Начальный курс химии. В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие

обменные реакции в растворах электролитов, которые протекают необратимо (слева направо), можно разделить на четыре типа:

1. Реакции с образованием осадков:

AgNO3 + HCl = HNO3 + AgCl↓ (молекулярное уравнение),

Ag+ + NO3- + H+ + Cl- =H+ + NO3- + AgCl↓(полное ионное уравнение),

Ag+ + Cl- = AgCl↓(сокращенное ионное уравнение). 2. Реакции с образованием газообразных веществ:

Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2↑ + H2O,

2Na+ + CO32- + 2H+ + SO42- = 2Na+ + SO42- + CO2↑ + H2O,

CO32- + 2H+ = CO2↑ + H2O.

3. Реакции с образованием малодиссоциированных соединений, например:

HCl + KOH = KCl + H2O,

H+ + Cl- + K+ + OH- = K+ + Cl- + H2O,

H+ + OH- = H2O.

Рассмотрим реакцию между слабой кислотой и сильным основанием, например:

CH3COOH + NaOH = CH3COONa +H2O,

CH3COOH + Na+ + OH- = CH3COO- + Na+ + H2O,

CH3COOH + OH- = CH3COO- + H2O.

Так как в уравнении реакции и в левой(уксусная кислота), и в правой(вода) частях присутствуют малодиссоциированные вещества, то равновесие реакции смещается в сторону более слабого электролита. Это вода, потому что K(H2O) = 1,8·10-16, а

K(CH3COOH) = 1,7·10-5 при 22 оС.

4. Реакции с образованием комплексных соединений:

CuSO4·5H2O + 4NH3 = [Cu(NH3)4]SO4 + 5H2O, [Cu(H2O)4]2+ + SO42- + H2O + 4NH3 = [Cu(NH3)4]2+ + SO42- + 5H2O,

[Cu(H2O)4]2+ + 4NH3 = [Cu(NH3)4]2+ + 4H2O.

Таким образом, ионообменные реакции в растворах электролитов идут в направлении связывания ионов. Они идут до конца, если в результате реакции образуются:

-малодиссоциированные соединения;

-практически нерастворимые вещества (осадки);

-газообразные вещества;

-комплексные соединения.

51

Если эти условия не выполняются, то при смешивании растворов электролитов не наблюдается никаких признаков реакции. В этом случае образуется смесь ионов, например:

Контрольные задания

1. Определите, какие реакции идут до конца, и напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде:

3. Составьте молекулярные уравнения реакций, которые выражаются ионными уравнениями:

NO2- + H+ = HNO2;

Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2;

Pb2+ + 2I- = PbI2.

Контрольные вопросы

1.Что такое степень диссоциации электролита и от чего она зависит?

2.Какие электролиты называются сильными и слабыми?

3.Как увеличить или уменьшить степень диссоциации слабого электролита в растворе?

4.От чего зависит константа диссоциации?

5.В какую сторону смещается равновесие в растворах электролитов?

6.При каких условиях реакции в растворах идут до конца?

7.Какие реакции называются ионообменными?

52

2.6. Диссоциация воды. Водородный показатель

Словарь

Вода является слабым электролитом(K(H2O) = 1,8·10-16),

который диссоциирует на ионы:

H2O H+ + OH- или, точнее, 2H2O H3O+ + OH-.

Константа диссоциации воды имеет вид

K = c(H+) ×c(OH-) . c(H2O)

Так как ρ(H2O) = 1 г/см3 при 22 оС, поэтому масса 1дм3 воды равна 1000 г и молярная концентрация воды равна:

c(H2O) = m(H2O) = 1000 = 55,56 моль/дм3. M(H2O) 18

Учитывая, что концентрация воды мало меняется при диссоциации и при растворении в воде небольших количеств элек-

тролитов, c (H2O) можно считать постоянной величиной и тогда:

Kв = K · c(H2O) = c(H+) · c(OH-).

Это произведение называется ионным произведением воды

(Kв). При 22 оС эта константа равна 10-14:

Kв = c(H+) · c(OH-) = 55,56 · 1,8·10-16 = 10-14.

Ионное произведение воды – постоянная величина для чистой воды и для водных растворов различных электролитов. Постоянство произведения c(H+) · c(OH-) означает, что в любом водном растворе ни концентрация ионов водорода(определяет ки-

53

слотность растворов), ни концентрация гидроксид-ионов(опре- деляет щелочность растворов) не может быть равна нулю.

Растворы, в которых концентрации водород-ионов и гидро-

-7 3

ксид-ионов одинаковы и равны10 моль/дм , называются нейтральными. Если к нейтральному раствору прибавить кислоту, то концентрация ионов водорода увеличится, а концентрация гидро- ксид-ионов уменьшится в той же степени.

