Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая диссоциация - распад на ионы):
Водородный показатель (рН) величина, характеризующая активность или концентрацию ионов водорода в растворах. Водородный показатель обозначается рН. Водородный показатель численно равен отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода, выраженной в молях на литр: pH=-lg[ H+ ] Если [ H+ ]>10-7моль/л, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7моль/л -среда щелочная; рН>7. Гидролиз солей - это химическое взаимодействие ионов соли с ионами воды, приводящее к образованию слабого электролита. 1). Гидролиз не возможенСоль, образованная сильным основанием и сильной кислотой (KBr , NaCl , NaNO3 ), гидролизу подвергаться не будет, так как в этом случае слабый электролит не образуется.рН таких растворов = 7. Реакция среды остается нейтральной. 2). Гидролиз по катиону (в реакцию с водой вступает только катион). В соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой
(FeCl2 , NH4Cl , Al2(SO4)3 ,MgSO4 )
гидролизу подвергается катион:
FeCl2 + HOH <=>Fe(OH)Cl + HCl Fe2+ + 2Cl- + H+ + OH- <=> FeOH+ + 2Cl- + Н+
В результате гидролиза образуется слабый электролит, ион H+ и другие ионы. рН раствора < 7 (раствор приобретает кислую реакцию). 3). Гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион). Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой
(КClO , K2SiO3 , Na2CO3 ,CH3COONa )
подвергается гидролизу по аниону, в результате чего образуется слабый электролит, гидроксид-ион ОН- и другие ионы.
K2SiO3 + НОH <=>KHSiO3 + KОН 2K+ +SiO32- + Н+ + ОH-<=> НSiO3- + 2K+ + ОН-
рН таких растворов > 7 (раствор приобретает щелочную реакцию).4). Совместный гидролиз (в реакцию с водой вступает и катион и анион). Соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой
(СН 3СООNН 4 , (NН 4)2СО 3 , Al2S3 ),
гидролизуется и по катиону, и по аниону. В результате образуются малодиссоциирующие основание и кислота. рН растворов таких солей зависит от относительной силы кислоты и основания. Мерой силы кислоты и основания является константа диссоциации соответствующего реактива. Реакция среды этих растворов может быть нейтральной, слабокислой или слабощелочной:
Al2S3 + 6H2O =>2Al(OH)3v+ 3H2S^
Гидролиз - процесс обратимый. Гидролиз протекает необратимо, если в результате реакции образуется нерастворимое основание и (или) летучая кислота
Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электрической проводимостью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы:
По величине электрической проводимости чистой воды можно вычислить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде. При она равна моль/л.
Напишем выражение для константы диссоциации воды:
Перепишем это уравнение следующим образом:
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул в воде практически равно общей концентрации воды, т. е. 55,55 моль/л (1 л. содержит 1000 г. воды, т. е. моль). В разбавленных водных растворах концентрацию зоды можно считать такой же. Поэтому, заменив в последнем уравнении произведение новой константой будем иметь:
Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентрата ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная, Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. Численное значение ее нетрудно получить, подставив в последнее уравнение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов. В чистой воде при моль/л. Поэтому для указанной температуры:
Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами. При , как уже сказано, в нейтральных растворах концентрация как ионов водорода, так и гидроксид-ионов равна моль/л. В кислых растзорах больше концентрация ионов водорода, в щелочных - концентрация гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция раствора, произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов остается постоянным.
Если, например, к чистой воде добавить столько кислоты, чтобы концентрация ионов водорода повысилась до моль/л, то концентрация гидроксид-ионов понизится так, что произведение останется равным . Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет:
Наоборот, если добавить к воде щелочи и тем повысить концентрацию гидроксид-ионов, например, до моль/л, то концентрация ионов водорода составит:
Эти примеры показывают, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щелочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:
Кислотность или щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем и обозначается через :
Например, если моль/л, то ; если моль/л, то и т. д. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе ( моль/л) . В кислых растворах и тем меньше, чем кислее раствор. Наоборот, в щелочных растворах и тем больше, чем больше щелочность раствора.
Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая диссоциация - распад на ионы): H 2 O ↔ H + + OH -
Примерно на 556 000 000 не диссоциированных молекул воды диссоциирует только 1 молекула, однако это 60 000 000 000 диссоциированных молекул в 1мм 3 . Диссоциация обратима, то есть ионы H + и OH - могут снова образовать молекулу воды. В итоге наступает динамическое равновесие при котором количество распавшихся молекул равно количеству образовавшихся из H + и OH - ионов. Другими словами скорости обоих процессов будут равны. Для нашего случая, уравнение скорости химической реакции можно написать так:
υ 1 = κ 1 (для диссоциации воды)
υ 2 = κ 2 (для обратного процесса)
где υ - скорость реакции; κ - константа скорости реакции (зависящая от природы реагирующих веществ и температуры); , и - концентрации (моль/л).
В состоянии равновесия υ 1 = υ 2 , следовательно: κ 1 = κ 2
Так как, при определенной температуре, величины используемые в расчете ионного произведения воды (K, ) постоянны, значение ионного произведения воды так же постоянно. А поскольку при диссоциации молекулы воды образуется одинаковое количество ионов и , получается что для чистой воды концентрации и будут равны 10 -7 моль/л. Из постоянства ионного произведения воды следует, что если количество ионов H + становится больше, то количество ионов HO - становится меньше. Например, если к чистой воде добавить сильную кислоту HCl, она как сильный электролит вся продиссоциирует на H + и Cl - , в результате концентрация ионов H + резко увеличится, и это приведет к увеличению скорости процесса противоположного диссоциации, так как она зависит от концентраций ионов H + и OH - : υ 2 = κ 2
В ходе ускорившегося процесса противоположного диссоциации, концентрация ионов HO - уменьшится до величины соответствующей новому равновесию, при котором их будет так мало, что скорости диссоциации воды и обратного процесса снова будут равны. Если концентрация получившегося раствора HCl равна 0,1моль/л, равновесная концентрация будет равна: = 10 -14 /0,1 = 10 -13 моль/л
Ионное произведение воды ́ - произведение концентраций ионов водорода Н + и ионов гидроксила OH − в воде или в водныхрастворах, константа автопротолиза воды.
Вода, хотя и является слабым электролитом, в небольшой степени диссоциирует:
Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле:
· - концентрация ионов гидроксония (протонов);
· - концентрация гидроксид-ионов;
· - концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;
Концентрация воды в воде, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,56 моль/л.
При 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8·10 −16 моль/л. Уравнение (1) можно переписать как:
Константа K в, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды . Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и K в, при понижении температуры - наоборот. Практическое значение ионного произведения воды велико, так как оно позволяет при известной кислотности (щёлочности) любого раствора (то есть при известной концентрации или ) найти соответственно концентрации или . Хотя в большинстве случаев для удобства представления пользуются не абсолютными значениями концентраций, а взятыми с обратными знаком их десятичными логарифмами - соответственно, водородным показателем (pH) и гидроксильным показателем (pOH).
Так как K в - константа, при добавлении к раствору кислоты (ионов H +), концентрация гидроксид-ионов OH − будет падать и наоборот. В нейтральной среде = = моль/л. При концентрации > 10 −7 моль/л (соответственно, концентрации < 10 −7 моль/л) среда будет кислой ; При концентрации > 10 −7 моль/л (соответственно, концентрации < 10 −7 моль/л) - щелочной .
