10.2 Растворы электролитов

Электролитами называются вещества, которые при растворении в воде подвергаются протолизу (диссоциируют или распадаются) на ионы и проводят электрический ток. Неорганические кислоты, основания и соли являются электролитами.

Сила электролита характеризуется степенью протолиза ( ), которая показывает отношение числа молекул, распавшихся на ионы ( ), к общему числу молекул электролита в растворе ( ), и выражается в процентах:

(10.2.1)

Условно считают электролиты, подвергшиеся протолизу на 3% и менее (т.е. ) – слабыми, а на 30% и более ( ) – сильными.

В растворе слабого электролита устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами и продуктами их распада – ионами. Например, в растворе слабой одноосновной кислоты:

Константа такого равновесия выражается через равновесные концентрации соответствующих частиц в растворе и называется константой протолиза или константой диссоциации :

(10.2.2)

Многоосновные кислоты распадаются ступенчато, каждая ступень из которых характеризуется своей константой. Например:

Согласно закону разбавления Оствальда, связаны уравнением:

,

(10.2.3)

где – молярная концентрация электролита, моль/дм³.

При уравнение упрощается:

(10.2.4)

Для расчетов, связанных с протолизом кислот, часто используют не , а показатель константы протолиза (диссоциации) , который равен:

(10.2.5)

С возрастанием , т.е. с увеличением силы кислоты, значение уменьшается, следовательно, чем больше , тем слабее кислота. Так, значения для слабых кислот от лежат в пределах от 4,76 до 9,21.

Для одноосновных кислот, например, уксусной – , концентрации равны и составляют:

С учетом уравнения (10.2.4) имеем:

.

Пример 1. Степень протолиза в 0,1 М растворе равна 1,32·10^–2. Найдите константу протолиза (диссоциации) кислоты и значение . По величине сделайте вывод о силе кислоты.

Решение. Запишем уравнение протолиза (диссоциации) уксусной кислоты:

.

Подставим данные задачи в уравнение Оствальда:

.

Откуда

Пример 2. Какова концентрация ионов водорода в 0,1М растворе германиевой кислоты , если константа протолиза этой кислоты по первой ступени равна 2,6·10^–9?

Решение. Запишем уравнение протолиза германиевой кислоты по первой ступени:

;

В насыщенном растворе малорастворимого сильного электролита устанавливается равновесие между осадком (твердой фазой) электролита и ионами электролита в растворе, например:

Данное равновесие характеризуется константой равновесия:

где – константа равновесия; ; ; – концентрации катиона, аниона и электролита (в осадке).

Концентрация твердой фазы остается неизменной и ее условно принимают равной единице, а величину называют произведением растворимости и обозначают :

(10.2.6)

Величина является важной термодинамической константой и характеризует равновесие между насыщенным раствором и твердой фазой. С помощью можно решать многие вопросы химической практики.

Условием образования осадка является превышение произведения концентраций ионов малорастворимого электролита над его . Растворение осадка такого электролита происходит, когда произведение концентраций его ионов меньше, чем .

Пример 3. Произведение растворимости равно 2,0·10^–7. Вычислить концентрацию ионов в насыщенном растворе не содержащем одноименных ионов.

Решение. Уравнение протолиза имеет вид:

.

Поэтому

.

Так как при протолизе ионов получается в 2 раза меньше, чем ионов , следовательно:

Пример 4. Установлено, что произведение растворимости равно 5,6·10^–6. Выпадает ли осадок при смешивании равных объемов растворов

Решение. Запишем уравнение реакции:

При смешивании двух растворов объем раствора увеличивается вдвое, а концентрации взятых веществ в смеси также уменьшатся в 2 раза.

Концентрация раствора будет равна 0,01 моль/дм³, а раствора – 0,005 моль/дм³.

Отсюда , что больше, чем Следовательно, осадок выпадает.

Водородный показатель – рН

Вода частично распадается:

По закону действующих масс:

– ионное произведение воды. На основании опыта установлено, что при оно составляет 10^–14 (моль/дм³). Тогда для чистой воды:

(10.2.7)

Для удобства расчетов используют водородный показатель рН:

(10.2.8)

– величина, количественно характеризующая характер среды. При – кислая среда, так как , при – среда нейтральная и , при – щелочная среда, так как .

Из выше изложенного справедливо уравнение

(10.2.9)

Пример 5. Чему равна концентрация -ионов в растворе, которого равен 10,80? Решение. Из формулы (10.2.9) следует: