книги / Химия водных растворов, природных и сточных вод

Решение

Определим молярность раствора сильного электролита – гидроксида калия по формуле (2.4):

Первый вариант: рассчитаем рН раствора с учетом активности ионов.

Определим ионную силу раствора по формуле (2.20):

I 12 C1z12 C2 z22 10 3.

Определим коэффициент активности ионов в растворе по формуле (2.21):

Определим рОН раствора:

рОН 3,017.

Определим рН раствора:

pH = 14 – pOH = 10,98.

Второй вариант: рассчитаем рН раствора без учета активности ионов.

Определим рОН раствора. Концентрация щелочи как сильного электролита равна концентрации гидроксид ионов:

рОН 3 .

Определим рН раствора:

pH = 14 – pOH = 11.

41

Как видно из представленных расчетных данных, влияние активности ионов на величину рН незначительно, поэтому в дальнейших расчетах будем считать, что а ≈ с.

Пример 2.9

Определите рН 0,01 М раствора угольной кислоты, считая, что процесс диссоциации протекает по первой стадии.

Решение

1. Определим степень диссоциации угольной кислоты. Константа диссоциации по первой стадии 4,4·10–7.

αКдис 4,4·10 7 6,65 10 3.

С10 2

2.Определим концентрацию ионов H+ в растворе:

Н Ск 6,65 10 3 10 2 6,65 10 5 моль/л.

3. Определим рН раствора:

рН lg Н 5 lg6,65 4,18.

2.5.3. Физико-химические свойства растворов электролитов

Физико-химические, термодинамические и коллигативные свойства растворов электролитов значительно отличаются от свойств растворов неэлектролитов той же концентрации, что можно объяснить увеличением количества числа частиц в растворе электролита по сравнению с раствором неэлектролита.

Для возможности использования для растворов электролитов закономерностей, полученных для растворов неэлектролитов, вводится понятие об изотоническом коэффициенте i, который показывает, во сколько раз число частиц в растворе электролита больше по сравнению с раствором неэлектролита той же концентрации.

Изотонический коэффициент может быть определен экспериментально по изменению свойства раствора электролита, например осмотического давления, температуры замерзания, по сравнению сэтим жесвойствомдлярастворанеэлектролитатойжеконцентрации:

42

Используя понятие об изотоническом коэффициенте, можно определять основные физико-химические свойства растворов электролитов по следующим соотношениям:

Связь изотонического коэффициента со степенью диссоциации электролита

Пусть в воде растворено b молекул электролита, например уксусной кислоты, степень диссоциации раствора составляет α, каждая молекула распадается на n ионов (частиц), тогда число частиц при диссоциации составляет n·b·α, число непродиссоциированных час-

тиц b(1 – α).

Определим изотонический коэффициент как соотношение числа частиц в растворе электролита к числу частиц молекул электролита:

Экспериментально найденное значение изотонического коэффициента используют для вычисления степени диссоциации электролита в растворе. При этом следует иметь в виду, что в случае сильных электролитов найденное таким способом значение α выражает лишь «кажущуюся» степень диссоциации.

43

Пример 2.10

Температура кипения 3,2%-ного раствора BaCl2 равна 100,208 °С. Вычислитекажущуюсястепеньдиссоциациисоливрастворе.

Решение

Масса соли в 1 кг 3,2%-ного раствора составляет 32 г, а воды –

968 г.

Определим повышение температуры кипения без учета диссоциации соли:

Экспериментальное значение повышения температуры кипения составляет 0,208 °С.

Определим изотонический коэффициент:

i Tкип. эксп 0,208 2,53.Tкип.теор 0,082

Определим кажущуюся степень диссоциации электролита:

Вопросы для самоконтроля

1.Какие факторы влияют на степень диссоциации растворов электролитов?

2.Чем отличаются физико-химические свойства растворов электролитов от растворов неэлектролитов? Что понимают под изотоническим коэффициентом?

3.Какова связь изотонического коэффициента со степенью

диссоциации раствора электролита?

4.Особенности растворов сильных электролитов. Ионная сила раствора.

5.Что понимают под величиной рН раствора?

6.Назовите кислотно-основные индикаторы. Как изменяется их окраска в зависимости от рН среды?

44

Многовариантные индивидуальные задания

1. Определите рН раствора электролита. Считайте, что процесс диссоциации слабых электролитов протекает по первой стадии.

Константы диссоциации слабых электролитов представлены в Приложении 1.

2.Определите концентрацию раствора электролита, выраженную в моль/л и г/л. Считайте, что процесс диссоциации слабых электролитов протекает по первой стадии (константы диссоциации слабых электролитов представлены в Приложении 1).

3.Физико-химические свойства растворов электролитов.

4.Определите осмотическое давление раствора, содержащего 20 мг/л ионов кальция, 24 мг/л ионов магния и 46 мг/л ионов натрия

и142 мг/л хлорид-ионов. Изотонический коэффициент принять рав-

ным 1,5.

