы можно сократить):

2MnO₄^─  + 6H⁺ + 5NO₂^─  → 2Mn²⁺ + 3H₂O + 5NO₃^─

Остается перенести коэффициенты из ионного уравнения в молекулярное, учитывая индексы ионов в молекулах (коэффициент перед серной кислотой равен трем, т.к. в ее состав входит два протона):

2KMnO₄ + 5NaNO₂ + 3H₂SO₄ → 3MnSO₄ + 5NaNO₃ + K₂SO₄ + 3H₂O

Пример 2, щелочной раствор.

KMnO₄ + NaNO₂ + КОН → K₂MnO₄ + NaNO₃ + H₂O

Метод уравнивания аналогичен случаю в кислом растворе. В случае щелочного раствора для уравнивания кислорода и водорода используются молекулы воды и гидроксидные анионы:

2 [MnO₄^─]^─1 + 1ē →  [MnO₄^2─]^─2

1 [NO₂^─  + 2OH^─] ^─3 – 2ē → [NO₃^─ + H₂O] ^─1

2MnO₄^─  + NO₂^─    + 2OH^─  → 2MnO₄^2─  + NO₃^─     + H₂O; или в молекулярном виде:

2KMnO₄ + NaNO₂ + 2КОН → 2K₂MnO₄ + NaNO₃ + H₂O

Пример 3, нейтральный раствор.

KMnO₄ + NaNO₂ + H₂O → MnO₂ + NaNO₃ + КОН

В нейтральном растворе при уравнивании полуреакций по элементам в левой части записывается только вода, а в правой части либо протоны, либо гидроксидные ионы:

2 [MnO₄^─ + 2H₂O]^─1 + 3ē →  [MnO₂ + 4OH^─]^─4

3 [NO₂^─  + H₂O] ^─1 – 2ē → [NO₃^─ + 2H⁺] ⁺¹

2MnO₄^─ + 4H₂O + 3NO₂^─  + 3H₂O →  2MnO₂ + 8OH^─ + 3NO₃^─ + 6H⁺

В нейтральном растворе, как правило, в правой части полученного ионного уравнения присутствуют одновременно протоны и гироксидные ионы, которые обязательно взаимодействуют между собой: H⁺ + OH^─ = H₂O. В рассмотренном примере вместо 8OH^─ + 6H⁺ в правой части будет 6H₂O + 2OH^─. В результате сокращения воды получается следующая реакция:

2MnO₄^─ + 3NO₂^─    + H₂O → 2MnO₂ + 3NO₃^─ + 2OH^─

2KMnO₄ + 3NaNO₂ + H₂O → 2MnO₂ + 3NaNO₃ + 2КОН

Приведенная ниже таблица позволяет понять, какие частицы следует добавлять в полуреакциях для уравнивания кислорода и водорода:

	Кислый раствор	Щелочной раствор
Не хватает О	+ n H2O [3]	+ 2 n OH─ ─ n H2O [4]
Не хватает Н	+ n H+	+ n H2O ─ n OH─

В нейтральном растворе в левой части присутствует только вода.