27. Буферные растворы: их состав, свойства, механизм действия. Буферная емкость
Буферные растворы - это растворы, содержащие буферные системы. Буферными системами называются смеси, в составе которых содержатся в определенном количественном соотношении слабые кислоты и их соли с сильными основаниями или слабые основания и их соли с сильными кислотами. Такие растворы обладают устойчивой концентрацией ионов Н+ при разбавлении нейтральным растворителем (водой) и добавлении к ним определенного количества сильных кислот или оснований.
Буферные растворы находятся в водах мирового океана, почвенных растворах и живых организмах. Эти системы выполняют функции регуляторов, поддерживающих активную реакцию среды при определенном значении, необходимом для успешного протекания реакций обмена веществ. Буферные растворы классифицируются на кислотные и основные. Примером первых может быть ацетатная буферная система, вторых - аммонийная. Различают естественные и искусственные буферные растворы. Естественным буферным раствором является кровь, содержащая гидрокарбонатную, фосфатную, белковую, гемоглобиновую и кислотную буферные системы. Искусственным буферным раствором может быть ацетатный буфер, состоящий из СН3СООН.
Особенности внутреннего состава и механизма действия буферных систем рассмотрим на примере ацетатной буферной системы: ацетатная кислота/ацетат натрия. В водной среде компоненты буферной системы подвергаются электролитической диссоциации. Ацетат натрия как соль слабой кислоты и сильного основания целиком диссоциирует на ионы. Наличие анионов в такой буферной смеси зависит от концентрации в ней соли и степени ее диссоциации. Концентрация ионов Н+ в буферной системе прямо пропорциональна концентрации в ней кислоты и обратно пропорциональна содержанию в ней соли этой кислоты.
Таким образом, концентрация ионов Н+ в основном буфере прямо пропорциональна концентрации в нем соли и обратно пропорциональна концентрации основания.
примеру, необходимо приготовить ацетатный буфер с несколькими значениями pH. Вначале приготовляют 5М растворы ацетатной кислоты и ацетата натрия. Для приготовления первого раствора берут по 50 мл каждого из компонентов. Руководствуясь формулой, определяют концентрацию ионов Н+ в полученном растворе.
Для следующего буферного раствора берут 80 мл раствора кислоты и 20 мл раствора соли, приготовленных ранее. Существует ряд прописей различных буферных растворов, применяемых в химическом анализе и лабораторной практике.
Для буферных растворов характерны некоторое свойства. К таковым, в первую очередь, относится буферность – способность сохранять постоянство концентрации ионов Н+ при добавлении в буферный раствор определенного количества сильной кислоты или сильного основания. Например, если к ацетатному буферу добавить небольшое количество хлоридной кислоты, сдвига рН в кислую сторону не произойдет, так как хлоридная кислота вступит в реакцию обменного разложения с солью слабой кислоты. В результате реакции сильная кислота, способная сдвинуть рН в кислую сторону, заменяется слабой кислотой и нейтральной солью. Степень диссоциации раствора слабого электролита при увеличении его концентрации уменьшается, стремится к нулю, и сдвиг рН не происходит.
Буферная ёмкость раствора (от англ. buffer - амортизатор, англ. buff - смягчать толчки) - такое количество кислоты или основания, нужное для изменения pH буферного раствора ровно на 1.
Буферная смесь, буферный раствор, буферная система - сочетание веществ, система, поддерживающая постоянство pH.
Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая диссоциация - распад на ионы):
H 2 O ↔ H + + OH -
Примерно на 556 000 000 не диссоциированных молекул воды диссоциирует только 1 молекула, однако это 60 000 000 000 диссоциированных молекул в 1мм 3 . Диссоциация обратима, то есть ионы H + и OH - могут снова образовать молекулу воды. В итоге наступает динамическое равновесие при котором количество распавшихся молекул равно количеству образовавшихся из H + и OH - ионов. Другими словами скорости обоих процессов будут равны. Для нашего случая, уравнение скорости химической реакции можно написать так:
υ 1 = κ 1 (для диссоциации воды)
υ 2 = κ 2 (для обратного процесса)
где υ - скорость реакции; κ - константа скорости реакции (зависящая от природы реагирующих веществ и температуры); , и - концентрации (моль/л).