Растворы, в которых концентрация водород-ионов больше, чем гидроксид-ионов c(H+) > c(OH-), называются кислыми. Аналогично, если к нейтральному раствору прибавить щелочь, то концентрация ионов водорода уменьшится в той же степени, в какой увеличится концентрация гидроксид-ионов.

Растворы, в которых концентрация водород-ионов меньше, чем гидроксид-ионов c(H+) < c(OH-), называются щелочными.

Чтобы избежать неудобств, связанных с применением чисел с отрицательными показателями степени, концентрацию водородных ионов принято выражать через водородный показатель, обозначаемый символом pH (читается «пэ-аш»).

Водородный показатель pH – отрицательный десятичный логарифм концентрации водород-ионов: pH = - lg c(H+).

Зная концентрацию водород-ионов, можно определить pH раствора и наоборот, например, если c(H+) = 10-2 моль/дм3, то pH равен 2.

Внейтральных растворах: c(H+) = c(OH-) = 10-7 моль/дм3, поэтому pH 7.

Вкислых растворах: c(H+) > c(OH-) > 10-7 моль/дм3, поэто-

му pH < 7.

Вщелочных растворах: c(H+) < c(OH-) < 10-7 моль/дм3, поэтому pH > 7.

Кислотность раствора, его pH определяют с помощью индикаторов – веществ, которые изменяют свой цвет в зависимости от pH раствора. Переход одного цвета индикатора в другой происходит в определенном интервале значений pH. Так, для индикатора лакмус интервал перехода находится междуpH 6 и 8. При pH < 6 лакмус имеет красный цвет, а при pH ≥ 8 – синий. Каждый индикатор характеризуется своим интервалом перехода.

54

Пример. Вычислите концентрации водород-ионов и гидро- ксид-ионов в растворе бромоводородной кислоты смолярной концентрацией равной 0,001 моль/дм3.

Так как HBr является сильным электролитом (α = 1), то

с(HBr) = c(H+) = 10-3 моль/дм3.

2. Рассчитывают концентрацию гидроксид-ионов по урав-

нению c(OH-) = 10-14 / c(H+) = 10-14 / 10-3 = 10-11 моль/дм3. Ответ: c(H+) = 10-3 моль/дм3; c(OH-) = 10-11 моль/дм3.

род-ионов и гидроксид-ионов в растворе.

2.Концентрация ионов H+ в растворе равна 10-5 моль/дм3. Определите pH и pOH этого раствора.

3.Водородный показатель раствора равен8. Чему равны концентрации ионов H+ и OH- в этом растворе?

4.Определите pH раствора, 250 см3 которого содержат гидроксид натрия массой 0,1 г.

5.Рассчитайте концентрацию гидроксид-ионов в растворе серной кислоты с молярной концентрацией H2SO4 10-3 моль/дм3.

Контрольные вопросы

1.Какие ионы определяют кислотность растворов, а какие - щелочность растворов?

2.Что такое водородный показатель?

3.Как можно определить рН раствора?

4.Что такое ионное произведение воды?

5.Что такое интервал перехода окраски индикатора?

55

2.7. Гидролиз солей

Словарь

Водные растворы кислот имеют pH < 7, а щелочей – pH > 7, а водные растворы солей имеют различные значения рН. Например, в растворах NaCl, KNO3 pH 7, в растворах CH3COONa, K2CO3 pH > 7, в растворах NH4Cl, FeCl3 pH < 7. Это объясняется тем, что в водных растворах солей, протекают два процесса диссоциации:

1)соли: KatAn Kat+ + An-;

2)воды: H2O H+ + OH-.

Ионы остатков кислот и оснований, на которые диссоциируют соли, могут связываться с водород-ионами и гидроксидионами с образованием малодиссоциируемых или малорастворимых в воде веществ: KatOH и HAn. При этом равновесие диссоциации воды смещается вправо, и реакция раствора становится кислой или щелочной.

Обменная реакция соли с водой, в результате которой образуется малодиссоциируемое или малорастворимое соединение, называется гидролизом солей.

Рассмотрим примеры гидролиза.

1. Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой (CH3COONa, Na2CO3, KCN), подвергаются гидролизу (реакция среды щелочная) например:

Как видно, ацетат-анион (CH3COO-) с ионом Н+ образует молекулу слабого электролита – уксусной кислоты (CH3COOH).

В результате увеличивается концентрация гидроксид-ионов и раствор становится щелочным (рН > 7).

56

Гидролиз солей, образованных сильным основанием и многоосновной слабой кислотой, может происходить ступенчато. Однако в обычных условиях гидролиз практически ограничива-

Ив этом случае реакция раствора щелочная.

2.Соли, образованные слабым основанием и сильной ки-

слотой (NH4Cl, Fe2(SO4)3, FeCl3), подвергаются гидролизу (реакция среды кислая), например:

Гидролиз солей, образованных слабым многокислотным основанием и сильной кислотой, может происходить ступенчато. Однако, как правило, он протекает по первой ступени с участием одной молекулы воды, например:

Ив этом случае реакция раствора кислая.

