ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.07.2025
Просмотров: 538
Скачиваний: 0
Равновесия в растворах электролитов
Расчет концентрации ионов водорода и рН в растворах сильных кислот и оснований
При растворении вещества в воде могут образовываться ионы. Частичный или полный распад вещества на ионы в результате взаимодействия с растворителем называют электролитической диссоциацией. Одной из основных характеристик электролитической диссоциации является степень диссоциации (α), которая равна отношению концентрации продиссоциировавших молекул к начальной концентрации растворенного вещества.
Степень диссоциации зависит от: природы растворителя; природы растворенного вещества; концентрации раствора (чем меньше концентрация раствора, тем больше степень диссоциации); температуры; наличия одноименного иона.
По степени диссоциации все электролиты делятся на сильные и слабые. Сильные электролиты в не слишком концентрированных растворах практически полностью диссоциируют на ионы. К сильным электролитам относятся:
-все растворимые в воде основания (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2, Ra(OH)2;
-сильные кислоты (HNO3, H2SO4, HCl, HBr, HI, HClO4 и некоторые другие);
-почти все растворимые в воде соли, в том числе и комплексные.
Задача 5
В мерную колбу объемом V1 (мл) внесли V2 (мл) раствора S1 с концентрацией C1 (моль/л) (таблица 9). Объем раствора довели до метки. Какова молярная и нормальная концентрации полученного раствора и его рН?
Таблица 9 – Условие задачи 5
№ |
V1, мл |
С1, моль/л |
V2, мл |
S1 |
№ |
V1, мл |
С1, моль/л |
V2, мл |
S1 |
1 |
500 |
0,1000 |
5 |
H2SO4 |
31 |
500 |
0,4600 |
5 |
H2SO4 |
2 |
50 |
0,1120 |
10 |
Ba(OH)2 |
32 |
50 |
0,4720 |
10 |
Ba(OH)2 |
3 |
100 |
0,1240 |
15 |
HNO3 |
33 |
100 |
0,4840 |
15 |
HNO3 |
4 |
200 |
0,1360 |
20 |
KOH |
34 |
200 |
0,4960 |
20 |
KOH |
5 |
250 |
0,1480 |
25 |
HCl |
35 |
250 |
0,5080 |
25 |
HCl |
6 |
500 |
0,1600 |
5 |
LiOH |
36 |
500 |
0,5200 |
5 |
LiOH |
7 |
50 |
0,1720 |
10 |
HBr |
37 |
50 |
0,5320 |
10 |
HBr |
8 |
100 |
0,1840 |
15 |
CsOH |
38 |
100 |
0,5440 |
15 |
CsOH |
9 |
200 |
0,1960 |
20 |
HI |
39 |
200 |
0,5560 |
20 |
HI |
10 |
250 |
0,2080 |
25 |
Ca(OH)2 |
40 |
250 |
0,5680 |
25 |
Ca(OH)2 |
11 |
500 |
0,2200 |
5 |
H2SO4 |
41 |
500 |
0,5800 |
5 |
H2SO4 |
12 |
50 |
0,2320 |
10 |
Ba(OH)2 |
42 |
50 |
0,5920 |
10 |
Ba(OH)2 |
13 |
100 |
0,2440 |
15 |
HNO3 |
43 |
100 |
0,6040 |
15 |
HNO3 |
14 |
200 |
0,2560 |
20 |
KOH |
44 |
200 |
0,6160 |
20 |
KOH |
15 |
250 |
0,2680 |
25 |
HCl |
45 |
250 |
0,6280 |
25 |
HCl |
16 |
500 |
0,2800 |
5 |
LiOH |
46 |
500 |
0,640 |
5 |
LiOH |
17 |
50 |
0,2920 |
10 |
HBr |
47 |
50 |
0,6520 |
10 |
HBr |
17
Продолжение таблицы 9
№ |
V1, мл |
С1, моль/л |
V2, мл |
S1 |
№ |
V1, мл |
С1, моль/л |
V2, мл |
S1 |
18 |
100 |
0,3040 |
15 |
CsOH |
48 |
100 |
0,6640 |
15 |
CsOH |
19 |
200 |
0,3160 |
20 |
HI |
49 |
200 |
0,6760 |
20 |
HI |
20 |
250 |
0,3280 |
25 |
Ca(OH)2 |
50 |
250 |
0,6880 |
25 |
Ca(OH)2 |
21 |
500 |
0,3400 |
5 |
H2SO4 |
51 |
500 |
0,7000 |
5 |
H2SO4 |
22 |
50 |
0,3520 |
10 |
Ba(OH)2 |
52 |
50 |
0,7120 |
10 |
Ba(OH)2 |
23 |
100 |
0,3640 |
15 |
HNO3 |
53 |
100 |
0,7240 |
15 |
HNO3 |
24 |
200 |
0,3760 |
20 |
KOH |
54 |
200 |
0,7360 |
20 |
KOH |
25 |
250 |
0,3880 |
25 |
HCl |
55 |
250 |
0,7480 |
25 |
HCl |
26 |
500 |
0,4000 |
5 |
LiOH |
56 |
500 |
0,7600 |
5 |
LiOH |
27 |
50 |
0,4120 |
10 |
HBr |
57 |
50 |
0,7720 |
10 |
HBr |
28 |
100 |
0,4240 |
15 |
CsOH |
58 |
100 |
0,7840 |
15 |
CsOH |
29 |
200 |
0,4360 |
20 |
HI |
59 |
200 |
0,7960 |
20 |
HI |
30 |
250 |
0,4480 |
25 |
Ca(OH)2 |
60 |
250 |
0,8080 |
25 |
Ca(OH)2 |
Разберем решение этой задачи на примере вариантов 1 и 2.
