Мачула А.А. Сборник задач по курсу Общая и неорганическая химия

H2PO4- ↔ HPO42- + H+.

(Обратите внимание на подчеркнутые ионы - они присутствуют в обоих процессах, хотя и расположены по разные стороны от стрелки).

Пример 5 Вычислить степень гидролиза ацетата калия в 0,1 М растворе и рН раствора.

Решение Уравнение реакции гидролиза

СН3СОО-+Н2О ↔ СН3СООН + ОН-. Из справочных данных Кa=1,8 10-5.

Кг = КW/Кa = 10-14 /(1,8 10-5) = 5,56 10-10 . h = √(Кг/С) = √(5,56 10-10 /0,1) = 7,5 10-5.

[ОН-] = h C = 7,5 10-5 0,1 = 7,5 10-6 моль/л. [Н+] = КW/[ОН-] = 10-14/(7,5 10-6) = 1,33 10-9 моль/л.

рН = -lg[Н+] = - lg 1,3 10-9 = 8,88.

Пример 6 Определить рН 0,1 М раствора ортофосфата калия К3РО4.

Решение

Для расчета рН достаточно ограничиться I ступенью гидролиза

PO43-+H2O ↔ HPO42-+ OH-,

соответствующей третьей ступени диссоциации фосфорной кислоты Кa3(Н3РО4) = 1,3 10-12.

Кг = КW/Кa3 = 10-14/(1,3 10-12) = 7,7 10-3.

Далее решение аналогично решению примера 5.

Если в раствор гидролизующейся соли ввести реактив, связывающий образующиеся при гидролизе ионы Н+ или ОН-, то, в соответствии с принципом Ле Шателье, для восполнения потерь этих ионов

91

равновесие смещается в сторону усиления гидролиза. Гидролиз может стать полным и необратимым.

Пример 7. Гидролиз хлорида цинка:

I ступень: Zn2++H2O ↔ ZnOH++H+

2 ступень: ZnOH++H2O ↔ Zn(OH)2↓ +H+.

Если в раствор соли ZnCl2 добавить немного щелочи, то гидроксидионы ОН- щелочи будут связывать образующиеся при гидролизе ионы Н+ с образованием воды. Равновесие сместится вправо, т.е. гидролиз пойдет и по 2 ступени, до конечного продукта Zn(OH)2↓. Если же раствор соли (ZnCl2) подкислить, то увеличение концентрации ионов Н+ сместит равновесие гидролиза влево, т.е. гидролиз будет подавлен.

Ионы Н+ (или ОН-) можно связать в молекулы воды, вводя в раствор не только щелочь (или кислоту), но и другую соль, которая также подвержена гидролизу, но характер среды в растворе которой противоположен характеру среды раствора первой соли. Сливаемые растворы взаимно нейтрализуют друг друга, гидролиз обеих солей усилится и станет необратимым, что приведет к образованию конечных продуктов гидролиза обеих солей

Пример 8

При смешении растворов солей Zn(NO3)2 и Na2CO3 гидролиз общих солей будет полным и необратимым.

Первый раствор

I ступень: Zn2++H2O ↔ Zn(OH)++H+,

2 ступень: ZnOH++H2O ↔ Zn(OH)2↓ +H+ .

Второй раствор

I ступень: CO32- + H2O ↔ HCO3-+OH-,

2 ступень: HCO3-+H2O ↔ H2CO3 + OH-.

При сливании растворов Н+ + ОН-→Н2О

92

и, как следствие (с учетом того, что угольная кислота неустойчива и разлагается на CO2 и H2O)

Zn2++CO32-+H2O → Zn(OH)2↓ + CO2↑

или в молекулярном виде

Zn(NO3)2 + Na2CO3 + H2O → Zn(OH)2↓ + CO2↑ + 2NaNO3.

Задачи для самостоятельного решения

1.Составить ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей по I ступени. Указать область значений рН (больше, меньше или равно 7).

2.Рассчитать константу гидролиза (Кг), используя справочные данные для констант диссоциации слабых электролитов.

3.Вычислить степень гидролиза раствора соли указанной концентрации (С моль/л).

4.Вычислить рН раствора соли (сравнить результат с ответом на первый вопрос !).

5.Куда и почему сместится равновесие гидролиза, если к раствору указанной соли добавить кислоту ?

6.Составить ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза при смешивании растворов двух солей, взаимно усиливающих гидролиз друг друга.

Варианты заданий

93

9. Растворимость. Равновесие осадок - раствор

Растворимость

Растворимость вещества измеряется концентрацией его насыщенного раствора. Наиболее распространенные формы выражения растворимости следующие:

а) процентная растворимость, выражаемая процентной концентрацией насыщенного раствора по отношению к массе растворителя или по отношению к массе раствора; б) молярная растворимость, выражаемая молярной концентрацией насыщенного раствора;

в) растворимость, выражаемая содержанием вещества в граммах на литр насыщенного раствора. Растворимость газов выражается объемом растворяемого газа в единице объема растворителя.

