Dysocjacja prądu i napięcia wody. Dysocjacja wody

Czysta woda, choć słaba (w porównaniu z roztworami elektrolitów), może przewodzić prąd. Wynika to ze zdolności cząsteczki wody do rozpadu (dysocjacji) na dwa jony, które w czystej wodzie są przewodnikami prądu elektrycznego (dysocjacja poniżej oznacza dysocjację elektrolityczną - rozpad na jony):

Indeks wodorowy (pH) to wartość charakteryzująca aktywność lub stężenie jonów wodorowych w roztworach. Indeks wodoru oznaczany jest przez pH. Wskaźnik wodorowy jest liczbowo równy ujemnemu logarytmowi dziesiętnemu aktywności lub stężenia jonów wodorowych, wyrażonemu w molach na litr: pH=-lg[ H+ ] Jeżeli [ H+ ]>10-7 mol/l, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7mol/l - środowisko alkaliczne; pH>7. Hydroliza solna- jest to chemiczne oddziaływanie jonów soli z jonami wody, prowadzące do powstania słabego elektrolitu. jeden). Hydroliza nie jest możliwa Sól utworzona przez mocną zasadę i mocny kwas ( KBr, NaCl, NaNO3), nie ulegnie hydrolizie, ponieważ w tym przypadku nie powstaje słaby elektrolit, pH takich roztworów = 7. Odczyn środowiska pozostaje obojętny. 2). Hydroliza na kationie (tylko kation reaguje z wodą). W soli utworzonej przez słabą zasadę i mocny kwas

(FeCl2,NH4Cl, Al2(SO4)3,MgSO4)

kation ulega hydrolizie:

FeCl2 + HOH<=>Fe(OH)Cl + HCl Fe2+ + 2Cl- + H+ + OH-<=>FeOH+ + 2Cl- + Н+

W wyniku hydrolizy powstaje słaby elektrolit, jon H + i inne jony. pH roztworu< 7 (раствор приобретает кислую реакцию). 3). Гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион). Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой

(KClO, K2SiO3, Na2CO3,CH3COONa)

ulega hydrolizie przez anion, w wyniku czego powstaje słaby elektrolit, jon wodorotlenkowy OH- i inne jony.

K2SiO3 + HOH<=>KHSiO3 + KOH 2K+ +SiO32- + H+ + OH-<=>HSiO3- + 2K+ + OH-

pH takich roztworów wynosi > 7 (roztwór ulega odczynowi alkalicznemu).4). Hydroliza stawów (zarówno kation, jak i anion reagują z wodą). Sól powstała ze słabej zasady i słabego kwasu

(CO 3 COONH 4, (NH4) 2CO 3, Al2S3),

hydrolizuje zarówno kation, jak i anion. W rezultacie powstaje słabo dysocjująca zasada i kwas. pH roztworów takich soli zależy od względnej mocy kwasu i zasady. Miarą mocy kwasu i zasady jest stała dysocjacji odpowiedniego odczynnika. Odczyn środowiska tych roztworów może być obojętny, lekko kwaśny lub lekko zasadowy:

Al2S3 + 6H2O =>2Al(OH)3v+ 3H2S^

Hydroliza jest procesem odwracalnym. Hydroliza przebiega nieodwracalnie, jeśli w wyniku reakcji powstaje nierozpuszczalna zasada i (lub) lotny kwas

Czysta woda bardzo słabo przewodzi prąd, ale nadal ma mierzalną przewodność elektryczną, co tłumaczy się niewielką dysocjacją wody na jony wodorowe i jony wodorotlenkowe:

Przewodność elektryczną czystej wody można wykorzystać do obliczenia stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych w wodzie. Kiedy jest równy mol / l.

