Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Курс лекций Ашуйко

.pdf
Скачиваний:
166
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
1.89 Mб
Скачать

ва.

Масса вещества, приходящаяся на 1000 г растворителя, составляет 100 г. Молярную массу растворенного вещества можно определить из соотношения М = К mTА . Криоскопическая константа бензола 5,12 град моль–1 кг. М =

5,12 1001,2 =426 г/моль.

Осмотическое давление разбавленных растворов

Если разделить два раствора с различной концентрацией полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но препятствующей переходу частиц растворённого вещества, будет наблюдаться явление самопроизвольного перехода растворителя через мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный – осмос. Осмотические свойства раствора количественно характеризуются величиной осмотического давления. Давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить перемещение растворителя в раствор через мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель, есть осмотическое давление π. Осмотическое давление идеальных растворов линейно зависит от температуры и молярной концентрации раствора С и может быть рассчитано по уравнению (7):

(7)

Уравнение (7) есть т.н. принцип Вант-Гоффа:

осмотическое давление идеального раствора равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно, находясь в газообразном состоянии при той же температуре, занимало бы тот же объем, который занимает раствор.

Осмос играет важнейшую роль в процессах жизнедеятельности животных и растений, поскольку клеточная плазматическая мембрана является полупроницаемой. Осмос обусловливает поднятие воды по стеблю растений, рост клетки и многие другие явления.

РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Вещества, распадающиеся в растворах или расплавах на положительно и отрицательно заряженные ионы, называются электролитами. Кислоты, основания и соли являются электролитами. Распад растворенного вещества на ионы под действием молекул растворителя называется электролитической диссо-

циацией.

Положительно заряженные ионы называют катионами, отрицательно заряженные – анионами. Эти ионы, находящиеся в непрерывном движении, и обуславливают электропроводность растворов.

Так как при электролитической диссоциации из одной молекулы образуется два и более ионов, то общее число частиц в растворе увеличивается, поэтому понижение температуры затвердевания и повышение температуры кипения раствора электролита оказываются большими, чем у растворов неэлектролитов такой же концентрации.

Для применения законов Рауля к растворам электролитов, в уравнения, выражающие зависимость свойств раствора от его концентрации, вводится поправочный множитель, который называется изотоническим коэффициентом Вант-Гоффа и обозначается i.

Изотонический коэффициент для растворов электролитов всегда больше единицы, причем с разбавлением раствора i возрастает до некоторого целочисленного значения.

Для объяснения особенностей свойств растворов электролитов С. Арре-

ниус предложил теорию электролитической диссоциации, основываю-

щуюся на следующих постулатах:

1.Электролиты в растворах распадаются на ионы – диссоциируют;

2.Диссоциация является обратимым равновесным процессом;

3.Силы взаимодействия ионов с молекулами растворителя и друг с другом малы (т.е. растворы являются идеальными).

Диссоциация электролитов в растворе происходит под действием полярных молекул растворителя; наличие ионов в растворе предопределяет его электропроводность.

Степень диссоциации, константа диссоциации – количественные характеристики процессов диссоциации.

Для оценки полноты диссоциации в теории электролитической диссоциации вводится понятие степень диссоциации α, которая равна отношению числа молекул n, распавшихся на ионы, к общему числу молекул N:

α = Nдис. = Сдис. ,

Nобщ. С0.

где Сдис – концентрация частиц, образовавшихся в результате диссоциации (моль/л); С0 – начальная концентрация электролита (моль/л). Степень диссоциации α может быть выражена в долях единицы или процентах.

Величина степени диссоциации зависит:

1.от природы растворителя и растворенного вещества;

2.концентрации раствора;

3.температуры.

Электролиты, у которых α →1, считаются сильными, если α →0, – слабыми.

Для объяснения многообразия факторов, влияющих на свойства сильных электролитов, пользуются понятием активности иона. Активность иона – это (доля ионов) концентрация вещества, которая проявляет себя в действии.

