- •4. Квалификация чистоты вещества. Окраска пламени. Системы качественного анализа. Закон действия масс с учетом постулата Гульдберга и Вааге. Задачи по теме
- •Системы качественного анализа.
- •5. Закон действия масс как выражение константы равновесия химической реакции. Требования к скорости реакции и скорости достижения равновесия в аналитической химии. Задачи по теме.
- •2. Оценка точности измерений при малом числе определений. Доверительный интервал и доверительная вероятность. Обнаружение промахов. Задачи по теме.
- •3. Построение и оформление графиков. Использование функциональных шкал.
- •6. Теория электролитической диссоциации с. Аррениуса. Смещение ионных равновесий в растворах слабых электролитов. Задачи по теме.
- •7. Теория сильных электролитов. Активность, коэффициент активности, ионная сила раствора. Приближения Дебая. Уравнение Девиса. Задачи по теме.
- •9. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Шкала рН и рОн. Задачи по теме.
- •10. Буферные растворы. Буферная емкость. Задачи по теме.
- •6.Б. Гидролиз солей сильного основания и слабой кислоты. Вывод аналитических зависимостей. Задачи по теме.
- •IV. Гидролиз солей слабого основания и слабой кислоты. Вывод аналитических зависимостей.
- •8. Ступенчатая диссоциация многоосновных кислот и многокислотных оснований. Расчет равновесий концентрации исходных веществ и продуктов электролитической диссоциации различных ступеней.
- •(2). Взаимодействие смесей солей с растворителем.
- •2. (2). Влияние ионной силы раствора на активность ионов водорода при взаимодействии солей с растворителем.
- •3. (2). Окислительно-восстановительные процессы в аналитической химии. Метод полуреакций при написании уравнений подобных процессов. Написание уравнений по теме. Ов - потенциал и уравнение Нернста.
- •4. (2). Окислительно-восстановительные процессы с органическими соединениями. Усложненные реакции с неорганическими соединениями. (золотов)
- •6. (2). Коллоидные системы в аналитической химии. Строение коллоидных частиц и мицелл.
- •7. (2). Хроматография.
- •1) Адсорбционная.
- •2. Вытеснительная хроматография.
- •3. Распределительная хроматография.
- •4. Ионно-обменная хроматография.
- •5. Бумажная хроматография.
- •6. Газовая (газожидкостная) хроматография.
- •11. Виды растворителей. Особенности их влияния на физико-химические свойства вещества, используемые в аналитической химии. Классификация Паркера. Неводные растворители
- •. Понятие "химический эквивалент". Современная трактовка. Задачи по теме.
- •10. Протолитическая теория Бренстеда-Лоури. Протолитическое равновесие.
- •Автопоротолиз.
. Понятие "химический эквивалент". Современная трактовка. Задачи по теме.
аА + bB продукты
Реагирующие вещества взаимодействуют в строго эквивалентных соотношениях.
Эквивалентом называется реальная или условная частица, способная принимать или отдавать 1 ион Н+, принимать или отдавать 1 электрон в О-В реакциях или быть любым другим способом эквивалентна 1 протону или 1 электрону.
Например, KMnO4 + Na2SO4 + Н2SO4 Mn2+
1/5 часть KMnO4 способна принимать 1 электрон, т.е. эквивалент перманганата калия в данном случае равен 1/5. Иногда называют фактор эквивалента.
Т.о. мерой количества вещества эквивалента является моль. Если эквивалентом является реальная или условная частица, то число Авогадро таких частиц – это молярная масса химического эквивалента (моль/экв).
Нормальная концентрация – это число мол-эквивалентов вещества в 1 литре раствора. Масса одного эквивалента (г/экв) – эквивалентная масса. Численно моль/экв = г/экв, но их смысл различен.
аА + bB продукты
А + b/aB продукты
b/a – фактор эквивалента.
10. Протолитическая теория Бренстеда-Лоури. Протолитическое равновесие.
Часто встречаются реакции с участием протонов (сольватированные ионы водорода). Такие реакции часто называют протолитические (нейтрализации, гидролиза, сольволиза). В этих реакциях участвует протон, частица, принимающая протон, частица отдающая протон. Протон протонирован (сольватирован) и бывает в виде:
Н+(самая прочная), Н3О+, Н5О2+; Н7О3+; Н9О4+.
Максимальная прочность с 1-ой молекулой воды: Н1 = 900 кДж/моль;
Н2 = 250 кДж/моль.