Napiszmy wyrażenie na stałą dysocjacji wody:

Zapiszmy to równanie w następujący sposób:

Ponieważ stopień dysocjacji wody jest bardzo mały, stężenie niezdysocjowanych cząsteczek w wodzie jest praktycznie równe całkowitemu stężeniu wody, tj. 55,55 mol/l (1 litr zawiera 1000 g wody, tj. mol). W rozcieńczonych roztworach wodnych stężenie zody można uznać za takie samo. Dlatego zastępując iloczyn w ostatnim równaniu nową stałą otrzymamy:

Otrzymane równanie pokazuje, że dla wody i rozcieńczonych roztworów wodnych o stałej temperaturze iloczyn koncentratu jonów wodorowych i wodorotlenowych ma stałą wartość.Ta stała wartość jest nazywana iloczynem jonowym wody. Jego wartość liczbową można łatwo uzyskać, podstawiając do ostatniego równania stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych. W czystej wodzie o stężeniu mol/l. Czyli dla określonej temperatury:

Roztwory, w których stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych są takie same, nazywane są roztworami obojętnymi. W , jak już wspomniano, w roztworach obojętnych stężenie zarówno jonów wodorowych, jak i wodorotlenowych jest równe mol/l. W roztworach kwaśnych stężenie jonów wodorowych jest wyższe, w roztworach zasadowych stężenie jonów wodorotlenowych. Ale niezależnie od reakcji roztworu iloczyn stężeń jonów wodorowych i wodorotlenowych pozostaje stały.

Jeśli np. do czystej wody doda się tyle kwasu, że stężenie jonów wodorowych wzrośnie do mol/l, to stężenie jonów wodorotlenowych zmniejszy się tak, że produkt pozostanie równy. Dlatego w tym rozwiązaniu stężenie jonów wodorotlenowych będzie wynosić:

Wręcz przeciwnie, jeśli do wody dodamy alkalia i tym samym zwiększymy stężenie jonów wodorotlenowych np. do mol/l, to stężenie jonów wodorowych będzie wynosić:

Przykłady te pokazują, że jeśli znane jest stężenie jonów wodorowych w roztworze wodnym, to oznacza się również stężenie jonów wodorotlenowych. Dlatego zarówno stopień kwasowości, jak i stopień zasadowości roztworu można ilościowo scharakteryzować stężeniem jonów wodorowych:

Kwasowość lub zasadowość roztworu można wyrazić w inny, wygodniejszy sposób: zamiast stężenia jonów wodorowych wskazany jest jego logarytm dziesiętny, wzięty z przeciwnym znakiem. Ta ostatnia wartość nazywana jest indeksem wodorowym i oznaczana jest przez:

Na przykład, jeśli mol/l, to ; jeśli mol / l, to itd. Z tego wynika, że w obojętnym roztworze ( mol / l) . W roztworach kwaśnych i im mniej, tym bardziej kwaśny jest roztwór. Wręcz przeciwnie, w roztworach alkalicznych, a im więcej, tym większa alkaliczność roztworu.

Podręcznik przeznaczony jest dla studentów kierunków niechemicznych uczelni wyższych. Może służyć jako podręcznik dla osób samodzielnie uczących się podstaw chemii oraz dla uczniów techników chemicznych i liceów.

Legendarny podręcznik, przetłumaczony na wiele języków Europy, Azji, Afryki i wydany w łącznym nakładzie ponad 5 milionów egzemplarzy.

Podczas tworzenia pliku użyto strony http://alnam.ru/book_chem.php

Książka:

<<< Назад

Naprzód >>>

Czysta woda bardzo słabo przewodzi prąd, ale nadal ma mierzalną przewodność elektryczną, co tłumaczy się niewielką dysocjacją wody na jony wodorowe i jony wodorotlenkowe:

Przewodność elektryczną czystej wody można wykorzystać do obliczenia stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych w wodzie. W temperaturze 25°C wynosi 10 -7 mol/l.