Растворимость обозначается S(x).

94

Пример 1 При 20оС в 50,00 г воды растворяется 8,05 г сульфата натрия.

Вычислить растворимость Na2SO4 при данной температуре, выразив ее в процентах по отношению к массе растворителя и раствора.

Решение

S(Na2SO4) = 8,05/50,00 100% = 16,1% - по отношению к массе растворителя.

S(Na2SO4) = 8,05/(50,00+8,05) 100% = 13,9 % - по отношению к массе раствора.

Пример 2 При 18оС в 200 мл насыщенного раствора сульфата натрия

содержится 32,66 г растворенного вещества. Вычислить молярную растворимость Na2SO4 при 18оС.

Решение Согласно уравнению для молярной концентрации раствора находим

S(Na2SO4) = (32,66 г/142 г/моль)/0,2 л = 1,15 моль/л.

Пример 3 При нормальных условиях в 100 л воды растворяется 6,985 г

кислорода. Выразить растворимость кислорода в миллитрах на литр воды.

Решение Вычислим объем 6,985 г О2 при нормальных условиях:

VO2 = (6,985 г/ 32 г/моль) 22,4 л = 4,90 л.

Этот объем кислорода растворяется в 100 л воды, следовательно, растворимость, отнесенная к 1 л воды, равна 0,049 л/л =49 мл/л.

Пример 4

При некоторой температуре в 1 кг водного раствора KNO3 содержится 450 г растворимого вещества. Сколько KNO3 выделится из раствора при охлаждении его до 25оС. Растворимость KNO3 при 25оС равна 38,5 % по отношению к массе воды.

95

Решение Вычислим массу воды в исходном растворе:

m(H2O) = 1000 г - 450 г = 550 г.

Вычислим массу KNO3 , оставшуюся в растворе после выпадения кристаллов:

m’ = 550 г 0,385 = 211,8 г.

Вычислим массу выделившихся кристаллов: m = 450,0 г - 211,8 г = 238,2 г.

Равновесие осадок-раствор. Произведение растворимости.

Между осадком вещества и расположенным над ним его насыщенным раствором существует равновесие, т. е. скорость растворения осадка равна скорости его кристаллизации из раствора. Условно это равновесие записывается в виде

СmАn (T)↔ mСn+ (P)+nАm- (P).

Константа этого равновесия называется произведением

растворимости (ПР):

ПР=[Сn+]m [Аm-]n.

Если произведение концентраций ионов меньше значений ПР рассматриваемого вещества или равно ему, то осадок не образуется. Осадок образуется лишь тогда, когда произведение концентраций ионов больше ПР.

Пример 5 Произведение растворимости йодида свинца при 20оС равно 8 10-9.

Вычислить растворимость соли (в моль/л и в г/л) при этой температуре.

Решение

Обозначим искомую растворимость через S(моль/л), тогда, в соответствии с уравнением рассматриваемого равновесия

PbJ2 (Т) ↔ Pb2+(Р) + 2J-(Р) ,

96

в насыщенном растворе PbJ2 содержится S моль/л ионов Pb2+ и 2S моль/л ионов J-, откуда

ПР = [ Pb2+ ] [ J- ]2 = S (2S)2 = 4S3, S = (ПР /4)1/3=1,3 10-3 моль/л.

Поскольку мольная масса PbJ2 равна 461 г/моль, то растворимость PbJ2, выраженная в г/л, составит 1,3 10-3 461=0,6 г/л.

Пример 6 Растворимость гидроксида магния при 18оС равна 1,7 10-4 моль/л.

Найти ПР гидроксида магния при 18оС.

Решение

При растворении каждого моля Mg(OH)2 в раствор переходит 1 моль ионов Mg2+ и в 2 раза больше ионов ОН-:

Mg(OH)2(Т) ↔ Mg2+(Р)+ 2 ОН-(Р) ,

поэтому в насыщенном растворе гидроксида магния [Mg2+ ] = 1,7 10-4 моль/л; [ОН- ] = 3,4 10-4 моль/л, следовательно,

ПР = [Mg2+ ] [ОН- ]2 = 1,7 10-4 (3,4 10-4)2 = 1,96 10-11.

Пример 7

Произведение растворимости СаSO4 равно 6,1 10-5. Выпадает ли осадок при смешивании равных объемов 0,01 М раствора СаС12 и

0,02 М раствора Na2SO4?

Решение После смешивания объем полученного раствора станет в 2 раза

больше объема каждого из взятых растворов, поэтому концентрации растворенных веществ в смеси будут в 2 раза меньше:

ССаС12 = 0,005 моль/л; СNa2SO4 = 0,010 моль/л.

В соответствии со схемами диссоциации СаС12 → Ca2+ +2С1-,

Na2SO4 → 2 Na+ + SO42-,

97

[Ca2+] = 0,05 моль/л; [SO2-4] = 0,01 моль/л

[Ca2+ ] [SO2-4] = 0,005 0,01 = 5 10-5 < ПР осадок не выпадает.

