--PAGE_BREAK--Такое представление об электролизе подкрепляется многочисленными фактами. С этой точки зрения первый закон Фарадея получает простое объяснение. Каждый осаждающийся на электроде ион переносит с собой некоторый электрический заряд. Это значит, что полный заряд, перенесенный всеми ионами, должен быть пропорционален полному числу ионов, осевших на электродах, т.е. массе выделенного вещества. А это и есть первый закон Фарадея. Так же естественно и просто объясняется с этой точки зрения и второй закон Фарадея, дающий возможность вычислить электрический заряд, связанный с каждым ионом.
Отметим, что название «ион» введено Фарадеем (от греческого слова «ион» — идущий). Ионы, заряженные положительно и выделяющиеся на катоде, Фарадей назвал катионами, ионы, выделяющиеся на аноде, — анионами.
Опыт показал, что водород и металлы всегда выделяются на катоде; это значит, что в электролитах водород и металлы образуют положительные, ионы.
2.2 Движение ионов в электролитах Движение ионов в электролитах в некоторых случаях может быть показано весьма наглядно.
Пропитаем листок фильтровальной бумаги раствором электролита (сернокислого натра, Na2SO4) и фенолфталеина и поместим на стеклянную пластинку (рис.2).
Рис.2. Опыт, показывающий движение ионов. Листок фильтровальной бумаги пропитан раствором электролита и фенолфталеина, ab — нитка, смоченная раствором электролита
Поперек бумаги положим обыкновенную белую нитку, смоченную раствором едкого натра (NaOH). Бумага под ниткой окрасится в малиновый цвет благодаря взаимодействию ионов гидроксила (ОН) из NaOH с фенолфталеином. Затем прижмем к краям листка проволочные электроды, присоединенные к гальваническому элементу, и включим ток.
Ионы гидроксила из едкого натра начнут двигаться к аноду, окрашивая
бумагу в малиновый цвет. По скорости перемещения малинового края можно судить о средней скорости движения ионов под влиянием электрического поля внутри электролита. Опыт показывает, что эта скорость пропорциональна напряженности поля внутри электролита. При заданном поле эта скорость для разных ионов несколько различна. Но, в общем, она невелика и для обычно применяющихся полей измеряется сотыми и даже тысячными долями сантиметра в секунду.
2.3 Теория электролитической диссоциации Сванте Аррениус обратил внимание на тесную связь между способностью растворов солей, кислот и оснований проводить электрический ток и отклонениями растворов этих веществ от законов Вант-Гоффа и Рауля. Он показал, что по электропроводности раствора можно рассчитать величину его осмотического давления, а, следовательно, и поправочный коэффициент i. Значения i, вычисленные им из электропроводности, хорошо совпали с величинами, найденными для тех же растворов иными методами.
Причиной чрезмерно высокого осмотического давления растворов электролитов является, согласно Аррениусу, диссоциация электролитов на ионы. Вследствие этого, с одной стороны, увеличивается общее число частиц в растворе, а, следовательно, возрастают осмотическое давление, понижение давления пара и изменения температур кипения и замерзания, с другой, — ионы обусловливают способность раствора проводить электрический ток.
Эти предположения в дальнейшем были развиты в стройную теорию, получившую название теории электролитической диссоциации. Согласно этой теории, при растворении в воде электролиты распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы называются катионами; к ним относятся, например, ионы водорода и металлов. Отрицательно заряженные ионы называются анионами; к ним принадлежат ионы кислотных остатков и гидроксид-ионы. Как и молекулы растворителя, ионы в растворе находятся в состоянии неупорядоченного теплового движения.
Процесс электролитической диссоциации изображают, пользуясь химическими уравнениями. Например, диссоциация НСl выразится уравнением:
НСl = Н+ + Сl —
Распад электролитов на ионы объясняет отклонения от законов Вант-Гоффа и Рауля. В качестве примера можно привести понижение температуры замерзания раствора NaCl. Теперь нетрудно понять, почему понижение температуры замерзания этого раствора столь велико. Хлорид натрия переходит в раствор в виде ионов Na+ и Сl-. При этом из одного моля NaCl получается не 6,02 • 1023 частиц, а вдвое большее их число. Поэтому и понижение температуры замерзания в растворе NaCl должно быть вдвое больше, чем в растворе неэлектролита той же концентрации.