Napiszmy wyrażenie na stałą dysocjacji wody:

Zapiszmy to równanie w następujący sposób:

Ponieważ stopień dysocjacji wody jest bardzo mały, stężenie niezdysocjowanych cząsteczek H 2 O w wodzie jest praktycznie równe całkowitemu stężeniu wody, tj. 55,55 mol/l (1 litr zawiera 1000 g wody, tj. 1000: 18,02 = 55,55 mola). W rozcieńczonych roztworach wodnych stężenie wody można uznać za takie samo. Dlatego zastępując iloczyn w ostatnim równaniu nową stałą K H 2 O, będziemy mieli:

Otrzymane równanie pokazuje, że dla wody i rozcieńczonych roztworów wodnych o stałej temperaturze iloczyn koncentratu jonów wodorowych i wodorotlenowych ma stałą wartość.Ta stała wartość jest nazywana iloczynem jonowym wody. Jego wartość liczbową można łatwo uzyskać, podstawiając do ostatniego równania stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych. W czystej wodzie o temperaturze 25°C ==1,10 -7 mol/l. Czyli dla określonej temperatury:

Roztwory, w których stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych są takie same, nazywane są roztworami obojętnymi. W temperaturze 25°C, jak już wspomniano, w roztworach obojętnych stężenie zarówno jonów wodorowych, jak i wodorotlenowych wynosi 10 -7 mol/l. W roztworach kwaśnych stężenie jonów wodorowych jest wyższe, w roztworach zasadowych stężenie jonów wodorotlenowych. Ale niezależnie od reakcji roztworu iloczyn stężeń jonów wodorowych i wodorotlenowych pozostaje stały.

Jeśli np. do czystej wody doda się wystarczającą ilość kwasu, aby stężenie jonów wodorowych wzrosło do 10 -3 mol/l, to stężenie jonów wodorotlenowych zmniejszy się tak, że produkt pozostanie równy 10 -14. Dlatego w tym rozwiązaniu stężenie jonów wodorotlenowych będzie wynosić:

10 -14 /10 -3 \u003d 10 -11 mol / l

Wręcz przeciwnie, jeśli do wody dodasz alkalia i tym samym zwiększysz stężenie jonów wodorotlenowych np. do 10 -5 mol/l, to stężenie jonów wodorowych będzie wynosić:

10 -14 /10 -5 \u003d 10 -9 mol / l

Na przykład, jeśli =10-5 mol/l, to pH=5; jeśli \u003d 10 -9 mol / l, to pH \u003d 9 itd. Z tego widać, że w neutralnym roztworze (= 10 -7 mol / l) pH \u003d 7. W kwaśnych roztworach pH<7 и тем меньше, чем кислее раствор. Наоборот, в щелочных растворах pH>7 i więcej, tym większa alkaliczność roztworu.

Istnieją różne metody pomiaru pH. W przybliżeniu reakcję roztworu można określić za pomocą specjalnych odczynników zwanych wskaźnikami, których kolor zmienia się w zależności od stężenia jonów wodorowych. Najczęstsze wskaźniki to oranż metylowy, czerwień metylowa, fenoloftaleina. W tabeli. 17 podana jest charakterystyka niektórych wskaźników.

W wielu procesach wartość pH odgrywa ważną rolę. Tak więc pH krwi ludzi i zwierząt ma ściśle stałą wartość. Rośliny mogą rosnąć normalnie tylko wtedy, gdy wartości pH roztworu glebowego mieszczą się w pewnym zakresie charakterystycznym dla danego gatunku rośliny. Właściwości wód naturalnych, w szczególności ich korozyjność, w dużym stopniu zależą od ich pH.

Tabela 17. Kluczowe wskaźniki

<<< Назад

Naprzód >>>

Czysta woda, choć słaba (w porównaniu z roztworami elektrolitów), może przewodzić prąd. Wynika to ze zdolności cząsteczki wody do rozpadu (dysocjacji) na dwa jony, które są przewodnikami prądu elektrycznego w czystej wodzie (dysocjacja poniżej oznacza dysocjację elektrolityczną - rozpad na jony): H 2 O ↔ H + + OH -

Około 556 000 000 niezdysocjowanych cząsteczek wody dysocjuje tylko 1 cząsteczkę, ale jest to 60 000 000 000 zdysocjowanych cząsteczek w 1 mm3. Dysocjacja jest odwracalna, to znaczy jony H + i OH - mogą ponownie tworzyć cząsteczkę wody. W rezultacie zachodzi dynamiczna równowaga, w której liczba rozpadających się cząsteczek jest równa liczbie utworzonej z jonów H + i OH -. Innymi słowy, szybkości obu procesów będą równe. W naszym przypadku równanie szybkości reakcji chemicznej można zapisać w następujący sposób:

υ 1 = κ 1 (dla dysocjacji wody)

υ 2 \u003d κ 2 (dla procesu odwrotnego)

gdzie υ jest szybkością reakcji; κ - stała szybkości reakcji (w zależności od charakteru reagentów i temperatury); , oraz - stężenia (mol/l).