Для сильных электролитов, полностью диссоциирующих на ионы, даже при малых концентрациях растворов энергия электростатического взаимодействия между ионами достаточно велика, и пренебречь этим взаимодействием нельзя. Взаимодействие противоположно и одноименно заряженных ионов (соответственно притяжение и отталкивание) приводит к тому, что вблизи

каждого иона находятся преимущественно ионы с противоположным зарядом, образующие т.н. ионную атмосферу. Радиус ионной атмосферы сравнительно велик, поэтому ионные атмосферы соседних ионов пересекаются; кроме того, каждый ион окружен дипольными молекулами растворителя – сольватной оболочкой. Т.о., в растворе сильного электролита возникает подобие пространственной структуры, что ограничивает свободу перемещения ионов и приводит к изменению свойств раствора в том же направлении, как действовало бы уменьшение степени диссоциации. Поэтому, определяя степень диссоциации раствора сильного электролита, получают т.н. кажущуюся степень диссоциации, т.е. величину α с поправкой на межионное взаимодействие. Чем выше концентрация раствора, тем сильнее взаимодействие ионов, тем меньше и кажущаяся степень диссоциации сильного электролита.

Количественные расчеты характеристик растворов сильных электролитов осуществляют с помощью понятий активности электролита аэ и активностей катионов и анионов а+ и а- соответственно, которые равны произведению коэффициента активности на концентрацию:

Для бинарного электролита средняя активность электролита связана с активностями ионов; как и средний коэффициент активности с ионными:

Дебаем и Хюккелем был разработан метод расчета среднего коэффициента активности сильного электролита. Для бинарного электролита уравнение имеет следующий вид:

Здесь z – заряд иона, для которого рассчитывается коэффициент активности, I – т.н. ионная сила раствора: некоторый параметр, который одновременно учитывает молярную концентрацию и заряд всех имеющихся в растворе ионов. Ионная сила раствора равна полусумме концентраций всех ионов, умноженных на квадрат их заряда:

Теория Дебая – Хюккеля применима только при концентрациях, не превышающих 0.05 моль/л. Для более концентрированных растворов сильных электролитов количественной теории не существует.

Активность иона а(моль/л) определяется выражением

а = f С,

где f – коэффициент активности, С – начальная концентрация электролита; f – отражает взаимодействие силовых полей ионов, имеющих место в данной системе.

В сильноразбавленных растворах f = 1, поэтому в расчетах, связанных с незначительными концентрациями, активность можно считать равной концентрации.

При определении концентраций ионов в растворе слабого электролита следует помнить, что их значения определяются равновесием электролитической диссоциации, которое подчиняется закону действующих масс.

Для расчета нужно знать Кс и начальную концентрацию электролита (моль/л).

Врастворах сильных электролитов истинную степень диссоциации

принимаем равной 1, α = 1; Сиона =С 0 n, где n – число одноименных ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы.

Для определения концентрации ионов надо знать схему электролитической диссоциации и С0 – начальную концентрацию электролита (моль/л).

Вобщем случае концентрация иона в растворе может быть определена по формуле

Сиона = С0 α n,

где n– число ионов данного вида, образующихся при диссоциации одной молекулы.

Используя эту формулу, можно рассчитать концентрацию ионов в растворах и слабых и сильных электролитов. В растворах сильных электролитов α = 1, а в растворах слабых электролитов α требует определения, если она не задана в условии.

Диссоциация кислот в водных растворах происходит с образованием катиона водорода.

Упрощенные схемы диссоциации сильных и слабых кислот:

Сильные

HNO3 = H+ + NO 3 H2SO4 = 2H+ + SO 42

Слабые

H2CO3 H+ + HСO3-

HСO3- H+ + СO32-

Диссоциация оснований в водных растворах происходит с образованием анионов только одного вида – гидроксид-ионов.

Упрощенные схемы электролитической диссоциации сильных и слабых оснований:

Сильные

Слабые

KOH = K+ + OH

Cu(OH)2 CuOH+ + OH

Sr(OH)2 = Sr2+ + 2OH

CuOH+ Сu2+ + OH

Диссоциация средних солей происходит с образованием катиона металла и аниона кислотного остатка.

Упрощенная модель диссоциации средних солей предполагает диссо-

циацию их в одну стадию и может быть представлена схемами: KCN = K+ + CN-

Cr2(SO4)3 = 2Cr3+ + 3SO 24CuCl2 = Cu2+ + 2Cl

Следует отметить, что данная модель является лишь первым очень грубым приближением, особенно для солей с небольшой долей ионности связи.

