Ионное произведение воды. Водородный показатель

При изучении этой темы необходимо выучить: что такое ионное произведение воды и водородный показатель, как меняется водородный показатель при изменении среды и как определяют качественную реакцию среды.

 

Вода является очень слабым электролитом. В ничтожно малой степени молекулы воды диссоциируют на ионы водорода (Н⁺) и гидроксида (ОН^-) :

Н₂ОD Н⁺ + ОН^-

Произведение концентраций этих ионов в чистой воде, а также в любом водном растворе, есть величина постоянная, и называется ионное произведение воды.

При температуре 25 ⁰С: [Н⁺] [ОН^-]=10^-14.

В чистой воде среда нейтральная.

Для удобства оценки изменения концентрации ионов водорода (а, следовательно, и гидроксид ионов) ввели водородный показатель среды . Тогда, если концентрация ионов водорода больше , то рН ‹ 7 – среда кислая; если концентрация ионов водорода меньше (а концентрация гидроксид ионов больше ), то рН › 7 – среда щелочная.

Качественную реакцию среды определяют при помощи индикаторов – веществ, окраска которых зависит от величин рН.

 

Упражнение по теме 3

1. рН раствора равна 4. Что надо прибавить к раствору, чтобы приблизить рН к 7?:

а) кислоту; б) воду; в) щелочь.

2. Концентрация гидроксид ионов в растворе . Чему равно рН среды в этом растворе?

 

 

Лабораторная работа 3

Определение реакции среды при помощи индикаторов

К заранее приготовленным растворам кислоты, щелочи и чистой воды добавляют соответствующие индикаторы. По изменению окраски определяют, что за раствор.

 

 

Результаты заносят в таблицу.

 

Индикатор	Окраска	Интервал перехода, pH
В кислой среде	В нейтральной среде	В щелочной среде
Метилоранж				3,1-4,4
Фенолфталеин				8,2-10,0
Универсальная индикаторная бумага				Шкала цветности

 

 

Гидролиз солей

При изучении этой темы необходимо повторить принцип смещения химического равновесия при внешнем воздействии (Ле Шателье-Брауна). Разобраться с физическим смыслом гидролиза солей. Научиться составлять уравнения реакций гидролиза различных солей.

 

Молекулы воды в ничтожно малой степени диссоциируют на катионы водорода и гидроксид – ионы:

 

Н₂О D Н⁺ + ОН^-

 

При растворении соли в воде это равновесие может нарушаться. Куда при этом сместится равновесие можно определить, пользуясь принципом Ле Шателье – Брауна: если на равновесие оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону той реакции, которая противодействует этому внешнему воздействию.

Растворим в воде соль, образованную сильным основанием (например, NaOH) и слабой кислотой (например, CH₃COOH). Соль – сильный электролит, поэтому все молекулы ацетата натрия (CH₃COONa) распадутся на ионы. Но ионы CH₃COO^- будут связывать ионы Н⁺ в молекулы CH₃COOH, так как эта кислота слабая и предпочитает в воде находиться в виде молекул. Концентрация ионов Н⁺ в воде уменьшится, поэтому равновесие в диссоциации Н₂О на ионы сместится в сторону той реакции, которая увеличит концентрацию ионов Н⁺, т.е. прямой реакции. Но ионы Н⁺ будут связываться ионами СН₃СОО^-, поэтому в воде будут накапливаться ионы ОН^- . Среда будет щелочной, рН › 7.

 

__

CH₃COO^- + H₂O D CH₃COOH + OH^-

Т.е., если в воде появились анионы слабой кислоты, то в воде накапливаются гидроксид – ионы. Среда щелочная.

Растворим в воде соль, образованную слабым основанием (например, NH₄OH) и сильной кислотой (например, HCl). Все молекулы хлорида аммония (NH₄Cl) распадутся на ионы. Теперь ионы ОН ^- будут связываться ионами NH₄⁺ в молекулы NH₄OH. Для компенсации уменьшившейся концентрации ионов ОН ^- равновесие опять сместится в сторону прямой

 

 

реакции. Но теперь будут накапливаться в растворе ионы Н⁺. Среда будет кислой, рН ‹ 7.

 

 

↓

NH₄OH

___________________________

 

NH₄⁺ + H₂O D NH₄OH + H⁺

 

Т.е., если в воде появились катионы слабого основания, то в воде накапливаются ионы водорода. Среда кислая.

Растворим в воде соль образованную слабой кислотой и слабым основанием, например ацетат аммония (CH₃COONH₄). Все молекулы CH₃COONH₄ распадутся на ионы. Но теперь и ионы Н⁺ и ионы ОН^- будут связываться в молекулы. Равновесие опять будет смещаться в сторону прямой реакции, но соотношение концентрации ионов Н⁺ и ОН^- практически не будет изменяться. Среда будет близкой к нейтральной, рН ≈ 7.

 

↓ ↓

CH₃COOH NH₄OH

________

 

CH₃COO^- + NH₄⁺ + H₂O D CH₃COOH + NH₄OH

 

 

Т.е., если в воде появились катионы слабого основания и анионы слабой кислоты, то гидролиз идет, но соотношение концентрации Н⁺ и ОН^- практически не меняется. Среда близкая к нейтральной.

Теперь растворим соль, образованную сильной кислотой и сильным основанием, например, хлорид натрия (NaCl). Все молекулы NaCl распадутся на ионы. Но теперь ионы Н⁺ и ОН^- не будут связываться в молекулы, т.к. и NaOH, и HCl – сильные электролиты и предпочитают находиться в растворе в виде ионов. Равновесие не нарушается. Гидролиз соли отсутствует. Среда нейтральная, рН=7.

 

Примеры продуктов гидролиза различных солей представлены в таблице.

Таблица

 

Характер соли	Примеры соли	Продукты гидролиза	Реакция среды
Соль образована сильным основанием и слабой кислотой	а) анион однозарядный: KCN, CH3COONa	Щелочь и слабая кислота	рН›7
б) анион многозарядный: K2S, Na3PO4	Щёлочь и кислая соль	рН›7
Соль образована сильной кислотой и слабым основанием	а) катион однозарядный: NH4Cl, AgNO3	Кислота и слабое основание	рН‹7
б) катион многозарядный: Pb(NO3)2, CrCl3	Кислота и основная соль	рН‹7

 

Примеры составления уравнений гидролиза солей:

K₂S + H₂ODKHS + KOH

S^2- + H₂ODHS^- + OH^- рН›7

 

AlCl₃ + H₂ODAlOHCl₂ + HCl

Al³⁺ + H₂ODAlOH²⁺ + H⁺ рН‹7

Упражнение по теме 4

1. Какая из приведенных солей при растворении в воде не подвергается гидролизу:

а) K₂S; б) NaNO₃; в) CrCl₃.

2. Какая реакция среды будет при растворении в воде соли Fe (NO₃)₃:

а) кислая; б) нейтральная; в) щелочная.

3. Какая из приведенных солей при гидролизе образует кислую соль:

а) ZnSO₄; б) Na₃PO₄; в) NH₄Cl.

4. Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций гидролиза солей: K₂SO₃; Сu(NO₃)₂.

 

 

Лабораторная работа 4