В состоянии равновесия υ 1 = υ 2 , следовательно:
κ 1 = κ 2
Проведем нехитрые математические действия и получим:
κ 1 /κ 2 = /
κ 1 /κ 2 = K
K - константа равновесия, а в нашем случаи константа диссоциации, которая зависит от температуры и природы веществ, и не зависящая от концентраций (также как κ 1 и κ 2). K для воды 1,8 10 -16 при 25 °C (справочная величина).
Вследствие очень малого количества продиссоциированных молекул концентрацию можно принять равной общей концентрации воды, а общую концентрацию воды в разбавленных растворах как величину постоянную: =1000(г/л)/18(г/моль)=55,6 моль/л.
Заменяя κ 1 /κ 2 на K и используя величину , определяем чему равно произведение концентраций и , которое называется - ионное произведение воды :
K = /55,6 моль/л
1,8 10 -16 55,6 моль/л =
10 -14 =
Так как, при определенной температуре, величины используемые в расчете ионного произведения воды (K , ) постоянны, значение ионного произведения воды так же постоянно. А поскольку при диссоциации молекулы воды образуется одинаковое количество ионов и , получается что для чистой воды концентрации и будут равны 10 -7 моль/л . Из постоянства ионного произведения воды следует, что если количество ионов H + становится больше, то количество ионов HO - становится меньше. Например, если к чистой воде добавить сильную кислоту HCl, она как сильный электролит вся продиссоциирует на H + и Cl - , в результате концентрация ионов H + резко увеличится, и это приведет к увеличению скорости процесса противоположного диссоциации, так как она зависит от концентраций ионов H + и OH - :
υ 2 = κ 2
В ходе ускорившегося процесса противоположного диссоциации, концентрация ионов HO - уменьшится до величины соответствующей новому равновесию, при котором их будет так мало, что скорости диссоциации воды и обратного процесса снова будут равны. Если концентрация получившегося раствора HCl равна 0,1моль/л, равновесная концентрация будет равна:
= 10 -14 /0,1 = 10 -13 моль/л
При добавлении сильного основания NaOH сдвиг будет в сторону уменьшения концентрации H + .
Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель
Вода является слабым электролитом, который диссоциирует по уравнению: .
Это явление принято называть самоионизацией или автопротолизом.
Константа диссоциации воды при 25 0 С составляет:
Так как константа диссоциации воды очень мала, можно считать концентрацию воды постоянной величиной:
(при 295 К)
Величина K w принято называть ионным произведением воды.
Ионное произведение воды характеризует равновесие между ионами водорода и гидроксид-ионами в водных растворах и является постоянной при данной температуре величиной.
Кислотность или основность водного раствора должна быть выражена концентрацией ионов водорода или гидроксид-ионов. Чаще всего для этой цели используют величину рН, которая связана с концентрацией ионов водорода следующим соотношением:
В нейтральной среде:
В кислой среде:
В щелочной среде:
Расчёт рН и рОН растворов сильных и слабых электролитов.
Концентрацию ионов Н + определяют по уравнению Оствальда: = ; аналогично для гидроксила: [ОH – ]= ;
Свойство растворов сохранять определенное значение рН принято называть буферным действием. Растворы, обладающие буферными свойствами, называют буферными.
