Физико-химйческие свойства растворов

Соли, основания, кислоты при растворении их в воде переходят в состояние гидратированных анионов и катионов, т.е. диссоциируют. По способности к диссоциации электролиты разделяются на сильные и слабые. Сильные электролиты при растворении в воде полностью диссоциируют на ионы, слабые электролиты -частично. В растворах слабых электролитов устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами и продуктами их диссоциации - ионами.

Например, в водном растворе уксусной кислоты устанавливается равновесие

CH₃COOH  H⁺ + CH₃COO^-,

константа которого (константа диссоциации) связана с концентрациями соответствующих частиц соотношением.

K_дисс. = [H⁺]  [СH₃COO^-] / [CH₃COOH]

Степенью диссоциации электролита называется доля его молекул, подвергшихся диссоциации, т.е. отношение числа молекул, распавшихся в данном растворе на ионы, к общему числу молекул электролита в растворе. При диссоциации электролита AB « A⁺+ B^- константа и степень диссоциации связаны соотношением (закон разбавления Оствальда):

К_дисс.= ² С_м / (1-)

(С_м - молярная концентрация электролита, моль/л).

Пример 1. Определить концентрацию ионов ОН^- в 0,01 М раствора NН₄OН, если К_дисс.= 1,77 ×10^-5

Решение. Концентрация ионов С в растворе электролита зависит от молярной концентрации электролита С_м его степени диссоциации  и числа ионов данного вида n: C=C_м    n.

Для определения концентрации ионов ОН^- в растворе находят степень диссоциации _NH4OH

 = K_дисс/С_М = (1,7710^-5)/(0,0110^-2) = 1,7710^-3 = 0,4210^-1

Концентрация ОН^- ионов равна.

Сон- =0,010,4210^-1 1 (ион ОН^-) = 0,42 10^-3 моль/л,

Пример 2. Вычислить при 100^оС давление насыщенного пара воды над раствором, содержащим 10г гидроксида калия в 150г воды. Кажущаяся степень диссоциации КОН равна 0,8.

Решение. Находим изотонический коэффициент i , который

связан со степенью диссоциации электролита  соотношением

i=1 + (n-1)

где n - число ионов, на которые распадается при диссоциации молекула электролита. Для КОН n= 2.

i = 1 + 0,8(2 - 1) = 1,8. Понижение давления пара над раствором вычисляем по уравнению

 P=P₀  i n₂/ (n₁+in₂),

Р₀ - давление насыщенного пара над чистым растворителем;

n₁ - количество вещества растворителя;

n₂ - количество растворенного вещества;

i - изотонический коэффициент.

Давление насыщенного пара над водой при 100°С равно 10,13  104 Па. Мольная масса КОН составляет 56 г/моль, мольная масса воды 18 г/моль. Следовательно, n₁ = 150/18 = 8,3 моля,

n₂ = 10/56 = 0,18 моля. Отсюда

 Р = 10,1З104(1,80,18)/(8,3 +1,80,18)=3,8103Па.

Находим искомое давление Насыщенного пара над раствором:

Р = Р₀ -  Р=10,1З10⁴ - 3,8 10³ =9,75  10⁴ Па.

Пример 3. Вычислить температуру кристаллизации и кипения 2%-ного водного раствора глюкозы C₆H₁₂О₆.

Решение. По закону Рауля понижение температуры кристаллизации и повышение температуры кипения раствора (t) по сравнению с температурами кристаллизации и кипения растворителя выражаются уравнением

t =Km1000/Mm₁, (1)

где К - криоскопическая или эбуллиоскопическая константы. Для воды они соответственно равны 1,86 и 0,52; m и М - соответственно масса растворенного вещества и его мольная масса; m₁ - масса растворителя.

Понижение температуры кристаллизации 2%-ного раствора C₆H₁₂О₆. находим из формулы (1):

t= 1,86 21000/18098 =0,21^о.

Вода кристаллизуется при 0°С, следовательно, температура кристаллизации раствора

0 - 0,21= -0,21°С.

Из формулы (1) находим и повышение температуры кипения 2%-ного раствора:

t = 0,52 21000/ 18098 = 0,06^о.

Вода кипит при 100^оС, следовательно, температура кипения этого раствора 100 + 0,06 = 100,06^оС.

Пример 4. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей: a) KCN; б)Na₂CO₃ в) ZnSO₄. Определите реакцию среды растворов этих солей.

Решение. Химическое обменное взаимодействие ионов растворенной соли с водой, приводящее к образованию слабодиссоциирующих продуктов (молекул слабых кислот или основании, анионов кислых или катионов основных солей) и сопровождающееся изменением рН среды, называется гидролизом.

а) Цианид калия KCN - соль слабой одноосновной кислоты НСN и сильного основания КОН. При растворении в воде молекулы КСN полностью диссоциируют на катионы К⁺ и анионы CN^-. Катионы К⁺ не могут связывать ионы ОН^- воды, так как КОН - сильный электролит. Анионы же СN^- связывают ионы H⁺ воды, образуя молекулы слабого электролита НСN. Соль гидролизуется, как говорят, по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:

СN^- + H₂O  НСN + ОН^-

или в молекулярной форме:

KCN+ H₂O  НСN +KOH

В результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионов ОН-, поэтому раствор KCN имеет щелочную реакцию (рН>7).

б) Карбонат натрия Na₂CO₃ соль слабой многоосновной кислоты и сильного основания. В этом случае анионы соли СО₃^2- связывая водородные ионы воды, образуют анионы кислой соли НСО₃^- , а не молекулы Н₂CO₃, так как ионы HCO₃^- диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Н₂CO₃. В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гадролизуется по аниону.