Точно так же в очень разбавленном растворе хлорида бария, диссоциирующего согласно уравнению
ВаСl2=Ва2+ + 2Сl —
осмотическое давление оказывается в 3 раза больше, чем вычисленное по закону Вант-Гоффа, так как число частиц в растворе в 3 раза больше, чем, если бы хлорид бария находился в нем в виде молекул ВаСl2.
Таким образом, особенности водных растворов электролитов, противоречащие с первого взгляда законам Вант-Гоффа и Рауля, были объяснены на основе этих же законов.
Однако теория Аррениуса не учитывала всей сложности явлений в растворах. В частности, она рассматривала ионы как свободные, независимые от молекул растворителя частицы. Теории Аррениуса противостояла химическая, или гидратная, теория растворов Менделеева, в основе которой лежало представление о взаимодействии растворенного вещества с растворителем. В преодолении кажущегося противоречия обеих теорий большая заслуга принадлежит русскому ученому И.А. Каблукову, впервые высказавшему предположение о гидратации ионов. Развитие этой идеи привело в дальнейшем к объединению теорий Аррениуса и Менделеева.
2.4 Процесс диссоциации В зависимости от структуры растворяющегося вещества в безводном состоянии его диссоциация протекает по-разному. Наиболее типичны при этом два случая. Один из них это диссоциация растворяющихся солей, т.е. кристаллов с ионной структурой, второй-диссоциация при растворении кислот, т.е. веществ, состоящих из полярных молекул.
Когда кристалл соли, например, хлорида калия, попадает и воду, то расположенные на его поверхности ионы притягивают к себе полярные молекулы воды (ион-дипольное взаимодействие). К ионам калия молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами, а к хлорид-ионам — положительными. Но, если ионы притягивают к себе молекулы воды, то и молекулы воды с такой же силой притягивают к себе ионы. В то же время притянутые молекулы поды испытывают толчки со стороны других молекул, находящихся в движении. Этих толчков вместе с тепловыми колебаниями ионов в кристалле оказывается достаточно для отделения ионов от кристалла и: перехода их в раствор. Вслед за первым слоем ионов в раствор переходит следующий слой, и таким образом идет постепенное растворение кристалла.
Иначе протекает диссоциация полярных молекул. Молекулы воды, притянувшиеся к концам полярной молекулы (диполь-дипольное взаимодействие), вызывают расхождение ее полюсов — поляризуют молекулу. Такая поляризация в сочетании с колебательным тепловым движением атомов в рассматриваемой молекуле, а также с непрерывным тепловым движением окружающих ее молекул воды приводит, в конечном счете, к распаду полярной молекулы на ионы. Как и в случае растворения ионного кристалла, эти ионы гидратируются. При этом ион водорода Н+ (т.е. протон) оказывается прочно связанным с молекулой воды в ион гидроксонияН3О+. Так, при растворении в воде хлороводорода происходит процесс, который схематически можно выразить уравнением
Н2О + НСl = Н3О+ +Сl —
В результате этого процесса молекула НСl расщепляется таким образом, что общая пара электронов остается у атома хлора, который превращается в ион Сl-, а протон, внедряясь в электронную оболочку атома кислорода в молекуле воды, образует ион гидроксония Н3О+.
Подобного же рода процессы происходят и при растворении в воде других кислот, например, азотной:
Н2О + НNO3 = Н3О+ + NO3 —
Перешедшие в раствор ионы остаются связанными с молекулами воды и образуют гидратыионов. Иначе говоря, в результате диссоциации образуются не свободные ионы, а соединения ионов с молекулами растворителя. В общем случае любого растворителя эти соединения называются сольватами ионов. Но в уравнениях диссоциации обычно пишут формулы ионов, а не их гидратов или сольватов, тем более что число молекул растворителя, связанных с ионами, изменяется в зависимости от концентрации раствора и других условий.
Диссоциации веществ как ионного, так и молекулярного строения способствует полярность молекул растворителя. Поэтому не только вода, но и другие жидкости, состоящие из полярных молекул (муравьиная кислота, этиловый спирт, аммиак и другие), также являются ионизирующими растворителями: соли, кислоты и основания, растворенные в этих жидкостях, диссоциируют на ионы.
2.5 Свойства кислот, оснований и солей с точки зрения теории электролитической диссоциации Рассмотрим в свете теории электролитической диссоциации свойства веществ, которые в водных растворах проявляют свойства электролитов.
