ЦУ (ценные указания)

Задачник по общей и неорганической химии

7. Водные растворы протолитов. 7.1. Вода. Нейтральная, кислая и щелочная среда. Сильные протолиты

Смотрите задания >>>

Теоретическая часть

Современной теорией кислот и оснований является протонная теория Бренстеда – Лаури, которая объясняет проявление веществами кислотной или основной функции тем, что они вступают в реакции протолиза – реакции обмена протонами (катионами водорода) Н⁺:

          НА       +       Е А^-     +         НЕ⁺

         кислота    основание   основание     кислота

Согласно этой теории кислота – это протонсодержащее вещество НА, являющееся донором своего протона; основание – вещество Е, акцептирующее протон, отданный кислотой. В общем случае реагент – кислота НА и реагент – основание Е, а также продукт – основание А^- и продукт – кислота НЕ⁺ конкурируют между собой за обладание протоном, что приводит обратимую кислотно-основную реакцию к состоянию протолитического равновесия. Поэтому в системе присутствуют четыре вещества, составляющие две сопряженные пары «кислота – основание»: НА / А^- и НЕ⁺/Е. Вещества, проявляющие кислотные или оснóвные свойства, называют протолитами.

7.1. Вода. Нейтральная, кислая и щелочная среда. Сильные протолиты

Наиболее распространенный на Земле жидкий растворитель – вода. Помимо молекул Н₂О, в чистой воде содержатся гидроксид-ионы ОН^- и катионы оксония Н₃О⁺ вследствие протекающей реакции автопротолиза воды:

Н₂O   +   H₂O     OH⁻   +   Н₃O

кислота  основание  основание  кислота

Количественной характеристикой автопротолиза воды является ионное произведение воды:

K_В = [Н₃О⁺][ОН^–] = 1 ^. 10^–14 (25 °С)

Следовательно, в чистой воде

[Н₃О⁺] = [ОН^–] =1 ^. 10^–7 моль/л (25 °С)

Содержание катионов оксония и гидроксид-ионов выражают также через водородный показатель pH и гидроксильный показатель pOH:

pH = -lg[H₃O⁺],   pOH = -lg[OH^–]

В чистой воде при 25 °С pH = 7, pOH = 7, pH + pOH = 14.

В разбавленных (менее 0,1 моль/л) водных растворах веществ значение pH может быть равно, больше или меньше pH чистой воды. При pH = 7 среду водного раствора называют нейтральной, при pH < 7 – кислотной, при pH > 7 – щелочной. Значительное увеличение концентрации ионов H₃O⁺ в воде (создание кислотной среды) достигается при необратимой реакции протолиза таких веществ, как хлороводород, хлорная и серная кислоты:

 

HCl    +    H₂O   =   Cl^–   +   H₃O⁺,   pH < 7

      

 

HClO₄  +  H₂O   =   ClO₄^–   +   H₃O⁺,   pH < 7

 

 

H₂SO₄  +  2H₂O  =  SO₄^2–  +  2H₃O⁺,   pH < 7

Ионы Cl^–, ClO₄^–, SO₄^2–, сопряженные с этими кислотами, основными свойствами в воде не обладают. Аналогичным образом ведут себя в водном растворе некоторые гидроанионы, например гидросульфат-ион:

 

HSO₄^–  +  H₂O  =  SO₄^2–  +  H₃O⁺,   pH < 7

В связи с необратимостью реакций протолиза, сам ион H₃O⁺, вещества HCl, HClO₄ и H₂SO₄, подобные им по протолитическим свойствам HClO₃, HBr, HBrO₃, HI, HIO₃, HNO₃, HNCS, H₂SeO₄, HMnO₄, ионы HSO₄^–, HSeO₄^– и некоторые другие в водном растворе считаются сильными кислотами. В разбавленном растворе сильной кислоты НА (т.е. при с_НА менее 1 моль /л) концентрация катионов оксония и рН связаны с аналитической (по приготовлению) молярной концентрацией с_НА следующим образом:

[H₃O⁺] = с_НА, pH = -lg[H₃O⁺] = -lgс_НА

Пример 1. Определите водородный показатель рН в 0,006М растворе серной кислоты при 25 °С.

Решение

рН = ? сB = 0,006 моль/л [H3O+] = 2сB	H2SO4 + 2H2O = SO42– + 2H3O+, pH<7 pH = –lg[H3O+] = –lg(2сB) = –lg(2´0,006) = 1,92
Ответ: 0,006М раствор H2SO4 имеет рН 1,92

Значительное увеличение концентрации ионов ОН^- в воде (создание щелочной среды) достигается растворением и полной электролитической диссоциацией таких веществ, как гидроксиды калия и бария, называемых щелочами:

KOH = K⁺ + ОН^–; Ва(ОН)₂ + 2ОН^–, рН>7

Вещества КОН, Ва(ОН)₂, NaOH и подобные им основные гидроксиды в твердом состоянии являются ионными кристаллами; при их электролитической диссоциации в водном растворе образуются ионы ОН^– (это сильное основание), а также ионы K⁺, Ва²⁺, Na⁺ и др., которые кислотными свойствами в воде не обладают. При данной аналитической концентрации щелочи МОН в разбавленном растворе (с_B менее 0,1 моль/л) имеем:

[ОН^–] = с_MOH; pH = 14 – рОН = 14 + lg[ОН^–] = 14 + lgс_MOH

Пример 2. Определите рН в 0,012М растворе гидроксида бария при 25 °С.

рН = ? сB = 0,012 моль/л [ОН–] = 2сB	Ва(ОН)2 = Ва2+ + 2ОН–, pH>7 pH = 14 – pOH = 14 + lg[ОН–] = 14 + lg(2св) =  = 14+lg(2.0,012)=12,38
Ответ: 0,012М раствор Ва(ОН)2 имеет pH 12,38