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, 47/2003;
1, 2, 3/2004

§ 7.2. Слабые кислоты и основания

Если вы будете заниматься исследовательской работой, вам понадобится знание среды раствора и его рН. Сейчас вы познакомитесь с растворами слабых электролитов, узнаете, как рассчитать рН раствора, зная концентрацию соли и константу равновесия диссоциации слабого электролита.

Расчет концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов в растворах слабых кислот и слабых оснований несколько сложнее, чем расчет для сильных кислот и оснований (щелочей), и проводится с использованием констант их диссоциации.
Уксусная кислота – слабый электролит и в очень незначительной степени диссоциирует по уравнению:

СН₃СООН = СН₃СОО^– + Н⁺.

Константа диссоциации (равновесия) К уксусной кислоты:

К_кисл = [СН₃СОО^–] [Н⁺]/[СН₃СООН].

Учитывая, что в растворе уксусной кислоты концентрации ионов водорода и ацетат-ионов равны, т.е. [СН₃СОО^–] = [Н⁺], а сама она – слабый электролит и поэтому в состоянии диссоциации находится лишь малая часть ее молекул, концентрацию непродиссоциировавших молекул СН₃СООН можно считать равной концентрации кислоты с_кисл. Тогда получаем:

К_кисл = [Н⁺]²/с_кисл,

откуда

Пример. Константа диссоциации уксусной кислоты (данные справочника) равна:
К_кисл = 1,86•10^–5. Требуется рассчитать концентрацию ионов водорода и рН в 0,1М и 0,01М растворах уксусной кислоты.
Для 0,1М раствора имеем:

рН = –lg (1,36•10^–3) = 2,87.

Посмотрим, как скажется на концентрации ионов водорода и рН раствора разбавление в 10 раз.
Для 0,01М раствора имеем:

рН = –lg (4,31•10^–4) = 3,37.

Разбавление уксусной кислоты в 10 раз привело к понижению концентрации ионов водорода в 1,36•10^–3/4,31•10^–4 = 3,1 раза, при этом рН повысился на 3,37 – 2,87 = 0,5 единицы рН.
Вспомните, как изменится концентрация ионов водорода и рН при разбавлении в 10 раз 0,1М раствора соляной кислоты.
Аналогично определяют концентрацию ионов водорода и рН раствора гидроксида аммония:

NH₄OH = + OH^–,

константа диссоциации которого равна К_осн = 1,79•10^–5. Сначала рассчитывают концентрацию гидроксид-ионов:

и рОН. затем – концентрацию ионов водорода:

[Н⁺] = К_в/[ОН^–] = 10^–14/[ОН^–]

и определяют рН = 14 – рОН. В 0,01М растворе гидроксида аммония рН = 10,6. Проверьте.

Если в растворе сильной кислоты или сильного основания увеличить концентрацию одноименного иона введением соответствующей соли, например в раствор НСl или NаОН добавить хлорид натрия NаCl, то концентрации ионов водорода или гидроксид-ионов практически не изменяются. Если же такую операцию, т. е. увеличение концентрации одноименного иона, провести с раствором слабой кислоты или слабого основания, то наблюдается резкое изменение рН раствора.
Рассмотрим, как изменится рН раствора уксусной кислоты при введении в раствор ацетата натрия NаСН₃СОО, т. е. одноименного ацетат-иона СН₃СОО^–.
Согласно принципу Ле Шателье равновесие реакции диссоциации

сместится влево в результате увеличения концентрации ацетат-ионов СН₃СОО^–, образующихся при полной диссоциации ацетата натрия как сильного электролита. Такое смещение равновесия диссоциации уксусной кислоты означает уменьшение концентрации ионов водорода, т. е. увеличение рН раствора.

Пример. Рассчитать рН 0,01М раствора уксусной кислоты, содержащей 0,01 моль/л ацетата натрия NаСН₃СОО.
В выражении константы равновесия

К_кисл = [СН₃СОО^–][Н⁺]/[СН₃СООН] = 1,86•10^–5

концентрация ацетат-ионов определяется в основном концентрацией хорошо диссоциирующей соли NаСН₃СОО. Поэтому можно записать:

Из этого соотношения находим концентрацию ионов водорода:

Откуда рН = 4,73.

Таким образом, в результате введения в 1 л 0,01М раствора уксусной кислоты 0,01 моль
NаСН₃СОО концентрация ионов водорода уменьшилась в 23 раза (4,31•10^–4/1,86•10^–5 = 23), а значение рН возросло на 1,36 (4,73 – 3,37 = 1,36) единицы (значение рН = 3,37 из предыдущего примера).
Аналогично при введении в раствор слабого основания NН₄ОН хлорида аммония NH₄Cl положение равновесия диссоциации гидроксида аммония смещается в менее основную область и среда раствора становится более кислотной:

Следовательно, одноименный ион (за исключением иона водорода и гидроксид-иона), введенный в раствор слабой кислоты или слабого основания, изменяет рН таким образом, что среда раствора приближается к нейтральной. Одноименные ионы в такого типа системах ведут себя как нейтрализующие агенты: анион нейтрализует слабую кислоту, выполняя роль основания, а катион нейтрализует слабое основание, выполняя роль кислоты. Такое необычное, с нашей точки зрения, поведение веществ характерно для многих явлений природы, показывая нам всеобщую связь и взаимозависимость объектов окружающего нас мира и нас самих от него.

О.С.ЗАЙЦЕВ