Кислоты. Для кислот характерны следующие общие свойства:
способность взаимодействовать с основаниями с образованием солей;
способность взаимодействовать с некоторыми металлами с выделением водорода;
способность изменять цвета индикаторов, в частности, вызывать красную окраску лакмуса;
кислый вкус.
При диссоциации любой кислоты образуются ионы водорода. Поэтому все свойства, которые являются общими для водных растворов кислот, мы должны объяснить присутствием гидратированных ионов водорода. Это они вызывают красный цвет лакмуса, сообщают кислотам кислый вкус и т.д. С устранением ионов водорода, например при нейтрализации, исчезают и кислотные свойства. Поэтому теория электролитической диссоциации определяет кислоты как электролиты, диссоциирующие в растворах с образованием ионов водорода.
У сильных кислот, диссоциирующих нацело, свойства кислот проявляются в большей степени, у слабых — в меньшей. Чем лучше кислота диссоциирует, т.е. чем больше ее константа диссоциации, тем она сильнее.
Величины констант диссоциации кислот изменяются в очень широких пределах. В частности, константа диссоциации циановодорода много меньше, чем уксусной кислоты. И хотя обе эти кислоты — слабые, все же уксусная кислота значительно сильнее циановодорода. Величины первой и второй констант диссоциации серной кислоты показывают, что в отношении первой ступени диссоциации H2SO4 — сильная кислота, а в отношении второй — слабая. Кислоты, константы диссоциации которых лежат в интервале 10-4 — 10-2, иногда называют кислотами средней силы. К ним, в частности, относятся ортофосфорная и сернистая кислоты (в отношении диссоциации по первой ступени).
Основания. Водные растворы оснований обладают следующими общими свойствами:
способностью взаимодействовать с кислотами с образованием солей;
способностью изменять цвета индикаторов иначе, чем их изменяют кислоты (например, они вызывают синюю окраску лакмуса);
Своеобразным «мыльным» вкусом.
Поскольку общим для всех растворов оснований является присутствие в них гидроксид-ионов, то ясно, что носителем основных свойств является гидроксид-ион. Поэтому с точки зрения теории электролитической диссоциации основания — это электролиты, диссоциирующие в растворах с отщеплением гидроксид-ионов.
Сила оснований, как и сила кислот, зависит от величины константы диссоциации. Чем больше константа диссоциации данного основания, тем оно сильнее.
Существуют гидроксиды, способные вступать во взаимодействие и образовывать соли не только с кислотами, но и с основаниями. К таким гидроксидам принадлежит гидроксид цинка. При взаимодействии его, например, с соляной кислотой получается хлорид цинка:
Zn (OH) 2 + 2НСl = ZnСl2 + 2Н2О
а при взаимодействии с гидроксидом натрия — цинкат натрия:
Zn (OH) 2 + 2NaOH = Na2ZnО2+ 2Н2О
Гидроксиды, обладающие этим свойством, называются амфотерными гидроксидамиили амфотерными электролитами. К таким гидроксидам, кроме гидроксида цинка, относятся гидроксиды алюминия, хрома и некоторые другие.
Явление амфотерности объясняется тем, что в молекулах амфотерных электролитов прочность связи между металлом и кислородом незначительно отличается от прочности связи между кислородом и водородом. Диссоциация таких молекул возможна, следовательно, по местам обеих этих связей. Если обозначить амфотерный электролит формулой ROH, то его диссоциацию можно выразить схемой
Н+ + RO — ↔ ROH↔R+ + OH —
Таким образом, в растворе амфотерного электролита существует сложное равновесие, в котором участвуют продукты диссоциации как по типу кислоты, так и по типу основания.
Явление амфотерности наблюдается также среди некоторых органических соединений. Важную роль оно играет в биологической химии; например, белки — амфотерные электролиты.
Соли. Соли можно определить как электролиты, которые при растворении в воде диссоциируют, отщепляя положительные ионы, отличные от ионов водорода, и отрицательные ионы, отличные от гидроксид-ионов. Таких ионов, которые были бы общими для водных растворов всех солей, нет; поэтому соли и не обладают общими свойствами. Как правило, соли хорошо диссоциируют, и тем лучше, чем меньше заряды ионов, образующих соль.
