УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46/2003

Глава 7.
Среда водных растворов электролитов

Вы смотрите каждый день телевизор. Вы запомнили значение рН лица красивой женщины в телевизионной рекламе парфюмерии? Конечно, ответите вы, «пэ-аш» равно 5,6. А что такое рН? Какого рода – мужского, женского или среднего? Как правильно сказать: «Равно, равен или равна?»
На вашем участке не растут некоторые цветы или овощи. Вы позвали специалиста-почвоведа, он пришел к вам с маленьким приборчиком, вставил в землю какую-то трубку, посмотрел на шкалу прибора и сказал, что у почвы не такой рН, какой требуется таким-то растениям. Следует в почву внести доломитовую муку или известь.
Молоко на фермах и молокозаводах проверяют на рН. Если рН не соответствует норме, молоко быстро скисает.
Вы или ваши родители пришли к врачу с жалобами на боли в желудке. После не очень приятной процедуры исследования желудочного сока врач отмечает низкое значение рН и прописывает принимать лекарственные средства, изменяющие рН.
Что же такое рН? Вы узнаете ответ в этом разделе.

§ 7.1. Сильные кислоты и основания

В реакциях между сильными кислотами и основаниями (щелочами), проходящими в водных растворах, всегда выделяется одно и то же количество теплоты в расчете на 1 моль образующейся воды, а именно 58 кДж/моль:

HCl + NaOH = H₂O + NaCl, Н = –58 кДж/моль,

HCl + КOH = H₂O + КCl, Н = –58 кДж/моль,

HNO₃ + NaOH = H₂O + NaNO₃, Н = –58 кДж/моль,

HNO₃ + KOH = H₂O + KNO₃, Н= –58 кДж/моль.

Вспомните, что численное значение теплоты нейтрализации, равное 58 кДж/моль, вы получили, выполняя эксперимент по определению тепловых эффектов химических реакций!
Все уравнения записаны молекульным (молекулярным) способом: формулы исходных веществ и продуктов реакции представлены для молекул, даже если такие молекулы и не существуют в водном растворе.
Во всех приведенных реакциях образуется одно общее вещество – вода. Поэтому можно предположить, что тепловой эффект таких реакций в растворе обусловлен образованием воды из ионов водорода (протонов) и гидроксид-ионов, находящихся в растворах всех этих реагирующих веществ в одинаковом состоянии. Этот факт очень важен для доказательства ионного поведения кислот, оснований и солей в водных растворах.
Все перечисленные реакции – это реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Равенство тепловых эффектов этих реакций доказывает, что кислоты, основания и образующиеся соли находятся в ионном состоянии. С учетом этого уравнение каждой реакции можно записать молекульно-ионным или молекулярно-ионным способом, в котором сильные электролиты представляют в виде ионов, а слабые – в виде молекул. Например:

H⁺ + Cl^– + Na⁺ + OH^– = H₂O + Na⁺ + Сl^–, Н = –58 кДж/моль.

Очевидно, одни и те же ионы, входящие в правую и левую части уравнения реакции, можно не записывать. Тогда все приведенные выше четыре уравнения реакции могут быть выражены одним уравнением:

H⁺ + OH^– = Н₂О, Н = –58 кДж/моль.

Такой способ написания уравнений реакций носит название сокращенного молекульно-ионного или молекулярно-ионного.

Заметим, что запись формул сильных электролитов в виде формул молекул принципиально неправильна, т. к. в водном растворе нет таких веществ, как HCl, HNO₃, NaOH, KOH, NaCl, KCl, NaNO₃, KNO₃, а есть только ионы этих веществ. В молекульном виде уравнение может быть записано, если реакция проходит в газообразном состоянии, между кристаллами или в неводном растворе, в котором вещества не диссоциируют на ионы.

Уравнения реакций в виде формул молекул записывают для неэлектролитов, слабых элетролитов, газообразных и малорастворимых в воде веществ.
Далее в качестве примеров приведены уравнения реакций нейтрализации с участием слабых электролитов:

1) CH₃COOH + NaOH = CH₃COONa + H₂O (неверная запись для водного раствора!),

CH₃COOН + OH^– = CH₃COO^– + H₂O (записывать только так!);

2) NH₄OH + HCl = NH₄Cl + H₂O (неверная запись для водного раствора!),

NH₄OH + H⁺ = + H₂O (записывать только так!);

3) CH₃COOH + NH₄OH = NH₄CH₃COO + H₂O (неверная запись для водного раствора!),

CH₃COOH + NH₄OH = + CH₃COO^– + H₂O (записывать только так!).

Однако, если вас попросят ответить на вопрос, какие вещества останутся в чашке после выпаривания раствора, вы можете уверенно написать формулы солей, содержащих в своем составе ионы.

Уравнение нейтрализации

Н⁺ + ОН^– = Н₂О, Н = –58 кДж/моль,

записанное в обратном направлении:

Н₂О = Н⁺ + ОН^–, Н = 58 кДж/моль,

есть уравнение диссоциации воды как слабого электролита.
В воде и водных растворах концентрации ионов Н⁺ и ОН^– взаимосвязаны константой диссоциации воды:

Н₂О = Н⁺ + ОН^–,

К = [Н⁺][ОН^–]/[Н₂О] = 1,8•10^–16 (при 22 °С).

Мольная концентрация воды из-за ее крайне незначительной диссоциации остается постоянной, поэтому она равна [Н₂О] = 1000/18 = 55,56 моль/л. Объединим константу равновесия диссоциации воды с постоянным значением ее концентрации:

К•[Н₂О] = 1,8•10^–16•55,56 = 1•10^–14.