3.Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой (CH3COONH4; Al2S3, (NH4)2CO3), очень легко подвергаются гидролизу. Однако реакция раствора зависит от степени диссо-

Степени диссоциации CH3COOH и NH4OH примерно равны, поэтому раствор соли будет нейтральным (pH 7).

Однако реакция водного раствора (NH4)2CO3 – тоже соли слабой кислоты и слабого основания – слабощелочная:

NH4+ + CO32- NH4OH + HCO3-,

57

так как степень диссоциацииNH4OH больше степени диссоциации гидрокарбонат – аниона HCO3-.

Реакция гидролиза – обратимый процесс. При нагревании или разбавлении растворов солей гидролиз усиливается. Если продукты гидролиза удаляются из сферы реакции, то гидролиз протекает необратимо:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑.

Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой (NaCl, KNO3, Na2SO4) гидролизу не подвергаются. Например,

KNO3 в растворе диссоциирует по уравнению: KNO3 K+ + NO3-.

Ион калия K+ с гидроксид - ионами ОН- не образует слабого основания, так же, как и нитрат-анион NO3- с ионами водорода H+ не образует слабой кислоты; равновесие диссоциации воды не нарушается (pH7).

Контрольные задания

1.Какие из перечисленных ниже солей подвергаются гид-

ролизу: NaCN, KNO3, KOCl, NaNO2, CaCl2, ZnBr2, NaClO4, K2S?

Для каждой из гидролизующихся солей составьте уравнения гидролиза и укажите реакцию раствора.

2.Напишите уравнения гидролиза по каждой ступени для следующих веществ: K2CO3, Fe2(SO4)3, AlCl3, CuBr2, Na3PO4.

Контрольные вопросы

1. Что называют гидролизом?

2. Какие соли подвергаются гидролизу, а какие нет? Какая реакция среды?

3.Какие факторы усиливают гидролиз?

4.Как происходит гидролиз солей, образованных слабым многокислотным основанием и сильной кислотой?

5.В каких случаях гидролиз протекает необратимо?

58

Задачи и упражнения для самостоятельной работы

1.Вычислите массовую долю сульфата железа(II) и кристаллизационной воды в железном купоросе FeSO4 · 7H2O.

2.Какая масса хлорида аммония растворится в воде массой 250 г при 90 оС, если растворимость соли при данной температуре равна 70 г/100 г воды?

3.Определите массы соли и воды, необходимые для приготовления 250 г раствора с массовой долей соли 0,12.

4.Определите массовую долю полученного раствора, если

в450 г воды растворили 50 г соли.

5.К раствору массой 250 г с массовой долей соли 0,1 добавили 150 г воды. Рассчитайте массовую долю соли в полученном растворе.

6.Сколько необходимо добавить воды к200 г раствора с массовой долей соли0,10, чтобы получить раствор с массовой долей соли 0,05?

7.Рассчитайте массу гипса CaSO4.2H2O, необходимую для приготовления 300 г раствора с массовой долей CaSO4 0,15.

8.К 500 cм3 исходного раствора азотной кислоты с массовой долей HNO3 0,30 (ρ = 1,70 г/см3) прибавили 1 дм3 воды. Найдите массовую долю HNO3 в полученном растворе.

9.Рассчитайте объем исходного раствора серной кислоты с

массовой долей H2SO4 0,20 (ρ = 1,14 г/см3) для приготовления

0,5 дм3 раствора серной кислоты с массовой долей H2SO4 0,08 (ρ = 1,05 г/см3).

10.Cмешали 800 г раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 0,20 и 400 г раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 0,05. Рассчитайте массовую долю NaOH полученного раствора.

11.Определите массу хлорида кальция, необходимую для

приготовления 250 см3 раствора CaCl2 с молярной концентрацией 0,3 моль/дм3.

12.Определите молярную концентрацию раствораAgNO3,

если в 800 см3 этого раствора содержится 34,0 г AgNO3.

13. Найдите молярную концентрацию раствора гидроксида натрия с массовой долей NaOH 0,20 (ρ = 1,20 г/см3).

59

Тестовые задания

1. Определите массовую долю полученного раствора, если в

2.Определите массы соли и воды, необходимые для приготовления 150 г раствора с массовой долей соли 0,08.

3. Определите массовую долю хлорида натрия в его насыщенном растворе при 20 0С, если растворимость NaCl при указанной температуре равна 360 г/дм3.

4. Рассчитайте массу соды, необходимую для приготовления 250 см3 раствора с молярной концентрацией Na2CO3 равной 0,5 моль/дм3.

5.Определите рН раствора с молярной концентрацией хлороводородной кислоты 0,01 моль/дм3.

6. Какое из перечисленных веществ образует кристаллогидраты?

60