При растворении кислых солей в растворе образуются катионы металла, сложные анионы кислотного остатка, а также ионы, являющиеся продуктами диссоциации этого сложного кислотного остатка, в том числе ионы Н+. Например, при растворении гидрокарбоната натрия диссоциация протекает согласно следующим уравнениям:
NaHCO3 = Na+ + HCO3-
HCO3 — = Н+ + CO32-
При диссоциации основных солей образуются анионы кислоты и сложные катионы, состоящие из металла и гидроксогрупп. Эти сложные катионы также способны к диссоциации. Поэтому в растворе основной соли присутствуют ионы ОН-. Например, при растворении хлорида гидроксомагния диссоциации протекает согласно уравнениям:
MgOHCl = MgOH+ + Сl —
MgOH+ = Mg2+ + ОН —
Таким образом, теория электролитической диссоциации объясняет общие свойства кислот присутствием в их растворах ионов водорода, а общие свойства оснований — присутствием в их растворах гидроксид-ионов. Это объяснение не является, однако, общим. Известны химические реакции, протекающие с участием кислот и оснований, к которым теория электролитической диссоциации неприменима: В частности, кислоты и основания могут реагировать друг с другом, не будучи диссоциированы на ионы. Так, безводный хлороводород, состоящий только из молекул, легко реагирует с безводными основаниями. Кроме того, известны вещества, не имеющие в своем составе гидроксогрупп, но проявляющие свойства оснований. Например, аммиак взаимодействует с кислотами и образует соли (соли аммония), хотя в его составе нет групп ОН. Так, с хлороводородом он образует типичную соль — хлорид аммония:
NH3 + HC1 = NH4C1
Изучение подобного рода реакций, а также реакций, протекающих в неводных средах, привело к созданию более общих представлений о кислотах и основаниях. К важнейшим из современных теорий кислот и оснований принадлежит протонная теория, выдвинутая в 1923 г.
Согласно протонной теории, кислотой является донор протона, т.е. частица (молекула или ион), которая способна отдавать ион водорода — протон, а основанием — акцептор протона, т.е. частица (молекула или ион), способная присоединять протон. Соотношение между кислотой и основанием определяется схемой:
Основание + Протон ↔ Кислота
Связанные этим соотношением основание и кислота называются сопряженными. Например, ион HSO4 — является основанием, сопряженным кислоте H2SO4.
Реакцию между кислотой и основанием протонная теория представляет схемой:
(Кислота) 1 + (Основание) 2 = (Кислота) 2 + (Основание) 1
Например, в реакции
HC1 + NH3 = NH3+ + Сl —
ион Сl — основание, сопряженное кислоте НС1, а ион NH3+ — кислота, сопряженная основанию NH3.
Существенным в протонной теории является то положение, что вещество проявляет себя как кислота или как основание в зависимости от того, с каким другим веществом оно вступает в реакцию. Важнейшим фактором при этом является энергия связи вещества с протоном. Так, в ряду NH3 — Н2О — HF эта энергия максимальна для NH3 и минимальна для HF. Поэтому в смеси с NH3 вода функционирует как кислота, а в смеси с HF — как основание:
NH3 + Н2О = NH4+ + ОН —
HF + Н2О = F — + Н3О+
2.6 Ионно-молекулярные уравнения При нейтрализации любой сильной кислоты любым сильным основанием на каждый моль образующейся воды выделяется около 57,6 кДж теплоты:
НСl + NaOH = NaCl + H2O + 57,53 кДж
продолжение
--PAGE_BREAK--НNO3 + КОН = КNO3 + H2O +57,61 кДж
Это говорит о том, что подобные реакции сводятся к одному процессу. Уравнение этого процесса мы получим, если рассмотрим подробнее одну из приведенных реакций, например, первую. Перепишем ее уравнение, записывая сильные электролиты в ионной форме, поскольку они существуют в растворе в виде ионов, а слабые — в молекулярной, поскольку они находятся в растворе преимущественно в виде молекул (вода — очень слабый электролит):
Н+ + Cl — + Na+ + ОН — = Na+ + Cl — + H2O
Рассматривая получившееся уравнение, видим, что в ходе реакции ионы Na+ и Cl — не претерпели изменений. Поэтому перепишем уравнение еще раз, исключив эти ионы из обеих частей уравнения. Получим:
Н+ + ОН — = H2O
Таким образом, реакции нейтрализации любой сильной кислоты любым сильным основанием сводятся к одному и тому же процессу — к образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-ионов. Ясно, что тепловые эффекты этих реакций тоже должны быть одинаковы.