Диссоциация кислых солей происходит сначала с образованием катиона и гидроаниона, затем возможно отщепление Н+ от гидроаниона:

KНСO3 = K+ + HСO 3

HСO 23H+ + СO 23

Диссоциация основных солей происходит сначала с образованием гидроксокатиона и аниона, далее возможно отщепление гидроксид-иона от гидроксокатиона:

(FeOH)2SO4 = 2FeOH+ + SO 24FeOH+ Cu2+ + OH

Процессы диссоциации слабых электролитов равновесны и подчиняются закону действующих масс.

Константу равновесия электролитической диссоциации приято обо-

значать Кдис., Кс.

Константа равновесия электролитической диссоциации слабого электролита – количественная характеристика глубины протекания процесса.

Величина константы диссоциации зависит:

1.от природы растворителя и растворенного вещества;

2.температуры;

Величина константы диссоциации не зависит от концентрации раствора.

Для сравнения силы слабых электролитов необходимо использовать справочные таблицы, в которых приведены значения Кдис..

HCN H+ + CN

 

Kдис. =

СH +

CCN -

=6,02 10–10

 

 

 

 

 

 

 

 

CHCN

 

+

 

СClO- CH +

 

 

 

–8

HClO H + ClO

 

Кдис. =

 

 

 

= 3 10

 

 

CHClO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из сопоставления Кдис перечисленных электролитов следует, что хлорноватистая кислота (Кдис = 3·10–8) сильнее синильной (Кдис = 6,02·10–10).

Для слабых многоосновных кислот и многокислотных оснований, диссоциирующих ступенчато, каждой ступени диссоциации соответствует определенная величина Кдис., например,

H3PO4 H+ + H2PO 4 H2PO 4 H+ + HPO 24HPO 24H+ + PO 43

К1дис = 7,6 10–3 К2дис = 6,2 10–8 К3дис = 4,2 10–13

К сильным электролитам относятся:

1.почти все соли (кроме Рb(СН3СОО)2, НgСl2, СdСl2);

2.многие неорганические кислоты(HCl, HBr, HI, HClO4, H2SO4,

HNO3, HClO3, H2SeO4)

3. щелочи (гидроксиды щелочных и щелочноземельных метал-

лов LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2);

К слабым электролитам относятся:

1.почти все органические кислоты;

2.некоторые минеральные кислоты (H2S, HCN, H2CO3 HNO2, HClO, H3BO3 и др.);

3.гидроксиды почти всех металлов (за исключением щелочных и щелочноземельных металлов), а также гидроксид аммония;

4.вода;

Протекание реакций обмена в растворах электролитов обусловливается присутствующими в растворе ионами электролитов. Поэтому такие реакции выражают не только обычными молекулярными уравнениями, но и ионномолекулярными уравнениями реакций. Реакция обмена в растворе между двумя электролитами протекает только при выполнении следующих усло-

вий:

1)образование малорастворимого соединения (осадка);

2)образование малодиссоциирующего соединения (слабого электроли-

та);

3) выделение газа.

При записи ионно-молекулярных уравнений реакций следует соблюдать следующие правила:

сильные электролиты записывать в виде ионов;

слабые электролиты (малодиссоциирующие соединения), а также малорастворимые электролиты и газы записывать в молекулярном виде.

ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ. ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ РН

Процесс электролитической диссоциации воды в соответствии со схе-

мой:

Н2О Н+ + ОНколичественно характеризуется константой равновесия:

Кдис. = СН+ СОН- = 1,8 10–16 (при 220С).

СН2 О

Процесс протекает очень неглубоко, можно считать, что равновесная

концентрация недиссоциированных молекул воды равна общей (начальной) концентрации молекул воды; то есть СН 2 О = 100018 = 55,5 моль/л.

Тогда Кдис. СН 2 О = CH + COH = Кw;

Kw = 1,8 10–16 55,55 = 10–14 (при 220С).

Кw – постоянная величина (при определенной температуре), которую называют ионным произведением воды.

В чистой воде ионы Н+ и ОНпоявляются только за счет электролитической диссоциации воды: Н2О = Н+ + ОНСН + СОН = 10–14, их концен-

трации одинаковы: СН + = СОН

= 1014

= 10–7 моль/л.

Раствор, в котором СН +

= СОН ,

принято называть нейтральным.