Рассчитаем концентрацию раствора серной кислоты С2 (вариант 1), полученную при разбавлении раствора С1. Воспользуемся законом разбавления (14):
С = |
C2 V2 |
= 5 0,1000 = 0,00100 (моль/л) |
1 |
V1 |
500 |
Найдем нормальную концентрацию раствора (7):
Сн = |
С |
= |
0,0010 |
= 0,00200 |
(моль экв/л) |
|
fэкв |
1/ 2 |
|||||
Запишем уравнение диссоциации серной кислоты. Это сильный электролит, который нацело диссоциирует на ионы:
0,0010 2·0,0010
H2SO4 → 2H+ + SO42–
Если начальная концентрация H2SO4 равна 0,00100 моль/л, то, согласно уравнению реакции, концентрация образовавшихся ионов водорода в два раза больше и равна 0,00200 моль/л. Рассчитаем рН полученного раствора:
рН = –lg C(H+) = –lg 0,00200 = 2,6990 (рН = 2,70)
Полученный результат можно округлить с точностью до ±0,01 рН, в соответствии с точностью обычного рН-метра.
Аналогично решаем эту задачу для второго варианта. Рассчитываем концентрацию раствора Ba(OH)2, полученного после разбавления раствора С1 и его нормальность Сн:
С |
= |
C2 V2 |
= 10 0,1120 = 0,02240 моль/ л; |
Сн = |
C |
= 0,02240 = 0,04480 моль экв/ л |
1 |
V1 |
50 |
fэкв |
1/ 2 |
||
Запишем диссоциацию гидроксида бария:
0,0224 2·0,0224
Ba(OH)2 → Ba2+ + 2OH– С(ОН–) = 0,04480 моль/л.
18
Рассчитаем рН раствора: рОН = –lg C(OH–) = –lg 0,04480 = 1,3487; рН = 14 – рОН = 14 – 1,3487 = 12,6513 (рН = 12,65).
Таблица 10 – Ответы к задаче 5
Сн, |
+ |
– |
Сн, |
+ |
– |
||||||
№ |
С2, моль/л |
моль экв/л |
C(H /OH ) |
pH |
№ |
С2, моль/л |
моль экв/л |
C (H /OH ) |
pH |
||
1 |
0,00100 |
0,00200 |
0,00200 |
2,6990 |
7 |
0,03440 |
0,03440 |
0,03440 |
1,4634 |
||
2 |
0,02240 |
0,04480 |
0,04480 |
12,6513 |
8 |
0,02760 |
0,02760 |
0,02760 |
12,4409 |
||
3 |
0,01860 |
0,01860 |
0,01860 |
1,7305 |
9 |
0,01960 |
0,01960 |
0,01960 |
1,7077 |
||
4 |
0,01360 |
0,01360 |
0,01360 |
12,1335 |
10 |
0,02080 |
0,04160 |
0,04160 |
12,6191 |
||
5 |
0,01480 |
0,01480 |
0,01480 |
1,8297 |
11 |
0,00220 |
0,00440 |
0,00440 |
2,3565 |
||
6 |
0,00160 |
0,00160 |
0,00160 |
11,2041 |
12 |
0,04640 |
0,09280 |
0,09280 |
12,9675 |
||
Расчет концентрации ионов водорода и рН в растворах слабых кислот и оснований
Слабые электролиты диссоциируют не полностью, в их растворах кроме ионов присутствуют также и недиссоциированные молекулы, концентрации которых связаны константой диссоциации. Например, для слабой кислоты HA константа диссоциации может быть записана следующим образом:
С0–х х х
HA ↔ H+ + A–
Kc = |
C(H + ) C(A− ) |
, (моль/л) |
(16) |
C(HA) |
Если начальную концентрацию кислоты принять равной С0, а концентрацию продиссоциировавшей кислоты считать равной х, тогда в результате протекания реакции диссоциации в растворе останется (С0 – х) моль/л молекул кислоты и образуется х моль/л ионов водорода (С(Н+) = х) и х моль/л анионов кислоты (С(А–) = х). Эти концентрации для участников реакции называются равновесными. Для определения равновесных концентраций необходимо решить следующее квадратное уравнение:
