Методичка_1курс

Решение

При сливании растворов Pb(NO3)2 и KI идет обменная реакция:

Pb2+ + 2I- →?← PbI2 ↓

Малорастворимое соединение PbI2 выпадет в виде осадка, если произведение концентраций ионов свинца и иода в растворе (в соответствующих степенях) окажется больше ПРPbI2 :

ПКPbI2 эксп > ПРPbI2 .

Для проверки этого условия необходимо рассчитать ПКPbI2эксп, сравнить его с табличным значением ПРPbI2 . C этой

целью определим концентрации ионов Pb2+ и I- в растворе.

1. Расчет СPb 2 +эксп .

При сливании растворов нитрата свинца и иодида калия концентрация исходного раствора Pb(NO3 )2 уменьшилась, однако коли-

чество вещества Pb(NO3 )2 в системе не изменилось. Рассчитаем, исходя из этого экспериментальную концентрацию ионов Pb2+:

CPb2+ эксп (VPb(NO3 )2 исх +VKI исх) = CPb2+исх VPb(NO3 )2 исх, CPb2+исх = CPb(NO3 )2 исх = 0,5 моль/л.

Отсюда

91

Так как KI − сильный электролит, то СI-исх = СK I исх = = 0,5 моль/л.

Используя значения СPb 2 +эксп и СI-эксп , проверим, выполняется ли условие образования осадка PbI2 :

ПКPbI2 эксп = CPb2+эксп СI2-эксп = 0,25 (0,25)2 =1,56 10−2 , ПКPbI2 эксп =1,56 10−2 ; ПРPbI2 = 1,1 10−9.

Так какПКPbI2 эксп > ПРPbI2 , то в данном растворе выпадет осадок иодида свинца PbI2 .

Таким образом, ориентируясь на величину ПР, можно оценить, будет ли образовываться в данной системе осадок, а также насколько исследуемое вещество растворимо в воде, т.е. используя ПР можно определить растворимость вещества.

Растворимость (C , моль/л) – это концентрация вещества в его насыщенном растворе (при T = const).

Так как от растворимости вещества зависит концентрация его ионов в растворе, то величина ПР может быть выражена через растворимость ( C ) и соответственно, наоборот, по ПР можно рассчитать растворимость вещества.

Пример 6.2. Определите растворимость Pb(SCN)2 и концен-

трации ионов Pb2+ и SCN− в насыщенном растворе, если

ПРPb(SCN)2 =2,0 10–5.

Решение

Запишем уравнение гетерогенного равновесия, которое устанавливается в растворе соли Pb(SCN)2 , и выразим через раствори-

мость ( C ) равновесные концентрации ионов соли ([ Pb2+ ], [ SCN− ]):

равновесные концентрации ионов, моль/л

92

Если C − это то количество Pb(SCN)2, которое растворяется, то оно же полностью распадается на ионы. В этом случае равновесные концентрации ионов соли будут равны:

[ Pb2+ ] = C , моль/л; [ SCN− ] = 2 C , моль/л.

Тогда ПРPb(SCN)2 = [Pb2+ ] [SCN - ]2 = C (2C )2 = 4C 3 .

Отсюда растворимость и концентрации ионов соли в растворе:

[Pb2+ ] = C = 1,71 10−2 моль / л; [SCN− ] = 2C = 3,42 10−2 моль / л.

Используя величину растворимости, можно предсказать, будет ли происходить переосаждение одного малорастворимого соединения в другое при добавлении соответствующего реагента. Как правило, самопроизвольно процессы идут в направлении образования вещества с меньшей растворимостью.

Пример 6.3. Определите, произойдет ли переосаждение, если к 1 мл насыщенного раствора с осадком PbCrO4 прилили 0,5 мл

0,2 М раствора KSCN . ПРPbCrO4 =4,8 10–10. ПРPb(SCN)2 =2,0 10–5.

Решение

PbCrO 2KSCN ? Pb(SCN) K CrO

4 ↓ + →← 2 ↓ + 2 4

насыщеный раствор с осадком

Переосаждение, т.е. превращение исходного осадка PbCrO4 в новое малорастворимое вещество Pb(SCN)2 , произойдет, если в системе созданы условия для образования этого нового осадка. Для проверки условия образования осадка Pb(SCN)2 рассчитаем экспе-

риментальные концентрации ионов Pb2+ и SCN− в исследуемой системе.