Ионо-молекулярное уравнение гидролиза:

СО^2- + Н₂О  HCO₃^- +ОН^-

или в молекулярной форме:

Na₂CO₃+H2O  NaHCO₃+NaOH

В растворе появляется избыток ионов ОH^-, поэтому раствор Na₂CO₃ имеет щелочную реакцию (рН > 7).

в) Сульфат цинка ZnSO₄ - соль слабого многокислотного основания Zn(OH)₂ и сильной кислоты H₂SO₄. В этом случае катионы Zn²⁺ связывают гидроксильные ионы воды, образуя катионы основной соли ZnОН⁺. Образование молекул Zn(OH)₂ не происходит, так как ионы ZnOH⁺ диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Zn(OH)₂. В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по катиону, Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:

Zn²⁺ + H₂O  ZnОН⁺ + H⁺

или в молекулярной форме

ZnSO₄+2 H₂O  (ZnOH)₂SO₄ + H₂SO_4.

В растворе появляется избыток ионов водорода, поэтому раствор ZnSO₄ имеет кислую реакцию (рН < 7).

Задача.121

Найти степень диссоциации  сероводородной кислоты по первой ступени в 0.1 м раствора, если константы диссоциации для этой ступени K₁= 1,1 10^-7.

Ответ: 1,05 10^-5

Задача 122

Константа диссоциации вещества К_дисс = 10^-4. При какой концентрации степень диссоциации достигнет 10%?

Ответ: 9,010^-3 моль/л

Задача 123

Определить степень диссоциации и концентрацию ионов [OH^-] в 0,1 н. раствора NH_чOH, если К_дисс.= 1,77 10^-5.

Ответ: 1,3310^-3 моль/л.

Задача 124

Давление водяного пара над раствором 24,8 г KCl в 100 г Н₂О при 100⁰C равно 9,14  10⁴ Па. Вычислите изотонический коэффициент, если давление водяного пара при этой температуре равно 1,013310⁵ Па.

Ответ: 1,75,

Задача 125

Давление водяного пара при 65°С равно 2,510⁴Па. Определить давление водяного пара над раствором, содержащим 34,2 г сахара C₁₂H₂₂O₁₁ в 90г воды при этой температуре.

Ответ: 2,4510⁴ Па

Задача 126

Сколько граммов мочевины (NH₂)₂CO следует растворить в 75 г воды, чтобы температура кристаллизации понизилась на 0,465°? Криоскопическая постоянная воды 1,86.

Ответ: 1,12 г.

Задача 127

К раствору Na₂CO₃ добавили следующие вещества: а) HCl; б) NaOH; в) Cu(NO₃)₂; г)K₂S. В каких случаях гидролиз карбоната натрия усилится? Почему? Составьте ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

Задача 128.

Составьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнения совместного гидролиза, происходящего при смешивании растворов K₂S и CrCl₃. Каждая из взятых солей гадролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты.

Задача 129

Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: Na₂CO₃ или Na₂SO₃; FeCl₃ или FeCl₂? Почему? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

Задача 130

Водно-спиртовой раствор, содержащий 15 % спирта (ρ = 0,97 г/мл), кристаллизуется при - 10,26⁰C. Найти молекулярную массу спирта и осмотическое давление раствора при 293 К.

Ответ: 32 г/моль; 13,4 МПа.

Задача 131

Давление пара раствора, содержащего растворенное вещество количеством 0,05 моль и воду массой 90г, равно 52,67 гПа при 34°С. Чему равно давление пара чистой воды при этой температуре?

Ответ: 5320 Па.

Задача 132

При 25°С давление пара воды равно 31,68 гПа. Найдите массу глюкозы, которую надо растворить в воде массой 540г, чтобы понизить давление пара на 8 гПа.

Ответ: 13,67 г,

Задача 133

При растворении вещества массой 1г в воде массой 50г получается непроводящий тока раствор, замерзающий при -0,81⁰C. Найдите молярную массу растворенного вещества.

Ответ: 45,9 г/моль,

Задача 134

Сахарозу какой массы надо растворить в воде объемом 100 мл, чтобы понизить температуру ее замерзания на 1°С; повысить температуру кипения на 1°С?

Ответ: 18,39 и 65,77 г.

Задача 135

Для муравьиной кислоты К_дисс=1,810^-4 при 20⁰С. Какое значение имеет степень диссоциации и концентрации ионов водорода в растворе кислоты при С=0,1 моль/л?

Ответ; 4,210^-3 моль/л,

Задача 136

Чему равно при 17°С осмотическое давление раствора, содержащего CaCl₂ массой 11,2г в растворе объемом 200 мл, если изотонический коэффициент раствора равен 2,5 ?

Ответ: 3,04 МПа.

Задача 137

Какой раствор, приготовленный из 1 кг воды, замерзает при более низкой температуре: содержащий сахарозу или глицерин массой по 10 г ?

Ответ: раствор глицерина

Задача 138

Вещество массой 018 г находится в 50 мл раствора. Осмотическое давление раствора при 0^оC равно 45,38 кПа. Найдите молярную массу растворенного вещества.

Ответ: 180 г/моль.

Задача 139

Раствор, содержащий глицерин массой 13,8 г в воде объемом 1 л, замерзает при - 0,279 °С. Найдите молярную массу глицерина.

Ответ: 92 г/моль.

Задача 140

Концентрация ионов Na⁺ в растворе NaNO₃ составляет 0,322 г/л при экспериментально найденной степени диссоциации, равной 70% . Найдите молярную и массовую (г/л) концентрацию NaNO₃.

Ответ: 0,02 моль/л; 1,7 г/л.

Контрольное задание № 2