W stanie równowagi υ 1 = υ 2, zatem: κ 1 = κ 2

Ponieważ w określonej temperaturze ilości użyte do obliczenia iloczynu jonowego wody (K, ) są stałe, wartość iloczynu jonowego wody jest również stała. A ponieważ ta sama liczba jonów i powstaje podczas dysocjacji cząsteczki wody, okazuje się, że dla czystej wody stężenia i będą równe 10 -7 mol / l. Ze stałości produktu jonowego wody wynika, że jeśli liczba jonów H + wzrasta, to liczba jonów HO - zmniejsza się. Na przykład, jeśli do czystej wody zostanie dodany mocny kwas HCl, jako mocny elektrolit, wszystkie dysocjują na H + i Cl -, w wyniku czego stężenie jonów H + gwałtownie wzrośnie, a to doprowadzi do wzrost szybkości procesu przeciwnej dysocjacji, ponieważ zależy to od stężeń jonów H + i OH -: υ 2 = κ 2

Podczas przyspieszonego procesu przeciwnej dysocjacji stężenie jonów HO - zmniejszy się do wartości odpowiadającej nowej równowadze, przy której będzie ich tak mało, że szybkości dysocjacji wody i procesu odwrotnego znów będą równe . Jeżeli stężenie powstałego roztworu HCl wynosi 0,1 mol/l, stężenie równowagowe będzie wynosić: = 10 -14 / 0,1 = 10 -13 mol/l

Jonowy produkt wodý jest iloczynem stężeń jonów wodorowych H + i jonów hydroksylowych OH − w wodzie lub roztworach wodnych, stała autoprotolizy wody.

Woda, choć jest słabym elektrolitem, dysocjuje w niewielkim stopniu:

Równowaga tej reakcji jest silnie przesunięta w lewo. Stałą dysocjacji wody można obliczyć ze wzoru:

· - stężenie jonów hydroksoniowych (protonów);

- stężenie jonów wodorotlenowych;

- stężenie wody (w postaci molekularnej) w wodzie;

Stężenie wody w wodzie, ze względu na jej niski stopień dysocjacji, jest praktycznie stałe i wynosi (1000 g/l)/(18 g/mol) = 55,56 mol/l.

W temperaturze 25°C stała dysocjacji wody wynosi 1,8 10-16 mol/L. Równanie (1) można przepisać jako:

Stała K in, równa iloczynowi stężeń protonów i jonów wodorotlenowych, nazywana jest iloczynem jonowym wody. Jest stały nie tylko dla czystej wody, ale także dla rozcieńczonych wodnych roztworów substancji. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta dysocjacja wody, dlatego wzrasta również Kv, wraz ze spadkiem temperatury i odwrotnie. Praktyczne znaczenie produktu jonowego wody jest duże, ponieważ pozwala on, przy znanej kwasowości (zasadowości) dowolnego roztworu (to znaczy o znanym stężeniu lub ), znaleźć odpowiednio stężenie lub . Chociaż w większości przypadków dla wygody prezentacji stosują nie bezwzględne wartości stężeń, ale ich logarytmy dziesiętne brane z przeciwnym znakiem - odpowiednio indeksem wodoru (pH) i indeksem hydroksylowym (pOH).

Ponieważ K w jest stałą, po dodaniu kwasu (jony H +) do roztworu stężenie jonów wodorotlenowych OH - spadnie i odwrotnie. W neutralnym środowisku = = mol / l. W stężeniu > 10-7 mol/l (odpowiednio stężenie< 10 −7 моль/л) среда будет kwaśny; W stężeniu > 10-7 mol/l (odpowiednio stężenie< 10 −7 моль/л) - alkaliczny.