45

с концентрацией 0,5 моль/дм3 составляет 1,8. Вычислите осмотическое давление раствора при температуре 15 °С.

6.Определите температуру замерзания раствора хлорида натрия, содержащего 58 г хлорида натрия в 500 г воды. Изотонический коэффициент принять равным 1,8.

7.Кажущаяся степень диссоциации раствора хлорида магния, содержащего 47,5 г хлорида магния в 250 г воды, равна 75 %. Определите температуру замерзания раствора.

8.Кажущаяся степень диссоциации раствора хлорида кальция, содержащего 220 мг хлорида кальция в 200 г воды, равна 80 %. Определите осмотическое давление раствора в стандартных условиях.

9.Определите активность ионов цинка в 0,005 М растворе хлорида цинка.

10.Кажущаяся степень диссоциации гидроксида натрия в растворе, содержащем 4,0 г NaOH в 200 г воды, равна 0,88. Определите температуру кипения раствора.

11.Определите кажущуюся степень диссоциации раствора хлорида натрия, содержащего 29 г NaCl в 200 мл воды, если он замерзает при температуре – 8,5 °С.

46

12.Определите кажущуюся степень диссоциации раствора

хлорида магния, содержащего 46,5 г MgCl2 в 200 мл воды, если он замерзает при температуре – 12 °С.

13.Кажущаяся степень диссоциации сульфата натрия в растворе, содержащем 0,1 моль сульфата натрия в 500 г воды, составляет 75 %. Найдите температуру замерзания раствора.

2.6. Буферные растворы

Буферными растворами называются растворы, сохраняющие неизменными значения рН при разбавлении или добавлении небольшого количества сильной кислоты или основания.

Различают буферные растворы двух типов:

1.кислотные буферные растворы, содержащие слабую кислоту и ее соли, например уксусную кислоту и ацетат натрия;

2.основные буферные растворы, состоящие из слабого основания и его соли, например гидроксида аммония и хлорида аммония.

Рассмотрим механизм действия буферных растворов на примере ацетатного буферного раствора, содержащего уксусную кисло-

ту и ацетат натрия (СН3СООН и СН3СООNa). Диссоциация электролитов описывается уравнениями

CH3COOH CH3COO H

CH3COONa CH3COO Na

При добавлении сильной кислоты, например соляной, в раствор ионы водорода связываются в слабую кислоту:

H CH3COO CH3COOH

При добавлении щелочи в раствор гидроксид-ион взаимодействует с ионами водорода с образованием молекул воды:

H OH H2O

Образование слабых электролитов при добавлении в буферный раствор кислоты или щелочи обусловливает устойчивость значения pH.

47

Определим формулу для расчета рН буферного раствора. Запишем выражение для константы диссоциации кислоты

и определим отношение НКд :

Так как соль полностью диссоциирована, то можно считать, что концентрация ацетат-иона равна концентрации соли. Доля диссоциированной кислоты мала, поэтому можно принять, что концентрация недиссоциированной кислоты примерно равна исходной

концентрации кислоты, т.е. Скислота. Преобразуем соотношение (2.36) к виду

Таким образом, значение рН буферного раствора зависит от константы диссоциации слабой кислоты и ее концентрации, а также от концентрации соли.

При добавлении к буферному раствору кислоты объемом Vк иконцентрациейСк рНрассчитываетсяпоследующему соотношению:

48

При добавлении к буферному раствору щелочи объемом Vщ и концентрацией Сщ рН определяется по формуле

Подобным образом можно определить рН или рОН основного буферного раствора, образованного слабым основанием и его солью:

При разбавлении буферного раствора рН также не меняется, так как константа диссоциации и соотношение компонентов при этом остаются неизменными.

Количество кислоты или основания, которые способны изменить рН буферного раствора на единицу, называется буферной ем-

костью.

Природные воды представляют собой буферные растворы. Наличие в природных водах буферных систем – одно из важнейших условий существования жизни. Если бы буферных систем не было, продукты жизнедеятельности организмов легко превратили бы все природные воды в разбавленные кислоты.

Задания для самостоятельной работы

1.Определите, какое количество (ммоль и мг) уксусной кислоты необходимо добавить в 0,1 М раствор ацетата натрия, чтобы рН буферного раствора составляла 5 ед. рН.

2.Рассчитайте рН буферного раствора, содержащего 500 мл раствора ацетата натрия и 500 мл уксусной кислоты с концентрациями 0,1 моль/л.

49

3.Определите, какое количество (ммоль и мг) аммиака необходимо добавить в 1 М раствор хлорида аммония, чтобы рН буферного раствора составляла 9,5 ед. рН.

4.Рассчитайте рН буферного раствора, содержащего хлорид аммония и аммиак с одинаковыми концентрациями – 0,1 моль/л.

5.Как изменится рН буферного уксусно-ацетатного буферного раствора с концентрацией 0,2 М, если к раствору добавить 5 мл концентрированной уксусной кислоты?

50