Простейшая реакция протолитического равновесия:
Н+ + ОН– НОН
Для понимания закономерностей протекания протолитических взаимодействий необходимо было сформулировать понятие кислот и оснований. Существует до 10 теорий кислот и оснований. Простейшей и первой явилась теория Аррениуса. По ней кислотами называются вещества, способные при эл. диссоциации (проведении реакций) отщеплять протон водорода. Основания – вещества, способные отщеплять ион гидроксила при диссоциации (той или иной реакции).
НС1 Н+ + С1–
NaOH Na+ + ОН–
Эта теория впервые позволила количественно оценить силу кислот и оснований, введя понятие константы кислотности и константы основности.
Константа кислотности:
НА Н+ + A–
Ка
=
;
Константа основности:
Me (ОН)n Me (ОН)+n-1 + OH–
Кb
=
При этом чем больше величины Ка и Кb, тем сильнее кислота или основание.
Но теория Аррениуса имеет недостатки, в числе которых:
она применима только к водным растворам;
2) имеется большое количество оснований, молекулы которых не содержат группу ОН– (NH3, C5H5N), но они являются сильными основаниями в водных и неводных растворах. Теория Аррениуса была бессильна объяснить эти свойства, в связи с чем появились многочисленные другие теории кислот и оснований.
Автопоротолиз.
Дело в том, что молекулы многих растворителей способны самопроизвольно ионизироваться. Автопоротолиз – самопроизвольная ионизация растворителя, при этом проявляя кислотные или основные свойства, что во многом и определяет химические свойства раствора.
Например, автопротолиз воды:
Н2О + Н2О Н3О+ + ОН–
Н3О+ - катион гидроксония, ОН– – анион гидроксила.
Константа равновесия:
Кр
=
= 3,2410–18
Т.к. в 1 л воды 1000 г, то [Н2О] = 1000г/л / 18г/моль = 55,55 моль/л, то
[Н3О+][ОН–] = 3,2410-18 55,552 = 10-14 Это ионное произведение воды КW.
Можно записать:
Н2О Н+ + ОН–
Кр
=
= 1,8610–16
[Н+][ОН–] = 1,8610–1655,55 = 10-14
Автопротолизу подвержены очень многие растворители: все спирты, карбоновые кислоты и т.д.
В общем случае:
BS + BS B2S+ + S–, B2S+ - ион лиония, S– - ион лиата.
Кр
=
Кр[BS]2 = [B2S+][S–] = КS – ионное произведение растворителя (сольвента).
Например, метиловый спирт:
СН3ОН + СН3ОН СН3ОН2+ + СН3О–
ион метаксония ион метаксила
Кр
=
[СН3ОН2+][СН3О–] = Кр[СН3ОН]2 = КS
Плотность спирта равна 1,25
[СН3ОН] = (1000d)/M(CН3ОН) = 800/32 = 25 моль/л
КS(СН3ОН) = [СН3ОН2+][СН3О–] = 10–15,6
рКs = 15,6
Поэтому шкала рН для метанола:
7,8 – нейтральная точка.
Для этилового спирта:
С2Н5ОН + С2Н5ОН С2Н5ОН2+ + С2Н5О–
ион этаксония ион этаксила
КS = [С2Н5ОН2+][ С2Н5О–] = 10–19
рКs = 19
Шкала рН для этанола:
9,5 – нейтральная точка.
Уксусная кислота (ледяная):
СН3СООН + СН3СООН СН3СООН2+ + СН3СОО–
ион ацетония ион ацетата
КS = [СН3СООН2+][ СН3СОО–] = 10–12,6
Шкала рН для уксусной кислоты:
Для аммиака:
NH3 + NH3 NH4+ + NH2–
ион аммония ион аммоксила
КS = [NH4+][NH2–] = 10–32,3
рКs = 32,3
В средах различных протолитических растворителей возможны, по крайней мере, 2 процесса:
НS + HA H2S + A–
HS + HA H2A+ + S–
Пример: в качестве растворителя возьмем хлорную кислоту (очень сильную):
НС1О4 + СН3СООН СН3СООН2+ + С1О4–
Дело в том, что разные растворители обладают различными кислотными и основными свойствами, приводящими к ряду взаимодействий:
Например, вода по отношению к спиртам может выступать как основание:
С2Н5ОН + НС1 С2Н5ОН2+ + С1–
С2Н5ОН2+ + Н2О Н3О+ + С2Н5ОН – реакция пересольватации протона.
Т.о. автопротолиз определяет течение очень большого числа реакций, он же требует и более строгого определения понятий кислота и основание.
Теория кислот и оснований Бренстеда – Лоури.
По этой теории кислотой называется вещество, отдающее протон, а основанием – вещество, принимающее протон, иначе говоря у молекулы кислоты сродство к протону невелико, у основания – велико.