При добавлении в воду кислоты или основания равновесие диссоциации воды в соответствии с принципом Ле Шателье смещается влево, нарушается соотношение СН + = СОН , но Kw остается неизменной.

Раствор, в котором СН + > СОН или СН + > 10–7 моль/л, принято назы-

вать кислым.

Раствор, в котором СН + < СОН или СН + < 10–7 моль/л, принято назы-

вать щелочным.

Концентрация ионов водорода в водном растворе – важная характеристика раствора:

СН + = СОН = 10–7 моль/л – нейтральная среда;

СН + > СОН , СН + > 10–7 моль/л – кислая среда; СН + < СОН , СН + < 10–7 моль/л – щелочная среда.

Более удобна количественная характеристика среды раствора водородный показатель, который вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода: рН = –lgCH + .

В соответствии со значением CН +

lgCH + = –lg10–7 рН = 7 нейтральная среда; рН < 7 кислая среда; рН > 7 щелочная среда.

ЗАКОН РАЗБАВЛЕНИЯ ОСТВАЛЬДА ДЛЯ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

В растворе слабого электролита устанавливается равновесие между ионами и непродиссоциировавшими молекулами, например

НСlO H+ + ClO,

которое подчиняется закону действующих масс и количественно характеризуется константой равновесия:

Кдис. = СН+ ССlO- ,

CHClO

где СН + , СClO , CHClO – равновесные концентрации ионов и молекул. Из

уравнения процесса следует, что сколько молей кислоты распалось на ионы, столько и получилось катионов и анионов соответственно.

Концентрации СН + , СClO , CHClO могут быть выражены через начальную концентрацию электролита Сo(НСlO) и степень диссоциации:

α =

Сдис.

;)

С

 

 

 

0 HClO

 

Сдис. = С0 НСlO α,

где Сдис. – концентрация продиссоциировавших молекул. Равновесная концентрация кислоты:

СНСlO = C0 HClO α C0 HClO

Равновесная концентрация образующихся ионов:

Сдис. = СН +

= СНClO

 

 

 

Тогда:

 

 

 

 

 

 

 

Кдис. =

С0 НСlO α C0 HClO α

C

 

 

- С

 

 

α

 

0 HClO

0 НСlO

 

 

 

 

С

 

α2

 

или Кдис. =

 

0 НСlO

 

.

 

 

(1 − α)

 

Это соотношение в общем виде справедливо для процесса электролитической диссоциации любого слабого электролита при условии

равенства Скат.= Саниона. Для равновесия:

АВ А+ + Вматематическое выражение закона разведения Оствальда имеет вид

Кдис. = С0АВ α2 ,

1 − α

где С0АВ – начальная концентрация слабого основания или кислоты (моль/л); α – степень диссоциации в долях единицы.

Для слабых электролитов, имеющих незначительные величины степени диссоциации, величиной α в знаменателе можно пренебречь и считать, что

1–α = 1.

Кдис. = САВ α2

 

Тогда:

 

Из данных соотношений следует:

 

 

 

α =

Кдис.

,

 

С

 

 

 

 

 

0АВ

 

что степень диссоциации слабого электролита увеличивается при разбавлении, то есть уменьшении начальной концентрации.

Пример 1. Вычислите концентрацию ионов H+, OH- и pH в растворе: а) 0,1 М HNO2; б) 0,1 н. H2SO4; в) NaOH плотностью 1 г/мл с массовой долей

NaOH 0,04 %.

а) Дано:

 

Решение. Записываем уравнение диссоциации ки-

C0 = 0,1 моль/л

слоты:

 

 

HNO2 →H++NO2.

 

C

H

+ , C

, pH – ?

 

 

 

 

 

 

 

OH

 

кислота слабая степень диссоциации находим по формуле

 

 

Поскольку

 

 

 

α =

 

K

=

4 104

=

40 10

4

= 6,32 10

2

.

 

 

 

 

C

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

При диссоциации кислоты образуются ионы H+. Их концентрацию определяем по формуле

CH+ = α C0 = 6,32 102 0,1 = 6,32 103 моль/л.

Концентрацию ионов OHрассчитываем из выражения для ионного произведения воды:

 

 

 

 

 

K

 

 

 

 

1014

 

 

 

 

 

 

10

 

C

=

 

W

 

=

 

 

 

 

 

=1,58

10

 

моль/л.