27. Roztwory buforowe: ich skład, właściwości, mechanizm działania. Pojemność bufora

roztwory buforowe to roztwory zawierające układy buforowe. Systemy buforowe nazywane są mieszaninami, które zawierają pewien stosunek ilościowy słabych kwasów i ich soli z mocnymi zasadami lub słabych zasad i ich soli z mocnymi kwasami. Takie roztwory mają stabilne stężenie jonów H+ po rozcieńczeniu obojętnym rozpuszczalnikiem (wodą) i dodaniu do nich pewnej ilości mocnych kwasów lub zasad.

Roztwory buforowe znajdują się w wodach oceanów, roztworach glebowych i organizmach żywych. Systemy te pełnią funkcje regulatorów, które wspierają aktywną reakcję środowiska o określonej wartości niezbędnej do pomyślnego przebiegu reakcji metabolicznych. Roztwory buforowe dzielą się na kwasowe i zasadowe. Przykładem pierwszego może być układ buforowy octanowy, drugi - amonowy. Istnieją naturalne i sztuczne roztwory buforowe. Naturalnym roztworem buforowym jest krew zawierająca wodorowęglan, fosforan, białko, hemoglobinę i układy buforujące kwasy. Sztuczny bufor może być buforem octanowym składającym się z CH3COOH.

Cechy składu wewnętrznego i mechanizmu działania układów buforowych rozważymy na przykładzie układu buforowego octanowego: kwas octanowy / octan sodu. W środowisku wodnym składniki układu buforowego ulegają dysocjacji elektrolitycznej. Octan sodu jako sól słabego kwasu i mocnej zasady całkowicie dysocjuje na jony. Obecność anionów w takiej mieszaninie buforowej zależy od stężenia w niej soli i stopnia jej dysocjacji. Stężenie jonów H+ w układzie buforowym jest wprost proporcjonalne do stężenia zawartego w nim kwasu i odwrotnie proporcjonalne do zawartości w nim soli tego kwasu.

Zatem stężenie jonów H+ w buforze głównym jest wprost proporcjonalne do stężenia w nim soli i odwrotnie proporcjonalne do stężenia zasady.

Na przykład konieczne jest przygotowanie buforu octanowego o kilku wartościach pH. Najpierw przygotuj 5M roztwory kwasu octowego i octanu sodu. Aby przygotować pierwszy roztwór, weź 50 ml każdego ze składników. Kierując się wzorem, określ stężenie jonów H+ w otrzymanym roztworze.

Do następnego roztworu buforowego weź 80 ml roztworu kwasu i 20 ml przygotowanego wcześniej roztworu soli. Istnieje szereg przepisów na różne roztwory buforowe stosowane w analizie chemicznej i praktyce laboratoryjnej.

Roztwory buforowe mają określone właściwości. Należą do nich przede wszystkim buforowanie – zdolność do utrzymywania stałego stężenia jonów H+ po dodaniu do roztworu buforowego określonej ilości mocnego kwasu lub mocnej zasady. Na przykład, jeśli niewielka ilość kwasu nadchlorowego zostanie dodana do buforu octanowego, pH nie przesunie się na stronę kwasową, ponieważ kwas nadchlorowy wejdzie w reakcję rozkładu wymiany z solą słabego kwasu. W wyniku reakcji mocny kwas zdolny do zmiany pH na stronę kwasową zostaje zastąpiony słabym kwasem i obojętną solą. Stopień dysocjacji słabego roztworu elektrolitu zmniejsza się wraz ze wzrostem jego stężenia, dąży do zera, a zmiana pH nie występuje.

Zbiornik buforowy roztworu(z angielskiego. bufor- amortyzator polerować- zmiękczają wstrząsy) - jest to ilość kwasu lub zasady potrzebna do zmiany pH roztworu buforowego dokładnie o 1.

Mieszanina buforowa, roztwór buforowy, układ buforowy- połączenie substancji, system utrzymujący stałe pH.

Czysta woda nie przewodzi dobrze prądu elektrycznego, ale nadal ma mierzalną przewodność elektryczną, co tłumaczy się częściową dysocjacją cząsteczek H 2 O na jony wodorowe i jony wodorotlenowe:

H 2 O H + + OH -

Na podstawie wielkości przewodności elektrycznej czystej wody można obliczyć w niej stężenie jonów H + i OH. W temperaturze 25 ° C wynosi 10 -7 mol / l.