Полученная величина называется ионным произведением воды К_в:

К_в = [Н⁺][ОН^–] = 1•10^–14.

Это произведение согласно закону действующих масс, являясь константой равновесия, не зависит от концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов и постоянно при данной температуре.
В чистой воде или нейтральном (не кислотном, не щелочном) растворе концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов равны:

[Н⁺] = [ОН^–],

поэтому

К_в = [Н⁺][ОН^–] = [Н⁺]² = 1•10^–14.

В чистой воде или нейтральном водном растворе концентрация ионов водорода равна

а концентрация гидроксид-ионов равна:

Если в чистую воду добавить ионы водорода (прилить кислоту), то получится кислотный раствор, в котором концентрация ионов водорода будет больше 1•10^–7 моль/л:

[Н⁺] > 1•10^–7 моль/л.

Если в чистую воду добавить гидроксид-ионы (прилить щелочи), то получится основный (щелочной) раствор, в котором концентрация ионов водорода будет меньше 1•10^–7 моль/л:

[Н⁺] < 1•10^–7 моль/л.

В кислотных растворах содержание гидроксид-ионов:

[ОН^––] < 1•10^–7 моль/л,

а в основных растворах:

[ОН^–] > 1•10^–7 моль/л.

Пользоваться такими значениями концентраций, выраженными в виде числа 10 в отрицательной степени, очень неудобно, и было предложено применять отрицательные десятичные логарифмы концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов и обозначать их соответственно рН и рОН:

рН = –lg [Н⁺],

pOH = –lg [ОН^–].

Величина рН называется водородным показателем.
Прологарифмировав выражение

[Н⁺][ОН^–] = 1•10^–14 ,

получим

lg [Н⁺] + lg [ОН^–] = –14.

Для водных растворов выполняется соотношение:

рН + рОН = 14.

Для нейтральных растворов рН = 7, для кислотных растворов рН < 7, для основных (щелочных) растворов рН > 7.
Изменение рН на единицу соответствует изменению концентрации водородных ионов в 10 раз.
Принято считать сильнокислотными растворами те растворы, рН которых равен 1–2, слабокислотными – 4–5, нейтральными – около 7, слабощелочными – 9–10 и сильнощелочными – 12–13.
Рассмотрим некоторые типичные примеры расчетов рН и концентраций ионов водорода в растворах кислот и оснований.

Вычисления желательно проводить на простейшем электронном калькуляторе для инженерных расчетов.

Пример 1. Чему равен рН 0,01М раствора хлороводородной (соляной) кислоты?

Решение

Чтобы дать правильный ответ, следует написать уравнение диссоциации. Хлороводородная кислота – сильная кислота, поэтому из 0,01 моль НCl в водном растворе образуется по 0,01 моль ионов водорода и хлорид-ионов:

Концентрация ионов водорода будет равна концентрации сильной одноосновной кислоты:
с(Н⁺) = 0,01 моль/л. Откуда

рН = –lg 0,01 = –lg 10^–2 = –(–2) = 2.

Пример 2. Рассчитайте рН 0,001М раствора гидроксида натрия.

Решение

Гидроксид натрия в водном растворе – сильный электролит, поэтому

Концентрация гидроксид-ионов будет равна концентрации сильного однокислотного основания:
с(ОН^–) = 0,001 моль/л. Откуда

рОН = –lg 0,001 = –lg 10^–3 = –(–3) = 3,

рН = 14 – рОН = 14 – 3 = 11.

Пример 3. Предполагая, что диссоциация серной кислоты как сильного электролита проходит по первой ступени, рассчитайте рН раствора кислоты концентрации 0,123 моль/л.

Решение

Откуда

рН = –lg 0,123 = –lg (1,23•10^–1) = –lg 1,23 +(–lg 10^–1) =
–0,0899 + [–(–1)] = –0,0899 + 1 = 0,91.

Пример 4. Раствор соляной кислоты имеет рН = 3. Рассчитайте концентрацию ионов водорода в этом растворе.

Решение

–lg с(Н⁺) = 3. Следовательно, с(Н⁺) = 10^–3 = 0,001 моль/л.

Пример 5. Раствор соляной кислоты имеет рН = 3,21. Рассчитайте концентрацию ионов в этом растворе и концентрацию кислоты.

Решение

–lg с(Н⁺) = 3,21, значит, с(Н⁺) = 10^–3,21 = 0,00062 моль/л.

Концентрация сильной соляной кислоты равна концентрации ионов водорода.
Заметьте, мы условно говорим о концентрации соляной кислоты НСl, ведь в растворе нет молекул НСl, а только ионы водорода и хлорид-ионы.

Пример 6. Раствор гидроксида натрия имеет рН = 12,4. Рассчитайте концентрацию гидроксид-ионов, ионов водорода и концентрацию гидроксида натрия в этом растворе.

Решение

–lg с(Н⁺) = 12,4.

с(Н⁺) = 10^–12,4 = 10^–13•10^0,6 = 3,98•10^–13 моль/л.

Далее, рОН = 14 – рН = 14 – 12,4 = 1,6.

Следовательно, с(ОН^–) = 10^–1,6 = 0,025 моль/л. Концентрация сильного электролита гидроксида натрия равна концентрации гидроксид-ионов.
Заметьте, мы условно говорим о концентрации гидроксида натрия, ведь в растворе нет молекул этого вещества, а только ионы натрия и гидроксид-ионы.

О.С.ЗАЙЦЕВ