Водородный показатель. Буферные растворы

П р и м е р 1. Концентрация ионов водорода в растворе равна 4•10^-3 моль/л. Определите рН раствора.

Решение:

pН = - lg[H⁺]

pН = - lg(4•10^-3) = -lg4 – lg10^-3 = 3 – lg4 = 3 – 0,6 = 2,40.

П р и м е р 2. Определите концентрацию ионов водорода в растворе, pН которого равен 4,60.

Решение: Согласно условию задачи -lg[H⁺] = 4,60.

Следовательно: lg[H⁺] = - 4,60 = 40,5.

Отсюда по таблице логарифмов находим: [Н⁺] = 2,5•10^-5 моль/л.

П р и м е р 3. Чему равна концентрация гидроксид-ионов в растворе, pH которого равен 10,80?

Решение: Из соотношения рН + рОН = 14 находим:

pОН = 14 - рН = 14 - 10,80 = 3,20.

Отсюда: - lg[OH^-] = 3,20 или lg[OH^-] = -3,20 = 48 0,.

Этому значению логарифма соответствует значение 6,31•10^-4. Следовательно:

[OH^-] = 6,31•10^-4 моль/л.

П р и м е р 4. Определите водородный показатель раствора, в 1 л   которого содержится гидроксид натрия массой 0,1 г. Диссоциацию щелочи считать полной.

Решение: Количество NaOH в 1 л  раствора составит:

0,1/40 = 2,5•10^-3 моль/л.

Следовательно, учитывая полную диссоциацию: [ОН^-] = 2,5•10^-3 моль/л;

рОН = -lg(2,5•10^-3) = 3 - lg2,5 = 3 - 0,4 = 2,6.

Так как рН + рОН = 14, то рН = 14 - 2,6 = 11,4.

Гидролиз солей

  П р и м е р 5. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей: а) KCN, б) Na₂CO₃, в) ZnSO₄. Определите реакцию среды растворов этих солей.

Решение:  

а) Цианид калия KCN - соль слабой одноосновной кислоты HCN и сильного гидроксида КОН. При растворении в воде молекулы KCN полностью диссоциируют на катионы К⁺ и анионы CN^-. Катионы К⁺  не могут связывать ионы ОН^- воды, так как КОН - сильный электролит. Анионы же CN^- связывают ионы Н⁺ воды, образуя молекулы слабого электролита HСN. Соль гидролизуется по аниону.

Ионно-молекулярные уравнения гидролиза:

а) сокращенное ионое уравнение (с.и.у.): CN^- + Н₂О ↔ HCN + ОН^-  

б) полное ионное уравнение (п.и.у.):      K⁺ + CN^- + Н₂О ↔ HCN + ОН^- + K⁺

в) молекулярное уравнение (м.у.):               KCN + Н₂О ↔ HCN + KОН

В результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионов OH^-, поэтому раствор KCN имеет щелочную реакцию (pH > 7).

б) Карбонат натрия Na₂CO₃ - соль слабой многоосновной кислоты и сильного гидроксида. В этом случае анионы соли СО₃^2-, связывая водородные ионы воды, образуют анионы кислой соли НСО₃^-, а не молекулы Н₂СО₃, так как ионы НСО₃^-

диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Н₂СО₃.

В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по аниону. 

Ионно-молекулярные уравнения гидролиза:

а) с.и.у.:   СО₃^2- + Н₂О ↔ НСО₃^- + ОН^-  

б) п.и.у.: 2Na⁺ + СО₃^2- + Н₂О ↔ НСО₃^- + ОН^- + 2Na⁺

в) м.у.:  Na₂CO₃ + Н₂О ↔ NaНСО₃ + NaОН   

В растворе появляется избыток ионов OH-, поэтому раствор Na₂CO₃ имеет щелочную реакцию (pH > 7).

в) Сульфат цинка ZnSO₄ - соль слабого многокислотного гидроксида Zn(OH)₂ и сильной кислоты H₂SO₄. В этом случае катионы Zn²⁺ связывают гидроксильные ионы воды, образуя катионы основной соли ZnOH⁺. Образование молекул Zn(OH)₂ не происходит, так как ионы ZnOH⁺ диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Zn(OH)₂. В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по катиону.