Н2О + Н2О Н3О+ + ОН–
к-та основание кислота основание
Одна молекула воды (катион гидроксония) приняла протон, другая (гидроксид-ион) – отдала.
Вывод: исходя из этой теории кислоты и основания всегда сопряжены друг с другом, т.е. в растворе кислота всегда сосуществуют кислота и основание. Одно и то же вещество в одних условиях может выступать как кислота, в других – как основание.
Например, в воде уксусная кислота является кислотой:
СН3СООН + Н2О Н3О+ + СН3СОО–
кислота основание кислота основание
В самой сильной хлорной кислоте – основанием.
СН3СООН + НС1О4 СН3СООН2+ + С1О4–
основание кислота
NH3 + H2O NH4+ + ОН–
основание кислота
В роли кислот могут выступать нейтральные молекулы:
С6Н5ОН С6Н5О– + Н+
Могут быть анионные кислоты: Н2РО4– Н+ + НРО42–
Катионные кислоты: NH4+ NH3 + H+
Ионы металла также могут выступать в роли кислоты:
[А1(Н2О)6]3+ [А1(Н2О)5ОН]2+ + Н+
Т.о. катионы металлов могут отщеплять ион Н+ от своей гидратной оболочки. При этом кислотные свойства тем сильнее, чем выше удельный заряд иона, т.е. чем выше отношение зарядов иона к его радиусу.
[Ti(Н2О)6]4+ > [А1(Н2О)6]3+ > [Са(Н2О)6]2+
Исходя из теории Бренстеда-Лоури одно и то же соединение может быть и кислотой и основанием. Соединения, которые способны отдавать и принимать протоны называются амфипротными М.б. нейтральные молекулы А1(ОН)3, и ионы..
Например, для NaHCO3:
НСО3– + Н2О СО32– + Н3О+ (1)
Кр =
=
4,810–11 = КА
НСО3– + Н2О Н2СО3 + ОН– (2)
Кр =
=
2,210–8 = Кb
Т.о. Кb >> КА, значит у гидрокарбонат-иона основные свойства выражены гораздо сильнее, поэтому преимущественно пойдет реакция (2), и для раствора NaHCO3 рН>7.
Рассмотрим соотношение основных и кислотных свойств сопряженных кислот и оснований.
Для уксусной кислоты:
СН3СООН СН3СОО– + Н+
или СН3СООН + Н2О СН3СОО– + Н3О+
КА =
СН3СОО– + Н2О СН3СООН + ОН–
Кb
=
Тогда:
КАКb = = [Н3О+][ОН–]
Т.е. КАКb = КW (в водных растворах)
КАКb = КS (в неводных растворителях)
Т.о. при постоянстве природы растворителя произведение КА некоторой кислоты и Кb сопряженного с ней основания равно ионному произведению растворителя.
Решение задач.
1) Рассчитать Кb ацетат – иона в водном растворе, если константа кислотности сопряженной с этим ионом кислоты КА (СН3СООН) = 1,7510–5.
СН3СООН + Н2О СН3СОО– + Н3О+
КАКb = КS (для воды КW)
Кb = (СН3СОО–) = КW/КА = 10–14/1,7510–5 = 5,610–10
2) Константа кислотности ортофосфорной кислоты по ступеням электролитической диссоциации равны соответственно по записи: рКAI = 2,33; рКAII = 7,21; рКAIII = 11,67. Рассчитать константу основности оснований, сопряженных с кислотой на каждой ступени.
Для воды:
КАКb = КW, прологарифмируем:
lg КА + lgКb = lgКW (–1)
–lg КА – lgКb = –lgКW
рКА + рКb = рКW
рКА + рКb = 14
рКb = 14 – рКА
I ступень: Н3РО4 Н2РО4– + Н+
рКb (Н2РО4–) = 14 – рКА = 14 – 2,33 = 11,67
II ступень: Н2РО4– НРО42– + Н+
рКb (НРО42–) = 14 – 7,21 = 6,79
III ступень: НРО42– РО43– + Н+
рКb (РО43–) = 14 – 11,67 = 2,33
Т.о. по мере возрастания ступени эл. диссоциации кислотные свойства уменьшаются, а основные – возрастают.
В результате, для каждого растворителя существует 4 константы: рКА и рКb молекулярной формы, рКА лионий-иона и рКb лиат-иона.
Например, для метанола:
рКА,S : СН3ОН Н+ + СН3О (лиат-ион)
рКb,S : СН3ОН + Н+ СН3ОН2+ (лионий-ион)
рКb лиат-иона: СН3О + Н+ СН3ОН
рКА лионий-иона: СН3ОН2+ СН3ОН + Н+