Строго говоря, реакция образования воды из ионов обратима, что можно выразить уравнением
Н+ + ОН — ↔ H2O
Однако, как мы увидим ниже, вода — очень слабый электролит, и диссоциирует лишь в ничтожно малой степени. Иначе говоря, равновесие между молекулами воды и ионами сильно смещено в сторону образования молекул. Поэтому практически реакция нейтрализации сильной кислоты сильным основанием протекает до конца.
При смешивании раствора какой-либо соли серебра с соляной кислотой или с раствором любой ее соли всегда образуется характерный белый творожистый осадок хлорида серебра:
AgNO3+ НС1 = AgCl↓ + HNO3
Ag2SO4 + CuCl2 = 2AgCl↓ + CuSO4
Подобные реакции также сводятся к одному процессу. Для того чтобы получить его ионно-молекулярное уравнение, перепишем, например, уравнение первой реакции, записывая сильные электролиты, как и в предыдущем примере, в ионной форме, а вещество, находящееся в осадке, в молекулярной:
Ag+ + NO3 — + Н+ + С1 — = AgCl↓+ Н+ + NO3 —
Как видно, ионы Н+ и NO3 — не претерпевают изменений в ходе реакции. Поэтому исключим их и перепишем уравнение еще раз:
Ag+ + С1 — = AgCl↓
Это и есть ионно-молекулярное уравнение рассматриваемого процесса.
Здесь также надо иметь в виду, что осадок хлорида серебра находится в равновесии с ионами Ag +и С1 — в растворе, так что процесс, выраженный последним уравнением, обратим:
Ag+ + С1 — ↔ AgCl↓
Однако, вследствие малой растворимости хлорида серебра, это равновесие очень сильно смещено вправо. Поэтому можно считать, что реакция образования AgCl из ионов практически доходит до конца.
Образование осадка AgCl будет наблюдаться всегда, когда в одном растворе окажутся в значительной концентрации ионы Ag+и С1 — Поэтому с помощью ионов серебра можно обнаружить присутствие в растворе ионов С1 — и, обратно, с помощью хлорид-ионов — присутствие ионов серебра; ион С1 — может служить реактивом на ион Ag+, а ион Ag+ — реактивом на ион С1 —.
В дальнейшем мы будем широко пользоваться ионно-молекулярной формой записи уравнений реакций с участием электролитов.
Для составления ионно-молекулярных уравнений надо знать, какие соли растворимы в воде и какие практически нерастворимы. Общая характеристика растворимости в воде важнейших солей приведена в табл.2.
Ионно-молекулярные уравнения помогают понять особенности протекания реакций между электролитами. Рассмотрим в качестве примера несколько реакций, протекающих с участием слабых кислот и оснований.
Таблица 2. Растворимость важнейших солей в воде
Как уже говорилось, нейтрализация любой сильной кислоты любым сильным основанием сопровождается одним и тем же тепловым эффектом, так как она сводится к одному и тому же процессу — образованию молекул воды из ионов водорода и гидроксид-иона. Однако при нейтрализации сильной кислоты слабым основанием, слабой кислоты сильным или слабым основанием тепловые эффекты различны. Напишем ионно-молекулярные уравнения подобных реакций.
Нейтрализация слабой кислоты (уксусной) сильным основанием (гидроксидом натрия):
СН3СООН + NaOH = CH3COONa + Н2О
Здесь сильные электролиты — гидроксид натрия и образующаяся соль, а слабые — кислота и вода:
СН3СООН + Na++ ОН — = СН3СОО — + Na+ + Н2О
Как видно, не претерпевают изменений в ходе реакции только ионы натрия. Поэтому ионно-молекулярное уравнение имеет вид:
СН3СООН + ОН — = СН3СОО — + Н2О
Нейтрализация сильной кислоты (азотной) слабым основанием (гидроксидом аммония):
HNO3 + NH4OH = NH4NO3 + Н2О
Здесь в виде ионов мы должны записать кислоту и образующуюся соль, а в виде молекул — гидроксид аммония и воду:
Н+ + NO3 — + NH4OH = NH4 — + NH3 — + Н2О
Не претерпевают изменений ионы NO3 — Опуская их, получаем ионно-молекулярное уравнение:
Н+ + NH4OH= NH4+ + Н2О
Нейтрализация слабой кислоты (уксусной) слабым основанием (гидроксидом аммония):
СН3СООН + NH4OH = CH3COONH4 + Н2О
В этой реакции все вещества, кроме образующейся соли, — слабые электролиты. Поэтому ионно-молекулярная форма уравнения имеет вид:
СН3СООН + NH4OH =СН3СОО — + NH4+ + Н2О
Сравнивая между собой полученные ионно-молекулярные уравнения, видим, что все они различны. Поэтому понятно, что неодинаковы и теплоты рассмотренных реакций.
