Протолитические равновесия в воде.
В жидкой воде осуществляется протолитическое равновесие, которое называется автопротолизом воды: Н2О + Н2О = Н3О+ + ОН- (3) Вода – слабый электролит, поэтому за константу химического равновесия (3) можно приближенно принять концентрационную константу химического равновесия Кс, выраженную через равновесные концентрации участников реакции:
[H3O+][OH-]
[H2O]2
и далее: Кс[H2O]2 = [H3O+][OH-] Кс[H2O]2 = const = Kw. Для автопротолиза воды можно записать: Kw = [H3O+][OH-] (4) или упрощенно: Kw = [H+][OH-]. (5) Величина Kw, называется константа автопротолиза воды или ионное произведение воды. Она постоянно при постоянной температуре. При комнатной температуре (25 0С = 298,15К) числовое значение Kw равно: Kw = 1,008*10-14 ≈ 10-14. Так как числовые значения Kw очень маленькие, то вместо них принято использовать отрицательный десятичный логарифм («силовой показатель») величины Kw. При комнатной температуре р Kw = -lg Kw = -lg 10-14 = 14. (6) В чистой жидкой воде концентрации ионов водорода и ионов гидроксила одинаковы [H3O+] = [OH-]. Поэтому при t = 25ºC (298К) можно записать : [H3O+] = [OH-] = 10-7,
pOH = - lg [OH-] = - lg 10-7 = 7 pKw = pH + pOH = 14. (8) Таким образом, при комнатной температуре: - в кислых водных растворах рН < 7, - в нейтральных водных растворах рН = 7, - в щелочных водных растворах рН > 7.
РН растворов слабых кислот
са – исходная концентрация слабой одноосновной кислоты РН растворов слабых оснований
са – исходная концентрация слабой одноосновной кислоты
Kw = KaKb. (11) Ионное произведение воды Кw равно произведению констант кислотности и основности сопряженной пары кислоты и основания. Для показателя pKw получаем:
pKw = pKa + pKb. (12)
ЭТАЛОНЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача 1 Определите значение рН, концентрацию ионов водорода и гидроксильных групп в чистой воде (нейтральный раствор) при температуре 50°С, если ионное произведение воды при этой температуре равно Kw = 5,50·10-14. Во сколько раз изменилась концентрация ионов водорода по сравнению с комнатной температурой? Решение: В соответствии с уравнением ионное произведение воды Kw=[H3O+][OH-]. В рассматриваемом случае [H3O+][OH-]=5,50·10-14. Поскольку концентрации ионов гидроксония и гидроксильных групп в чистой воде одинаковы, то [H3O+]=[OH-]=(5,50·10-14)1/2 = 2,34·10-7 моль/л. Рассчитаем рН раствора: pH = - lg [H3O+] = - lg (2,34·10-7) = 6,63. Это значение рН соответствует нейтральной среде воды и водных растворов при 50°С. Известно, что при комнатной температуре для чистой воды Kw = 10-14, [H3O+]=[OH-]=10-7 моль/л, рН = 7. Следовательно, при 50°С концентрация ионов водорода в чистой воде увеличилась по сравнению с их концентрацией при комнатной температуре в 2,34·10-7/10-7 = 2,34.
Задача 2 Рассчитайте концентрацию формиат-ионов HCOO- в водном растворе муравьиной кислоты HCOOH c концентрацией кислоты с(HCOOH)=0,05 моль/л. Константа кислотной диссоциации муравьиной кислоты равна 1,8·10-4. Решение: Муравьиная кислота как слабый электролит в водном растворе подвергается электролитической диссоциации: HCOOH + H2O = HCOO- + H3O+ c константой кислотной диссоциации Kа=[H3O+][HCOO-]/[HCOOH]. Равновесные концентрации ионов [H3O+] и [HCOO-] одинаковы, так как при диссоциации из одной молекулы муравьиной кислоты образуются по одному иону гидроксония и формиат-иону. Равновесную концентрацию муравтиной кислоты [HCOOH] можно принять равной ее исходной концентрации с(HCOOH) в растворе, поскольку степень ионизации мала, так что число молекул муравьиной кислоты, распавшихся на ионы, намного меньше общего числа молекул муравьиной кислоты в растворе. Поэтому Kа=[HCOO-]2/c(HCOOH) или 1,8·10-4 = [HCOO-]2/0,05. Решая последнее уравнение относительно [HCOO-], получаем:
[HCOO-] = (0,05·1,84·10-4)1/2 = 3·10-3 моль/л. Задача 3 Рассчитайте рН водного раствора, содержащего в 1 л массу m(H3BO3) = 3,0 г ортоборной кислоты H3BO3. Константа кислотной диссоциации этой кислоты по первой степени равна K1 = 7,1·10-10, pK1 = 9,15. Диссоциацией по второй и третьей стадиям – пренебречь. Решение: Ортоборная кислота H3BO3 в водном растворе на первой стадии диссоциации распадается на ионы по схеме: H3BO3 + H2O = H3O+ + H2BO3- c константой кислотности K1 = [H3O+][H2BO3-]/[H3BO3]. В соответствии с уравнением можно записать для данного случая: рН=0,5[pK1 +pc(H3BO3)], где с(H3BO3) – исходная концентрация раствора ортоборной кислоты, выраженная в моль/л. Рассчитаем с(H3BO3). Очевидно с(H3BO3) = m(H3BO3)/M(H3BO3)=3,0/61,833=0,049 моль/л, где M(H3BO3) = 61,833 – молярная масса ортоборной кислоты. Вычислим теперь рН раствора: рН=0,5(9,15 – lg 0,049) = 5,23
Задача 4 Рассчитайте рН водного раствора пиридина С5H5N с концентрацией с(С5H5N)=0,20 моль/л. Константа основности пиридина равна Kb = 1,5·10-9, pKb=8,82. Решение: В водном растворе пиридина устанавливается равновесие с образованием катиона пиридиния С5H5NH+: С5H5N + H2O = С5H5NH+ + OH- Концентрационная константа этого равновесия выражается формулой Kb = [С5H5NH+][OH-]/[С5H5N]. Пиридин – однокислотное основание, поэтому в соответствии с выражением можно записать: pH=14-0,5[pKb + pc(С5H5N)]=14-0,5(8,82 – lg0,20) = 9,2
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|