93

электролит.

3. Проверка условия образования осадкаPb(SCN)2 .

ПКPb(SCN)2 эксп = CPb2+эксп СSCN2 -эксп =

= 2,2 10−5 (0,66)2 = 2,0 10−6 ,

ПКPb(SCN)2 эксп = 2,0 10−6 ; ПРPb(SCN)2 = 2,0 10−5.

Так как ПКPb(SCN)2 эксп ПРPb(SCN)2 , то осадок Pb(SCN)2 не

может образоваться в данном растворе, и, следовательно, переосаждение не произойдет:

PbCrO4 ↓ +2KSCN→/ Pb(SCN)2 ↓ +K2CrO4.

94

Выполнение опыта

Получение малорастворимых соединений свинца

В три пробирки из бюретки налейте по 0,5 мл 0,1 М Pb(NO3 )2 .

Затем в первую пробирку прилейте 0,5 мл 0,01 М раствора KSCN , во вторую − 0,5 мл 0,2 М раствора KSCN , в третью − 0,5 мл 0,2 М раствора KI . В четвертую пробирку налейте 0,6 мл 0,1 М раствора Pb(NO3 )2 , а затем добавьте туда же 0,4 мл 0,1 М раствора

Na3PO4 . Отметьте цвета осадков, пробирки с осадками сохраните

для следующего опыта, запомнив, в какой пробирке какое малорастворимое вещество находится.

Переосаждение малорастворимых соединений свинца

К пробиркам с осадками тиоцианата свинца Pb(SCN)2 и ортофосфата свинца Pb3 (PO4 ) 2 прилейте по 0,5 мл 0,2 М раствора иодида калия KI. Пробирку с осадком иодида свинца PbI2 оставь-

те для сравнения. Отметьте, в каких случаях произошло изменение цвета первоначально выпавших осадков.

Оформление опыта

Получение малорастворимых соединений свинца

Запишите ионно-молекулярные уравнения химических процессов и докажите расчетом возможность (невозможность) образования малорастворимых соединений свинца (см. пример 6.1).

Табличные значения ПР:

ПРPb(SCN)2 =2,0 10–5; ПРPbI2 =1,1 10–9; ПРPb3(PO4 )2 = 7,9 10-43.

Пробирка 1.

?

+ → ↓

Pb(NO3 )2 2KSCN ←Pb(SCN)2 + 2KNO3

На основании сравнения ПКPb(SCN)2 эксп и ПРPb(SCN)2 сде-

лайте вывод о возможности (невозможности) образования малорастворимого соединения Pb(SCN)2 в данной системе.

Аналогично рассмотрите следующие системы:

Пробирка 2.

Pb(NO ) KSCN ?

3 2 + →←

Пробирка 3.

Pb(NO ) KI ?

3 2 + →←

Пробирка 4.

?

→

Pb(NO 3 ) 2 + K 3 PO 4 ←

Переосаждение малорастворимых соединений свинца

1. Запишите ионно-молекулярные уравнения процессов и докажите расчетом возможность (невозможность) переосаждения (см. пример 6.3).

Pb(SCN) +KI ?

2 ↓ →←

?

→

Pb3(PO4)2 + KI ←

2. Ответьте на следующие вопросы (письменно): а) что такое растворимость;

б) как уменьшить растворимость малорастворимого соединения, например Pb(SCN)2 ?

ОПЫТ 6.4. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ В РАСТВОРАХ СОЛЕЙ. ГИДРОЛИЗ

Гидролизом солей называется процесс взаимодействия солей с водой, сопровождающийся образованием слабодиссоциирующего электролита. Так как при гидролизе происходит связывание ионов

96

водорода или гидроксид-ионов воды в слабый электролит, то в результате может измениться рН раствора по сравнению с чистой водой.

Гидролизу подвергаются соли, имеющие в своем составе либо катионы слабого основания, либо анионы слабой кислоты, либо те и другие ионы.