Ионно-молекулярные уравнения гидролиза:

а) с.и.у.: Zn²⁺ + Н₂О ↔ ZnOH⁺+ Н⁺  

б) п.и.у.: 2Zn²⁺+ 2SО₄^2- + 2Н₂О ↔ 2ZnOH⁺+ 2Н⁺  + 2SО₄^2-

в) м.у.:  2Zn₂SО₄ + 2Н₂О ↔ (ZnOH)₂SО₄ + H₂SO₄

В растворе появляется избыток ионов водорода, поэтому раствор ZnSO₄ имеет кислую реакцию (pH < 7).

П р и м е р 6. Какие продукты образуются при смешивании растворов Al(NO₃)₃ и K₂CO₃? Составьте ионно-молекулярное и молекулярное уравнение реакции.

Решение: Соль Al(NO₃)₃ гидролизуется по катиону, а K₂CO₃ - по аниону:

Al³⁺ + Н₂О ↔ AlOH²⁺+ Н⁺

СО₃^2- + Н₂О ↔ НСО₃^- + ОН^-

Если растворы этих солей находятся в одном сосуде, то идет взаимное усиление гидролиза каждой из них, т.к. ионы H⁺ и OH^- образуют молекулу слабого электролита H₂O. При этом гидролитическое равновесие сдвигается вправо и гидролиз каждой из взятых солей идет до конца с образованием Al(OH)₃ и CO₂ (H₂CO₃). Ионно-молекулярное уравнение:

 2Al³⁺ + 3CO₃^2- + 3H₂O = 2Al(OH)₃↓+ 3CO₂­,

молекулярное уравнение:

 2Al(NO₃)₃ + 3K₂CO₃ + 3H₂O = ↓2Al(OH)₃ + 3CO₂↑ + 6KNO₃.

  П р и м е р 7. Составьте уравнение реакций гидролиза Na₂SO₃. Определите, в какую сторону сместится равновесие, если к раствору этой соли добавить:  а) NaOH;  б) HCl;   в) K₂CO₃; г) Al₂(SO₄)₃.

Решение: Составим уравнение диссоциации Na₂SO₃: 

 

Na₂SO₃ ↔ 2Na⁺ + SO₃^2-

Кислотным остатком слабой кислоты здесь является ион  SO₃^2-, следовательно, ионное уравнение гидролиза будет иметь вид:  

SО₃^2- + Н₂О ↔ НSО₃^- + ОН^-;     рН > 7, среда щелочная;

молекулярное уравнение гидролиза:

Na₂SО₃ + Н₂О ↔ NaНSО₃ + NaОН

а) Так как в результате гидролиза сульфита натрия создается щелочная среда, согласно принципу Ле-Шателье, при добавлении NaOH равновесие сместится в сторону исходных веществ.

б) При добавлении кислоты ионы Н⁺ и ОН^- образуют воду, следовательно, концентрация ОН^- понижается, и равновесие смещается в сторону образования продуктов реакции.

в) Чтобы определить, в какую сторону сместиться равновесие при добавлении К₂СО₃, составим уравнение гидролиза этой соли и определим кислотность среды: 

К₂СО₃ ↔ 2К⁺ + CO₃^2-.

Кислотным оcтатком слабой кислоты является ион CO₃^2-, следовательно, процесс гидролиза можно представить в виде   

СО₃^2- + Н₂О ↔ НСО₃^- + ОН^-; рН > 7,  среда щелочная;

К₂СО₃ + НОН ↔ КНСО₃ + КОН.

В результате процесса гидролиза К₂СО₃, также как и в случае гидролиза Na₂СО₃, образуются свободные ионы ОН^-, следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, добавление К₂СО₃ к раствору Na₂СО₃ вызывает смещение равновесия в сторону исходных веществ.

г) Чтобы определить направление смещения равновесной системы при добавлении в нее сульфата алюминия, составим уравнение гидролиза Al₂(SO₄)₃: 

 

Al³⁺ + НОН ↔ AlOH²⁺ + H⁺; рН<7, кислая среда;

Al₂(SO₄)₃+ 2НОН ↔ 2AlOHSO₄ + H₂SO₄.