Влияние посторонних веществ на растворимость

К равновесию раствор-осадок применимы все положения химического равновесия, в том числе и принцип Ле Шателье. Следовательно, искусственное повышение концентрации какоголибо иона в насыщенном растворе будет приводить к смещению равновесия в сторону образования осадка. Очевидно, что ПР при этом не изменяется.

Пример 8

Вычислить концентрацию ионов Ag+ в насыщенном растворе AgCl, содержащем NaCl в концентрации 0,1 моль/л.

Решение В данном случае в противоположность схеме процесса

AgCl(Т) ↔ С1-(Р) + Ag+(Р)

концентрация ионов С1- не равна концентрации ионов Ag+. Она гораздо больше благодаря присутствию в растворе NaCl и равна сумме концентрации ионов С1-, получаемых в результате диссоциации NaCl и AgCl. Поскольку NaCl полностью диссоциирует на ионы

NaCl → Na+ + С1-,

концентрацию получаемых из него ионов можно принять равной концентрации NaCl, т.е. 0,1 моль/л, а т. к. концентрация ионов хлора, получаемых из AgCl, ничтожно мала, то ею можно пренебречь и принять общую концентрацию ионов С1- равной 0,1 моль/л, поэтому

ПР = 0,1 [Ag+] [Ag+]=ПР/0,1=1,2 10-10/0,1=1,2 10-9 моль/л.

98

Задачи для самостоятельного решения Растворимость

1.При 25оС в 100 г воды растворяется 11,2 г карбоната натрия. Вычислить растворимость Na2CO3 при данной температуре, выразив ее в процентах по отношению к массе раствора.

2.Вычислить растворимость КС1 при Т = 20оС, если при этой температуре в 120 г Н2О растворяется 80 г КС1. Выразить растворимость в процентах к массе растворителя.

3.Сколько граммов сульфата калия растворяется при 20оС в 100 г воды, если массовая доля K2SO4 в насыщенном при этой температуре растворе равна 0,18.

4.Растворимость в воде гидросульфата калия при 100оС равна 113,6 % по отношению к массе воды. Сколько воды требуется для растворения при этой температуре 800 г KHSO4 ?

5.Растворимость в воде нитрата натрия при 30оС равна 40,0 % по отношению к массе раствора. Сколько требуется воды, чтобы растворить при этой температуре 500 г NaNO3 ?

6.Растворимость в воде нитрата свинца (II) при 100оС равна 127,3 % по отношению к массе воды. Сколько нитрата свинца может быть растворено при этой температуре в 750 мл воды ?

7.Растворимость в воде хлорида бария при 60оС равна 46,4 % по отношению к массе воды. Сколько ВаС12 Н2О может раствориться в 400 мл воды при этой температуре ?

8.При 20оС в 250 мл насыщенного раствора хлорида кальция содержится 50 г растворенного вещества. Вычислить молярную растворимость СаС12 при 20оС.

9.Сколько граммов хлорида натрия содержится в 100 мл его насыщенного раствора при 25оС, если его молярная растворимость при этой температуре равна 2 моль/л ?

99

10.Растворимость Са(ОН)2 в воде при 18оС равна 0,02 моль/л. Сколько граммов Са(ОН)2 содержится в 500 мл раствора, насыщенного при данной температуре ?

11.Растворимость в воде PbJ2 при 18оС равна 2 10-3 моль/л. До какого объема должен быть доведен раствор, чтобы растворить 1,00 г PbJ2 в воде при этой температуре ?

12.При нормальных условиях в 10 л Н2О растворяется 0,3 л N2. Выразить растворимость азота в миллилитрах на литр воды.

13.Сколько граммов кислорода растворяется при нормальных условиях в 300 л воды, если растворимость кислорода, выраженная в миллилитрах на литр воды, составляет 34,5 мл/л ?

14.При некоторой температуре концентрация водного раствора K2Cr2O7 равна 40,0 % по отношению к массе раствора. Какая масса кристаллов K2Cr2O7 будет получена из 1 кг этого раствора при охлаждении до 20оС ? Растворимость соли при 20оС равна 11,1 % по отношению к массе раствора.

15.При некоторой температуре концентрация водного раствора Na2SO4 равна 30,0 % по отношению к массе раствора. Какая масса кристаллов Na2SO4 10Н2О выделится из 1,2 кг этого раствора при охлаждении до 18оС? Растворимость Na2SO4 при 15оС равна 11,7 %, а при 20оС - 16,1 % по отношению к массе раствора.

Равновесие осадок-раствор. ПР

1.Произведение растворимости AgBr равно 4,0 10-13. Вычислить концентрацию ионов Ag+ в насыщенном растворе AgBr.

2.Произведение растворимости PbCO3 равно 1,5 10-13 . Вычислить массу ионов Pb2+, содержащихся в 1 л насыщенного раствора PbCO3, выразив ее в миллиграммах.

3.Произведение растворимости PbJ2 равно 8,7 10-9. Вычислить концентрацию ионов Pb2+ и J- в насыщенном растворе PbJ2.

100