Гидролизу по катиону подвергаются соли, образованные катионами слабого основания и анионами сильной кислоты, напри-

мер NH4Cl:

NH 4Cl + H 2O →← NH4OH + HCl

Если катион многовалентный, то гидролиз идет ступенчато. 1-я ступень: 2ZnSO4 + 2H 2O →← (ZnOH)2 SO4 + H 2SO4

или Zn 2 + + H 2 O →← ZnOH + + H + (рН < 7).

При стандартных условиях гидролиз солей, образованных слабыми основаниями 1,2,3-валентных металлов, практически протекает по первой ступени. Для того чтобы в заметной степени протекали последующие ступени, необходимо создать соответствующие условия, например повысить температуру, разбавить раствор.

2-я ступень: (ZnOH)2 SO4 + 2H 2O →← 2Zn(OH)2 + H2SO4

Гидролизу по аниону подвергаются соли, образованные катионами сильного основания и анионами слабой кислоты:

Если анион многоосновной кислоты, то гидролиз идет ступенчато.

1-я ступень: Na 2CO3 + H2O →← NaHCO3 + NaOH

или CO 32− + H 2 O →← HCO 3− + OH − (рН > 7).

Гидролиз солей, образованных слабыми одно-, двух-, трехосновными кислотами, при стандартных условиях так же практически идет по первой ступени. Для того чтобы последующие ступени

97

протекали в заметной степени, необходимо создать соответствующие условия для смещения равновесия.

2-я ступень: NaHCO3 + H 2O →← H 2CO3 + NaOH

Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой, подвергаются гидролизу и по катиону, и по аниону:

(NH4 )2 S + H2O →← NH4HS + NH4OH NH 4HS + H 2O →← H2S + NH4OH

Al2S3 + 6H2O →2Al(OH)3 ↓ +3H2S ↑ (полный, необратимый

гидролиз).

Процесс гидролиза часто представляет собой обратимый равновесный процесс. По этой причине при нормальных условиях гидролиз солей одно-, двух- и трехвалентных металлов протекает в основном по первой ступени; четырехвалентных – по двум ступеням, а шестивалентных – по четырем. В соответствии с законом действия масс процесс гидролиза можно сместить в любом направлении (усилить, подавить).

Основными количественными характеристиками, определяющими глубину протекания процесса гидролиза, является степень гидролиза (h) и константа гидролиза ( KГ ).

Например, для гидролиза Na3PO4 по 1-й ступени

PO34− + H 2O →← HPO 24− + OH −

степень гидролиза представляет собой отношение концентрации гидролизованной соли (С) к исходной концентрации соли в растворе ( C0 ):

h = CC o = CO H − Co ,

а константа гидролиза − отношение равновесных концентраций компонентов:

98

Константу гидролиза соли можно рассчитать через константу ионного произведения воды ( K в = C OH − C H + = 10 −14 ) и констан-

ту диссоциации продукта гидролиза – слабого электролита. Продуктом гидролиза Na3PO4 по первой ступени является сла-

бодиссоциирующий анион HPO24− − это анион ортофосфорной ки-

слоты, и его диссоциация, следовательно, характеризуется константой диссоциации Н3РО4 по 3-й ступени:

константы гидролиза Na3PO4 , получим формулу для расчета Kг1 :

Аналогичным образом можно получить выражение для расчета константы гидролиза любой соли и для любой ступени.

Таким образом, для ZnSO4 константа гидролиза по 1-й ступени больше константы гидролиза по 2-й ступени. Такое соотношение ступенчатых констант справедливо для любых гидролизующихся солей:

Kг1 > Kг2 .

Взаимосвязь константы гидролиза и степени гидролиза выражается законом Оствальда:

h = K г C о .

Гидролиз средних солей при стандартных условиях

Выполнение опыта

На полоски универсальной индикаторной бумаги нанесите раздельно по 1 капле растворов следующих солей: карбоната натрия, силиката натрия, сульфата натрия, хлорида калия, хлорида алюминия, сульфата цинка. Определите рН растворов указанных солей, используя шкалу универсального индикатора, значения занесите в таблицу.

Оформление опыта

1. Заполните таблицу, указав для каждой соли, какими кислотами и основаниями (сильными или слабыми) они образованы; склонны они к гидролизу или нет и по какому иону (аниону или катиону).

100