9. Растворы электролитов

Твердые вещества, с точки зрения проводимости электрического тока их водными растворами, делятся на электролиты и неэлектролиты. Растворы электролитов проводят электрический ток, а растворы неэлектролитов - нет. К электролитам относятся химические соединения с ионной или с сильнополярной ковалентной связью - кислоты, щелочи, соли.

Важно отметить, что в твердом состоянии электролиты электрического тока не проводят, плохо проводит электрический ток и вода. Поэтому тот факт, что водные растворы электролитов электропроводны, означает, что при образовании растворов с электролитами происходят какие-то изменения, обусловливающие возникновение электрической проводимости. Эти изменения сводятся к тому, что при растворении в воде электролиты распадаются (диссоциируют) на ионы: положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. В растворе электролита ионы движутся хаотически, а при пропускании постоянного электрического тока через раствор катионы движутся к катоду, а анионы - к аноду.

Электролиты в растворах обычно не полностью диссоциируют на ионы, часть их существует в растворе в молекулярной форме. Отношение числа молекул электролита, распавшихся в данном растворе на ионы, к общему числу его молекул в растворе называется степенью электролитической диссоциации.

Математически это выражается соотношением:

.

Если  = 0, это означает, что вещество в растворе не диссоциирует на ионы.

Если же для какого-то вещества  = 1, то в растворе все его молекулы диссоциируют на ионы.

В зависимости от величины  электролиты делятся на сильные ( > 0,3), средние (0,03 <  < 0,3) и слабые (0 <  < 0,03). Отличие  от 1 отчасти объясняется тем, что процесс электролитической диссоциации обратим, в особенности это справедливо для слабых электролитов:

Равновесие, которое устанавливается в растворе слабого электролита, характеризуют константой диссоциации.

 диссоциация 

КА КА⁺ + А^_

электролит  моляризация  катион анион

Например, для диссоциации соляной кислоты

НС1  Н⁺ + С1^-

константа диссоциации:

.

Величина K характеризует способность данного электролита диссоциировать на ионы: чем больше К, тем легче электролит распадается в растворе на ионы.

Константа и степень диссоциации связаны друг с другом следующим соотношением (закон разбавления Оствальда):

,

где С_м — молярная концентрация электролита в растворе.

Если К<< 1 , выражение в знаменателе дроби приблизительно равно 1, тогда выражение закона разбавления Оствальда приобретает более простой вид:

K = ²C_M.

Последнее соотношение позволяет сделать вывод, что при разбавлении раствора водой (т. е. уменьшении С_м) степень диссоциации электролита увеличивается.

Многоосновные кислоты и многокислотные основания диссоциируют ступенчато с отщеплением по одному иону H⁺ или по одной ОН^- -группе, соответственно, в каждой ступени диссоциации.

Вода относится к очень слабым электролитам. Она диссоциирует на ионы водорода и гидроксид-ионы:

Н₂О  Н⁺ + ОН^-.

Константа диссоциации воды:

.

Поскольку K очень мало, то концентрацию недиссоциированной воды в знаменателе этого выражения можно считать равной ее общей концентрации и тогда произведение [Н⁺]*[ОН^-] тоже будет постоянной величиной, которая получила название ионного произведения воды. В чистой воде при комнатной температуре концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы и равны 10^-7 моль/л. Это значит, что [Н⁺]*[ОН^-] = 10^-14. Вместо концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов на практике чаще пользуются так называемыми водородным и гидроксильным показателями:

pH = -lg[H⁺];

pOH = -lg[OH^-].

Прологарифмировав выражение [Н⁺]*[OH^-] = 10^-14, получаем, что при 25 ⁰С рН + рОН= 14.

В нейтральных растворах рН = 7, в кислых - рН < 7, в щелочных - рН > 7.

Пример 9.1. Степень диссоциации муравьиной кислоты НСООН в 0,2 н. растворе равна 0,03. Определить константу диссоциации кислоты.

Решение:

Воспользуемся выражением закона разбавления Оствальда:

В это выражение вместо С_М можно поставить нормальную концентрацию, поскольку муравьиная кислота относится к одноосновным кислотам.

.

Ответ: К= 1,86*10^-4.

Пример 9.2. Вычислить значения [Н⁺], [ОН^-] и рОН для раствора муравьиной кислоты из предыдущего примера.

Решение:

По закону разбавления Оствальда мы нашли величину К = 1,86*10^-4, которая, с другой стороны, равна . По условию задачи, [НСООН] = 0,2 моль/л. Поэтому можно записать, что [Н⁺][СООН ] = 0,2*1,86*10^-4 = 0,372*10^-4.