Stałą dysocjacji H 2 O oblicza się w następujący sposób:

Przepiszmy to równanie:

Należy podkreślić, że wzór ten zawiera równowagowe stężenia cząsteczek H 2 O, jonów H + i OH -, które zostały ustalone w momencie równowagi w reakcji dysocjacji H 2 O.

Ale ponieważ stopień dysocjacji H 2 O jest bardzo mały, możemy założyć, że stężenie niezdysocjowanych cząsteczek H 2 O w momencie równowagi jest praktycznie równe całkowitemu początkowemu stężeniu wody, tj. 55,56 mol/dm 3 (1 dm 3 H 2 O zawiera 1000 g H 2 O lub 1000: 18 ≈ 55,56 (moli). W rozcieńczonych roztworach wodnych możemy założyć, że stężenie H 2 O będzie takie samo. Dlatego też zastąpienie w równaniu (42) iloczynu dwóch stałych przez nową stałą (lub KW ), będzie miał:

Otrzymane równanie pokazuje, że dla wody i rozcieńczonych roztworów wodnych o stałej temperaturze iloczyn stężeń molowych jonów wodorowych i wodorotlenowych jest wartością stałą. Nazywa się inaczej produkt jonowy wody .

W czystej wodzie o temperaturze 25°C.
Czyli dla określonej temperatury:

Wraz ze wzrostem temperatury wartość wzrasta. W 100 ° C osiąga 5,5 ∙ 10 -13 (ryc. 34).

Ryż. 34. Zależność stałej dysocjacji wody K w
od temperatury t(°С)

Nazywa się roztwory, w których stężenia jonów H + i OH są takie same neutralne rozwiązania. W kwaśny roztwory zawierają więcej jonów wodorowych i alkaliczny– jony wodorotlenkowe. Ale niezależnie od reakcji ośrodka w roztworze, iloczyn stężeń molowych jonów H + i OH pozostanie stały.

Jeśli np. do czystej H2O dodana zostanie pewna ilość kwasu, a stężenie jonów H+ wzrośnie do 10-4 mol/dm3, to odpowiednio stężenie jonów OH- zmniejszy się tak, że produkt pozostaje równy 10 -14. Dlatego w tym roztworze stężenie jonów wodorotlenowych będzie równe 10 -14: 10 -4 \u003d 10 -10 mol / dm 3. Przykład ten pokazuje, że jeśli znane jest stężenie jonów wodorowych w roztworze wodnym, to oznacza się również stężenie jonów wodorotlenowych. Dlatego reakcję roztworu można ilościowo scharakteryzować stężeniem jonów H +:

neutralny roztwór ®

kwaśny roztwór ®

roztwór alkaliczny ®

W praktyce, aby ilościowo scharakteryzować kwasowość lub zasadowość roztworu, nie stosuje się w nim stężenia molowego jonów H +, ale jego ujemny logarytm dziesiętny. Ta wartość nazywa się wskaźnik pH i jest oznaczony przez pH :

pH = –lg

Na przykład, jeśli , to pH = 2; jeśli , to pH = 10. W roztworze obojętnym pH = 7. W roztworach kwaśnych pH< 7 (и тем меньше, чем «кислее» раствор, т.е., чем больше в нём концентрация ионов Н +). В щёлочных растворах рН >7 (a im więcej, im bardziej „alkaliczny” roztwór, czyli tym mniejsze w nim stężenie jonów H+).

Istnieją różne metody pomiaru pH roztworu. Bardzo wygodnie jest w przybliżeniu ocenić reakcję roztworu za pomocą specjalnych odczynników zwanych wskaźniki kwasowo-zasadowe . Kolor tych substancji w roztworze zmienia się w zależności od stężenia w nim jonów H+. Charakterystykę niektórych z najczęstszych wskaźników przedstawia tabela 12.

Tabela 12 Najważniejsze wskaźniki kwasowo-zasadowe