В широком смысле буферными называют системы, поддерживающие определенное значение какого-либо параметра при изменении состава. Буферные растворы бывают кислотно – основные – поддерживают постоянство рН при введении кислот или оснований, окислительно – восстановительными – сохраняют постоянным потенциал систем при введении окислителей или восстановителей. Буферный раствор представляет собой сопряженную пару. К примеру:
1. слабая кислота и соль этой кислоты и сильного основания (уксусная кислота и ацетат натрия – ацетатный буфер)
2. слабое основание и соль этого основания и сильной кислоты (гидроксид аммония и хлорид аммония – аммиачный буфер)
3. растворы, содержащие соли многобазовых кислот (гидрофосфат натрия и дигидрофосфат натрия – фосфатный буфер)
Рассмотрим механизм поддержания рН в ацетатном буфере. Там протекаю реакции:
СН 3 СООН ↔ СН 3 СОО - + Н +
СН 3 СООNa ↔ СН 3 СОО - + Na +
Первая реакция практически полностью подавляется из-за большой концентрации ацетат ионов, вызванной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия.
В случае если к раствору добавить сильную кислоту, то ионы водорода будут взаимодействовать с анионами с образованием молекул уксусной кислоты и реакция среды не изменится. В случае если к раствору добавить сильное основание, то гидроксид-ионы будут взаимодействовать с ионами водорода (или молекулами уксусной кислоты). Образование воды не повлияет на рН среды. Пошедшие на реакцию с ОН – ионами ионы водорода будут компенсированы за счёт смещения равновесия реакции диссоциации уксусной кислоты вправо.
Константа электролитической диссоциации уксусной кислоты:
Значение концентрации водородных ионов:
Степень электролитической диссоциации уксусной кислоты незначительна, в связи с этим в растворе преобладают ее недиссоциированные молекулы. Концентрация недиссоциированных молекул будет почти равна концентрации кислоты. Тогда концентрацию недиссоциированной кислоты можно заменить общей концентрацией кислоты в растворе:
[СН 3 СООН] = [кислота],
а концентрацию ацетатных ионов - концентрацией соли в растворе:
[СН 3 СОО - ] = [соль].
Подставив эти величины в выражение (2), получим уравнение расчёта [Н + ] для буферного раствора:
Величина К (константа электролитической диссоциации кислоты) при данных условиях постоянна.
Прологарифмируя уравнения получим:
рК – отрицательный логарифм константы диссоциации уксусной кислоты.
Применяя такие же рассуждения, для смеси слабого основания и соли сильной кислоты можно вывести уравнение:
Из уравнений следует, что рН буфера зависит от величины константы слабой кислоты или слабого основания, а также от соотношения концентраций компонентов буферных смесей.
Поскольку константа электролитической диссоциации при данных условиях постоянна, то рН буферного раствора будет зависеть только от отношения концентрации кислоты (или основания) и соли, взятых для приготовления буферной смеси. и не зависит от абсолютного значения этих концентраций. Опыт показывает, что даже при значительном разбавлении буферных растворов в 10-20 раз рН мало изменяется.
Способность буферных растворов противодействовать резкому изменению рН ограничена. Предел, в котором проявляется буферное действие, принято называть буферной емкостью (В). Численно буферная емкость определяется количеством моль-эквивалентов сильной кислоты или основания, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ нужно добавить к 1 л буферной смеси, чтобы изменить величину рН на единицу.
Величина буферной емкости зависит от концентрации компонентов буферной смеси и их отношения. Чем выше концентрация компонентов буферной смеси, тем больше ее емкость. Максимальное буферное действие наблюдается в случае, в случае если кислота и соль находятся в растворе в эквивалентных количествах.
Наличие буферных смесей в живых организмах определяет постоянство рН крови, молока, клеточного сока растений. Карбонатная и фосфатная буферные системы имеют большое значение в регулировании биохимических процессов в организме, почве.
Лекция 5ʼʼСлабые и сильные электролитыʼʼ
Электролиты - ϶ᴛᴏ вещества, растворы которых проводят электрический ток посредством ионов, на которые они распадаются под действием полярных молекул растворителя.
Количественной характеристикой диссоциации электролита является степень диссоциации , которая равна отношению числа продиссоциировавших молекул к общему числу молекул:
По степени диссоциации различают сильные электролиты слабые электролиты и электролиты средней силы
Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель" 2017, 2018.