Реакции нейтрализации сильных кислот сильными основаниями, в ходе которых ионы водорода и гидроксид-ионы соединяются в молекулу воды, протекают практически до конца. Реакции же нейтрализации, в которых хотя бы одно из исходных веществ — слабый электролит и при которых молекулы малодиссоциирующих веществ имеются не только в правой, но и в левой части ионно-молекулярного уравнения, протекают не до конца. Они доходят до состояния равновесия, при котором соль сосуществует с кислотой и основанием, от которых она образована. Поэтому уравнения подобных реакций правильнее записывать как обратимые реакции:
СН3СООН + ОН — ↔ СН3СОО — + Н2О
Н+ + NH4OH↔ NH4+ + Н2О
СН3СООН + NH4OH ↔ СН3СОО — + NH4+ + Н2О
2.7 Произведение растворимости При растворении твердого тела в воде растворение прекращается, когда получается насыщенный раствор, т.е. когда между растворяемым веществом и находящимися в растворе молекулами того же вещества установится равновесие. При растворении электролита, например, соли, в раствор переходят не молекулы, а ионы; следовательно, и равновесие в насыщенном растворе устанавливается между твердой солью и перешедшими в раствор ионами. Например, в насыщенном растворе сульфата кальция устанавливается равновесие
CaSO4 ↔Са2+ + SO42-
твердая ионы в
соль растворе
Константа равновесия для этого процесса выразится уравнением:
К = [Са2+] [SO42-]
[CaSO4]
Знаменатель дроби — концентрация твердой соли — представляет собою постоянную величину, которую можно ввести в константу.
Тогда, обозначая
К = [CaSO4] =К’ получим [Са2+] [SO42-] =К’
Таким образом, в насыщенном растворе электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная при данной температуре. Эта величина количественно характеризует способность электролита растворяться; ее называют произведением растворимости электролита и обозначают буквами ПР. Заменив величину К’на ПРCaSO4, получим:
ПРCaSO4 = [Са2+] [SO42-]
Численное значение произведения растворимости электролита нетрудно найти, зная его растворимость. Например, растворимость сульфата кальция при 20°С равна 1,5∙10-2 моль/л. Это значит, что в насыщенном растворе концентрация каждого из ионов Са2+ и SO42 — равна 1,5∙10-2 моль/л.
Следовательно, произведение растворимости этой соли
ПРCaSO4 = [Са2+] [SO42-] = (1,5∙10-2) 2 = 2,25∙10-4
В тех случаях, когда электролит содержит два или несколько одинаковых ионов, концентрации этих ионов при вычислении произведения растворимости должны быть возведены в соответствующие степени. Например:
ПРРbCl2 = [Pb2+] [I-] 2
Знание произведения растворимости позволяет решать вопросы, связанные с образованием или растворением осадков при химических реакциях, что особенно важно для аналитической химии. Надо, однако, иметь в виду, что произведение растворимости, вычисленное без учета коэффициентов активности, является постоянной величиной только для малорастворимых электролитови при условии, что концентрации других находящихся в растворе ионов невелики. Это объясняется тем, что коэффициенты активности близки к единице только в очень разбавленных растворах. Для хорошо растворимых электролитов значение произведения концентраций ионов в насыщенном растворе может сильно изменяться в присутствии других веществ. Это происходит вследствие изменения коэффициентов активности ионов. Поэтому расчеты, производимые по произведению растворимости без учета коэффициентов активности, приводят в этих случаях к неверным результатам.
В табл.3 приведены величины произведения растворимости некоторых малорастворимых соединений в воде.