Так как концентрация ионов водорода [Н⁺] при диссоциации молекул кислоты равна концентрации кислотного остатка [СООН^-], то:

[Н⁺] = 6.1*10^-3.

рН = -lg(6,1*10^-3) = 2,21.

Тогда рОН = 14 – 2,21 = 11,79.

Рассчитываем [ОН^-] = 10^-11,79 = 1.63*10^-12 моль/л.

Ответ: [Н⁺] = 6,1*10^-3 моль/л; [ОН^-] = 10^-11,79 = 1.63*10^-12 моль/л; рОН= 11,79.

Задачи

9.1. Константа диссоциации масляной кислоты С₃Н₇СООН равна 1,5*10^-5. Вычислить степень ее диссоциации в 0,005М растворе.

9.2. Степень диссоциации угольной кислоты Н₂СО₃ по первой ступени в 0,1 н. растворе равна 2,11*10^-3. Вычислить К₁.

9.3. При какой концентрации раствора степень диссоциации азотистой кислоты HNO₂ будет равна 0,2?

9.4. В 0,1 н. растворе степень диссоциации уксусной кислоты равна 1,32*10^-2. При какой концентрации азотистой кислоты HNO₂ ее степень диссоциации будет такой же?

9.5. Сколько воды нужно прибавить к 300 мл 0,2М раствора уксусной кислоты, чтобы степень диссоциации кислоты удвоилась?

9.6. Чему равна концентрация ионов водорода Н⁺ в водном растворе муравьиной кислоты если  = 0.03?

9.7. Какие ионы содержатся в растворах:

1) едкого натра;

2) бромоводорода;

3) азотной кислоты;

4) сульфата меди?

9.8 Какие ионы образуются при диссоциации следующих кислот:

1) НС1;

2) HNO₃;

3) НСЮ;

4) НСlO₄?

9.9. Написать уравнение последовательной ступенчатой диссоциации:

1) серной кислоты H₂SO₄;

2) сернистой кислоты H₂SO₃;

3) фосфорной кислоты Н₃РО₄;

4) сероводородной кислоты H₂S.

9.10. На какие ионы распадается при диссоциации каждое из перечисленных ниже веществ:

1) сульфат калия;

2) сульфат алюминия;

3) фторид натрия;

4) бромид кальция?

9.11. Найти молярную концентрацию ионов Н⁺ в водных растворах, в которых концентрация гидроксид-ионов (в моль/л) составляет:

1) 10^-4;

2) 3,2*10^-6;

3) 7,4*10^-11;

4) 9,7*10^-12.

9.12. Найти молярную концентрацию ионов ОН^- в водных растворах, в которых концентрация ионов водорода (в моль/л) равна:

1) 10^-3;

2) 6,5*10^-5;

3) 1,4*10^-8;

4) 6,6*10^-12.

9.13. Вычислить рН растворов, в которых концентрация ионов Н⁺ (в моль/л) равна:

1) 2*10'⁷;

2) 8,1*10^-3;

3) 2,7*10^-10;

4) 8,1*10^-12.

9.14. Вычислить рН растворов, в которых концентрация ионов ОН^- (в моль/л) равна:

1) 4,6*10^-4;

2) 5*10^-7;

3) 9,3*10^-9;

4) 2,3*10^-11.

9.15. Определить [Н⁺] и [ОН'] в растворе, рН которого равен 6,2.

9.16. Определить концентрацию ионов водорода в растворе, рН которого равен 3.

9.17. Определить концентрацию гидроксид-ионов в растворе, рН которого равен 11.

9.18. Концентрация ионов водорода в растворе равна 2*10⁵ моль/л. Определить рН раствора.

9.19. Концентрация гидроксид-ионов в растворе составляет 10^-5 моль/л. Определить концентрацию ионов Н⁺ и рН раствора.

9.20. Концентрация ионов водорода в растворе равна 10^-4 моль/л. Определить концентрацию ионов ОН^- в растворе.

9.21. Степень диссоциации 0,05 н. раствора сернокислого калия равна 77%. Определить вес ионов К⁺, содержащихся в 1 литре раствора.

9.22. Степень диссоциации 0,001 М раствора сенильной кислоты 0,085%. Определить вес ионов СN^-, содержащихся в 10 литре раствора.

9.23. Найдите концентрацию ионов водорода а растворе РН которого равен 3,85.

9.24. Какой будет реакция среды при растворении следующих солей:

1) KCN;

2) NH₄Cl;

3) Ba(NO₃)₂;

4) Al₂(SO₄)₃.

9.25. В воздухе содержится 78 % азота. В плодородном слое почвы имеется значительное количество воздуха, Чем же вызвано применение азотных удобрений?