K = |
C(H + ) C(A−) |
х х |
х2 |
(17) |
|||
C(HA) |
= С0 − х = С0 − х, |
||||||
х2 + К х−К С0 = 0 |
|||||||
х = − К + |
( К)2 + К С0 |
(18) |
|||||
2 |
2 |
||||||
Степень диссоциации НА (α) равна: |
|||||||
α = |
Сдисс.к − ты |
100 = |
х |
100 |
(19) |
||
С0 |
С0 |
||||||
19
Если степень диссоциации слабой кислоты мала (меньше 0,1 %), то х<<С0 и в знаменателе уравнения (17) можно пренебречь величиной х:
х = К С0 |
(20) |
В случае, когда в растворе находится слабое основание, например гидроксид аммония NH4OH, в растворе в равновесии будут находиться его молекулы (C0 – х), гидроксид-ионы ОН– (х) и ионы аммония NH4+ (х). Диссоциацию этого вещества в водном растворе и соответствующую константу диссоциации можно представить следующим образом:
С0–х |
х |
х |
|||
NH4OH ↔ NH4+ + OH– |
|||||
К = |
С(NH 4+ ) C(OH − ) |
= |
х2 |
||
C(NH 4OH ) |
С0 − х |
||||
Решая это уравнение, можно найти х, который в этом случае будет равен концентрации ионов ОН–. Поэтому сначала будет получена величина рОН, а затем рН.
Задача 6
Рассчитайте рН и степень диссоциации слабой одноосновной кислоты, если ее
константа диссоциации равна К, а концентрация раствора – С0 (моль/л) (таблица 11). Таблица 11 – Условие задачи 6
№ |
С, моль/л |
К |
№ |
С, моль/л |
К |
№ |
С, моль/л |
К |
1 |
0,040 |
2,00·10–5 |
21 |
0,080 |
1,00·10–4 |
41 |
0,120 |
1,80·10–4 |
2 |
0,042 |
2,40·10–5 |
22 |
0,082 |
1,04·10–4 |
42 |
0,122 |
1,84·10–4 |
3 |
0,044 |
2,80·10–5 |
23 |
0,084 |
1,08·10–4 |
43 |
0,124 |
1,88·10–4 |
4 |
0,046 |
3,20·10–5 |
24 |
0,086 |
1,12·10–4 |
44 |
0,126 |
1,92·10–4 |
5 |
0,048 |
3,60·10–5 |
25 |
0,088 |
1,16·10–4 |
45 |
0,128 |
1,96·10–4 |
6 |
0,050 |
4,00·10–5 |
26 |
0,090 |
1,20·10–4 |
46 |
0,130 |
2,00·10–4 |
7 |
0,052 |
4,40·10–5 |
27 |
0,092 |
1,24·10–4 |
47 |
0,132 |
2,04·10–4 |
8 |
0,054 |
4,80·10–5 |
28 |
0,094 |
1,28·10–4 |
48 |
0,134 |
2,08·10–4 |
9 |
0,056 |
5,20·10–5 |
29 |
0,096 |
1,32·10–4 |
49 |
0,136 |
2,12·10–4 |
10 |
0,058 |
5,60·10–5 |
30 |
0,098 |
1,36·10–4 |
50 |
0,138 |
2,16·10–4 |
11 |
0,060 |
6,00·10–5 |
31 |
0,100 |
1,40·10–4 |
51 |
0,140 |
2,20·10–4 |
12 |
0,062 |
6,40·10–5 |
32 |
0,102 |
1,44·10–4 |
52 |
0,142 |
2,24·10–4 |
13 |
0,064 |
6,80·10–5 |
33 |
0,104 |
1,48·10–4 |
53 |
0,144 |
2,28·10–4 |
14 |
0,066 |
7,20·10–5 |
34 |
0,106 |
1,52·10–4 |
54 |
0,146 |
2,32·10–4 |
15 |
0,068 |
7,60·10–5 |
35 |
0,108 |
1,56·10–4 |
55 |
0,148 |
2,36·10–4 |
16 |
0,070 |
8,00·10–5 |
36 |
0,110 |
1,60·10–4 |
56 |
0,150 |
2,40·10–4 |
17 |
0,072 |
8,40·10–5 |
37 |
0,112 |
1,64·10–4 |
57 |
0,152 |
2,44·10–4 |
18 |
0,074 |
8,80·10–5 |
38 |
0,114 |
1,68·10–4 |
58 |
0,154 |
2,48·10–4 |
19 |
0,076 |
9,20·10–5 |
39 |
0,116 |
1,72·10–4 |
59 |
0,156 |
2,52·10–4 |
20 |
0,078 |
9,60·10–5 |
40 |
0,118 |
1,76·10–4 |
60 |
0,158 |
2,56·10–4 |
20