Таблица 3. Произведение растворимости некоторых веществ при 25°С
2.8 Диссоциация воды. Водородный показатель Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы:
Н2О ↔ Н+ + ОН-
По величине электропроводности чистой воды можно вычислить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде. При 25°С она равна 10-7моль/л. Напишем выражение для константы диссоциации воды:
К = [Н+] [ОН-]
[Н2О]
Перепишем это уравнение следующим образом:
[Н+] [ОН-] = [Н2О] К
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул Н2О в воде практически равна общей концентрации воды, т.е.55,55 моль/л (1 л содержит 1000 г, воды, т.е. 100: 18,02 = 55,55 молей). В разбавленных водных растворах концентрацию воды можно считать такой же. Поэтому, заменив в последнем уравнении произведение [Н2О] К новой константой КН2О, будем иметь:
[Н+] [ОН-] = КН2О
Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. Численное значение ее нетрудно получить, подставив в последнее уравнение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов. В чистой воде при 25°С [Н+] [ОН-] = 1∙10-7моль/л. Поэтому для указанной температуры:
КН2О = 10-7∙10-7 = 10-14
Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами. При 25 °С, как уже сказано, в нейтральных растворах концентрация как ионов водорода, так и гидроксид-ионов равна10-7 моль/л. В кислых растворах больше концентрация ионов водорода, в щелочных — концентрация гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция раствора, произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов остается постоянным.
Если например, к чистой воде добавить столько кислоты, чтобы концентрация ионов водорода повысилась до 10-3 моль/л, то концентрация гидроксид-ионов понизится так, что произведение [Н+] [ОН-] останется равным 10-14. Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет:
[ОН-] = 10-14/10-3 = 10-11моль/л
Наоборот, если добавить к воде щелочи и тем повысить концентрацию гидроксид-ионов, например, до 10-5моль/л, то концентрация ионов водорода составит:
[Н+] = 10-14/10-5 = 10-9моль/л
Эти примеры показывают, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щелочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:
Нейтральный раствор [Н+] = 10-7моль/л
Кислый [Н+] > 10-7моль/л
Щелочной [Н+]
Кислотность или щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем и обозначается через рН:
рН = — lg [Н+]
Например, если [Н+] = 10-5моль/л, то рН = 5; если [Н+] = 10-9моль/л, то рН = 9 и т.д. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе ([Н+] = 10-7моль/л) рН = 7. В кислых растворах рН рН >7, и тем больше, чем больше щелочность раствора.
Для измерения рН существуют различные методы. Приближенно реакцию раствора можно определить с помощью специальных реактивов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространенные индикаторы — метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин. В табл.4 дана характеристика некоторых индикаторов.
Таблица 4. Важнейшие индикаторы
Для многих процессов величина рН имеет большое значение. Так, рН крови человека и животных имеет строго постоянное значение. Растения могут нормально произрастать лишь при значениях рН почвенного раствора, лежащих в определенном интервале, характерном для данного вида растения. Свойства природных вод, в частности их коррозионная активность, сильно зависят от их рН.
2.9 Смещение ионных равновесий Равновесие в растворах электролитов, как и всякое химическое равновесие, сохраняется неизменным, пока определяющие его условия не меняются; изменение условий влечет за собой нарушение равновесия.
Так, равновесие нарушается при изменении концентрации одного из участвующих в этом равновесии ионов: при ее увеличении происходит процесс, в ходе которого эти ионы связываются. Например, если в раствор уксусной кислоты, диссоциирующей согласно уравнению
СН3СООН ↔ СН3СОО — + H+
ввести какую-либо соль этой кислоты и тем самым увеличить концентрацию ионов СН3СОО-, то, в соответствии с принципом Ле Шателье, равновесие смещается влево, т.е. степень диссоциации уксусной кислоты уменьшается. Отсюда следует, что введение в раствор слабого электролита одноименных ионов(т.е. ионов, одинаковых с одним из ионов электролита) уменьшает степень диссоциации этого электролита. Наоборот, уменьшение концентрации одного из ионов вызывает диссоциацию нового количества молекул. Например, при введении в раствор указанной кислоты гидроксид-ионов, связывающих ионы водорода, диссоциация кислоты возрастает.
Аналогично нарушается равновесие в случае малорастворимого электролита: всякий раз, как только произведение концентраций ионов малорастворимого электролита в растворе превысит, величину произведения растворимости, образуется осадок. Так, если к насыщенному раствору сульфата кальция добавить другой, хорошо растворимый электролит, содержащий общий с сульфатом кальция ион, например, сульфат калия, то вследствие увеличения концентрации ионов SO42 — равновесие сместится в сторону образования кристаллов CaSО4; ионы Са2+ и SO42 — будут удаляться из раствора, образуя осадок. Процесс будет идти до тех пор, пока произведение концентраций этих ионов станет равно произведению растворимости CaSO4. В итоге количество сульфата кальция в растворе уменьшится.
продолжение
--PAGE_BREAK--