В результате гидролиза  Al₂(SO₄)₃ образуются свободные ионы водорода, которые с ионами гидроксила ОН^- образуют воду: 

Н⁺ + ОН^- ↔ Н₂О.

При этом содержание ОН^-  в системе понизится, следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, произойдет смещение равновесия в сторону продуктов реакции.

3. Дисперсные системы. Коллоидно-дисперсные системы

Содержание темы:

Понятие о дисперсных системах. Эмульсии, суспензии. Коллоидные сис­темы - микрогетерогенные дисперсные системы. Способы получения коллоид­ных систем, характеристика их свойств. Строение коллоидной частицы. Пра­вило избирательной адсорбции Пакета—Фаянса.

Агрегативная и кинетическая устойчивость коллоидных систем, процес­сы коагуляции, способы коагуляции. Коагуляция лиофобных и лиофильных коллоидных систем.

Необходимые умения: исходя из условий образования гидрозолей опреде­лять вещества, образующие гидрозоль при проведении химических реакций и опытным путем готовить золи и гели; по правилу избирательной адсорбции (правило Панета- Фаянса) составлять формулу мицеллы золя; определять коа­гулирующие ионы электролита, продукты коагуляции золя.

Дисперсные системы

В природе и технике часто встречаются дисперсные системы, в которых одно вещество равномерно распределено в виде частиц внутри другого вещества.

В дисперсных системах различают дисперсную фазу — мелкораздробленное вещество идисперсионную среду — однородное вещество, в котором распределена дисперсная фаза. Например, в мутной воде, содержащей глину, дисперсной фазой являются твердые частички глины, а дисперсионной средой — вода; в тумане дисперсная фаза — частички жидкости, дисперсионная среда — воздух; в дыме дисперсная фаза —- твердые частички угля, дисперсионная среда — воздух; в молоке — дисперсная фаза — частички жира, дисперсионная среда — жидкость и т. д.

К дисперсным системам относятся обычные (истинные) растворы, коллоидные растворы, а также суспензии и эмульсии. Они отличаются друг от друга прежде всего размерами частиц, т. е. степенью дисперсности (раздробленности).

Системы с размером частиц менее 10^-9 м представляют собой — истинные растворы, состоящие из молекул или ионов растворенного вещества. Их следует рассматривать как однофазную систему. Системы с размерами частиц больше 10^-7 м — это грубодисперсные системы — суспензии и эмульсии.

Суспензии — это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой является твердое вещество, а дисперсионной средой — жидкость, — причем твердое вещество практически нерастворимо в жидкости. Чтобы приготовить суспензию, надо вещество измельчить до тонкого порошка, высыпать в жидкость, в которой вещество не растворяется, и хорошо взболтать (например, взбалтывание глины в воде). Со временем частички выпадут на дно сосуда. Очевидно, чем меньше частички, тем дольше будет сохраняться суспензия.

Эмульсии — это дисперсные системы, в которых и дисперсная фаза и дисперсионная среда являются жидкостями, взаимно не смешивающихся. Из воды и масла можно приготовить эмульсию длительным встряхиванием смеси. Примером эмульсии является молоко, в котором мелкие шарики жира плавают в жидкости. Суспензии и эмульсии — двухфазные системы.

Коллоидные системы

Коллоидные растворы — это высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы, причем линейные размеры частиц последней лежат в пределах от 10^-9 м до 10^-7  м. Как видно, коллоидные растворы по размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами и суспензиями и эмульсиями. Коллоидные частицы обычно состоят из большого числа молекул или ионов.

Коллоидные растворы иначе называют золями. Их получают дисперсионными и конденсационными методами. Диспергирование чаще всего производят при помощи особых “коллоидных мельниц”. При конденсационном методе коллоидные частицы образуются за счет объединения атомов или молекул в агрегаты. Так, если возбудить в воде дуговой электрический разряд между двумя проволоками из серебра, то пары металла конденсируются в коллоидные частицы. При протекании многих химических реакций также происходит конденсация и образуются высокодисперсные системы (выпадение осадков, протекание гидролиза, окислительно-восстановительные реакции и т.д.).

Золи обладают рядом специфических свойств, которые подробно изучает коллоидная химия. Золи в зависимости от размеров частиц могут иметь различную окраску, а у истинных растворов она одинаковая. Например, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, вишневыми, рубиново-красными.