CH+

 

6,32 10

3

 

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Находим pH:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −lg(6,32 103 )=3 lg(6,32)=3 0,80 = 2,20 .

pH = −lgCH+

 

б) Дано:

 

 

Решение. H2SO4 сильная кислота:

 

 

C (1z H2SO4 )= 0,5 моль/л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2SO4 = 2H+ +SO42.

 

 

 

Для сильных электролитов α =1.

CH+ , COH, pH – ?

 

 

 

 

Концентрация

 

 

ионов

 

H+

будет равна

 

 

 

CH+ = α n C0 =1 2 C0 = 2C0

 

 

 

(

в реакции образуется 2 иона H+).

Найдем C0 (молярную концентрацию H2SO4):

 

 

 

 

C0 =C (H2SO4 )= 1z C (1z H2SO4 )= 12 0,1 = 0,05 моль/л.

Тогда

 

 

 

 

CH+ = 2 0,05 = 0,1 моль/л;

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

K

 

 

1014

 

 

13

 

 

 

 

 

=

 

 

W

=

 

 

=1 10

 

 

моль/л;

 

 

CH+

0,1

 

 

 

 

 

OH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Дано:

 

 

 

 

pH = −lgCH+ = −lg(0,1)=1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. NaOH – сильный электро-

ω

 

 

 

 

 

 

 

лит:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(NaOH) = 0,04% или 0,0004

 

 

 

 

 

NaOH = Na+ +OH(α =1),

ρр-ра = 1 г/мл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH+ , COH, pH – ?

 

 

 

COH

 

 

 

образует ионы OH. Тогда

 

 

 

 

= α n C0 =1 1 C0 =C0 .

Находим C0 (молярную концентрацию NaOH):

 

 

 

 

 

 

 

 

пусть Vр-ра = 1 л = 1000 мл,

 

mр-ра =ρр-ра Vр-ра =1 1000 =1000 г,

m(NaOH)= ω mр-ра = 0,0004 1000 = 0,4 г,

C =C (NaOH)=

 

 

m(NaOH)

=

0,4

= 0,01 моль/л.

 

 

 

 

 

0

 

M (NaOH) Vр-ра

 

40 1

 

 

 

 

 

 

 

Тогда:

 

 

 

 

COH

= 0,01 моль/л,

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

K

1014

 

 

 

12

 

 

H

+ =

W

=

 

 

=1 10

 

моль/л,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

COH

0,01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pH = −lgCH+ = −lg(1 1012 )=12 .

Пример 2. Определите степень диссоциации угольной кислоты в 0,01 М растворе, учитывая только первую ступень диссоциации, если pH этого рас-

твора равен 4,17.

 

 

 

Решение. Уравнение диссоциации кислоты

Дано:

 

 

 

 

 

C(H2CO3) = 0,01 моль/л

по первой ступени имеет вид:

pH = 4,17

 

 

 

 

H2CO3→ H++HCO3(Iступень)

α– ?

 

 

 

 

 

Вычисляем концентрацию ионов H+:

 

 

 

C

H

+ =10pH =104,17 = 6,76 105 моль/л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Степень диссоциации находим так

 

C

H

+ = α C

,

 

α =

CH+

= 6,76 105

= 6,76 103 моль/л.

 

 

 

0

 

 

 

 

C0

0,01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕОРИИ КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ

Единой теории кислот и оснований не существует. Наиболее широко используются четыре теории кислот и оснований: Аррениуса, протонная,

электронная и теория сольвосистем.

Теория электролитической диссоциации Аррениуса

Согласно теории Аррениуса, кислоты - это вещества, при электролитической диссоциации в водном растворе образующие катионы одного вида, только катионы водорода Н+. Основания — это вещества, в водном растворе подвергающиеся электролитической диссоциации с образованием анионов одного вида, анионов гидроксида ОН.

Протонная теория Брёнстеда-Лоури

Согласно протонной теории, кислота — это соединение, способное отдавать основанию катионы водорода Н+ (является донором Н+). Основания — это соединения, способные принимать у кислоты катионы водорода Н+ (является акцептором Н+). Таким образом, в этой теории одно и то же вещество в