В отличие от истинных растворов для золей характерен эффект Тиндаля, т. е. рассеяние света коллоидными частицами. При пропускании через золь пучка света появляется светлый конус, видимый в затемненном помещении. Так можно распознать, является данный раствор коллоидным или истинным. Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO₃ + KI ––> AgI + KNO₃

Коллоидная мицелла золя иодида серебра (см. рис. 4.9) образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то ядро будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции – десорбции.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I^–, противоионы – ионы К⁺) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]_m · nI^– · (n-x)K⁺}^x– · x K⁺

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]_m · nAg⁺ · (n-x)NO₃^–}^x+ · x NO₃^–

Рис.1 Строение коллоидной мицеллы

 

Агрегативная устойчивость золей обусловлена, таким образом, рядом факторов: во-первых, снижением поверхностной энергии дисперсной фазы (т.е. уменьшения движущей силы коагуляции) в результате образования двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов. Еще одна причина устойчивости коллоидов связана с процессом гидратации (сольватации) ионов. Противоионы диффузного слоя сольватированы; эта оболочка из сольватированных противоионов также препятствует слипанию частиц.

Одним из важных свойств золей является то, что их частицы имеют электрические заряды одного знака. Благодаря этому они не соединяются в более крупные частицы и не осаждаются. При этом частицы одних золей, например металлов, сульфидов, кремниевой и оловянной кислот, имеют отрицательный заряд, других, например гидроксидов, оксидов металлов, — положительный заряд. Возникновение заряда объясняется адсорбцией коллоидными частицами ионов из раствора.

Для осаждения золя необходимо, чтобы его частицы соединились в более крупные агрегаты. Соединение частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией, а осаждение их под влиянием силы тяжести — седиментацией.

Обычно коагуляция происходит при прибавлении к золю: 1) электролита, 2) другого золя, частицы которого имеют противоположный заряд, и 3) при нагревании.

При определенных условиях коагуляция золей приводит к образованию студенистой массы, называемой гелем. В этом случае вся масса коллоидных частиц, связывая растворитель, переходит в своеобразное полужидкое-полутвердое состояние. От гелей следует отличать студни — растворы высокомолекулярных веществ в низкомолекулярных жидкостях (системы гомогенные). Их можно получить при набухании твердых полимеров в определенных жидкостях.

Значение золей исключительно велико, так как они более распространены, чем истинные растворы. Протоплазма живых клеток, кровь, соки растений — все это сложные золи. С золями связано получение искусственных волокон, дубление кож, крашение, изготовление клеев, лаков, пленок, чернил. Много золей в почве, и они имеют первостепенное значение для ее плодородия.

Металлы

Содержание темы: Зависимость свойств металлов от их положения в периодической системе. Хи­мические свойства металлов. Отношение металлов к воде. Взаимодействие ме­таллов с кислотами различной концентрации (азотной, серной, с кислотами -неокислителями). Отношение металлов к растворам щелочей. Химический ха­рактер оксидов и гидроксидов металлов. Окислительно-восстановительные свойства соединений металлов.

Окислительно-восстановительные реакции, составление уравнений окислительно-восстановительных реакций электронно-ионным методом (метод полуреакций).

Электрохимические процессы: По­нятие об электродных потенциалах, механизм возникновения. Гальванические элементы. Измерение ЭДС. Стандартный водородный электрод и водородная шкала потенциалов. Электрохимический ряд стандартных электродных потен­циалов.

Корррозия металлов. Сущность процесса коррозии металлов. Основные виды коррозии металлов. Химическая коррозия. Электрохимическая коррозия и ее виды: контактная, атмосферная, в условиях неравномерной аэрации, электро­коррозия. Методы защиты металлов от коррозии: защитные покрытия (анод­ное, катодное), легирование металлов, ингибиторная, виды электрозащиты (протекторная, катодная).

Необходимые умения:

- выражать химическими уравнениями (химическим языком) свойство металлов и их соединений. Составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций электронно-ионным методом (метод полуреакций);

- составлять формулу гальванического элемента, элек­тронные уравнения электродных процессов, протекающих при коррозии метал­лов. Подбирать защищающие металлические покрытия, используя шкалу стан­дартных электродных потенциалов.