Для связи в whatsapp +905441085890

Расчет [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований

В практике аналитической химии широко используются кислотно-основные реакции для разделения, растворения, определения ионов, создания условий для взаимодействия частиц в растворе и др. Поэтому необходимо научиться рассчитывать равновесные концентрации ионов Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, а также степени диссоциации а (доли распавшихся на ионы) слабых кислот и оснований (протолитов) в растворах. Поведение кислот и оснований в растворах зависит от свойств растворителя. Вода и ряд других растворителей (например метанол) обладают амфотерным характером, что можно представить реакцией автопротолиза с образованием катиона лиония (для воды — гидроксония, Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения) и аниона лиата (для воды — Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения).

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Константа автопротолиза растворителя Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения (для воды — Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения или ионное произведение воды) отражает закономерность, существующую в кислотно-основных системах в данном растворителе при 25°С:

для воды Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, для этанола Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

для метанола Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Учитывая, что активность чистого растворителя (стандартное состояние вещества) равна 1, справедливы выражения:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

(в чистой воде ионная сила I мала, близки к 1);

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

При расчетах, связанных с кислотно-основным равновесием и кислотно-основными взаимодействиями в растворах слабых протолитов, считают табличные термодинамические значения констант Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения равными соответствующим значениям концентрационных констант, связанных с равновесными концентрациями компонентов. Исключение составляют случаи, когда следует учитывать ионную силу раствора I и коэффициенты активности ионов Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения (пример 3.3).

В качестве характеристик кислотности используются отрицательные десятичные логарифмы активности (при приближенных расчетах без учета ионной силы — логарифмы концентрации) ионов лиония и лиата (для воды Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения). Знак Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения используется в случаях, когда надо подчеркнуть приближенность расчетов, чаще же используется знак «=».

Для воды: Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Соответственно: Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

В чистой воде, нейтральном водном растворе:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Для метанола (см. также пример 3.7):

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

и нейтральному раствору в метаноле соответствует pH = 8,35.

Эти соотношения используют для вычисления равновесной концентрации одного из ионов растворителя, если концентрация другого известна.

При описании поведения сильных и слабых кислот и оснований следует помнить о том, что сильные протолиты в водных растворах диссоциируют практически полностью, степень диссоциации (ионизации) Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения близка к 100 %. Диссоциация слабых кислот (НА) и оснований (В) протекает обратимо и описывается соответствующими константами равновесия Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

или (в упрощенном виде): Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Из реакций следует, что для одноосновных протолитов в воде справедливо:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Если НА и В — кислотно-основная сопряженная пара и В соответствует Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, то при умножении (3.1) на (3.2) получаем важное соотношение, связывающее свойства компонентов конкретной кислотно-основной сопряженной пары в данном растворителе. Для водного раствора справедливо:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

а для растворителя Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

При растворении в воде солей, в состав которых входит анион слабой кислоты (Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения и др.), катион слабого основания (Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения и др.) или тот и другой вместе (Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения), ионы слабых протолитов вступают во взаимодействие с молекулами воды (реакция гидролиза), в результате чего среда раствора становится кислой или щелочной. Только в случае равной силы слабых протолитов среда может оказаться близкой к нейтральной, как, например, в растворе ацетата аммония.

Реакция гидролиза характеризуется константой равновесия, соответствующей протолитыческому поведению гидролизующейся частицы Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, называемой также константой гидролиза Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения. Участвующая в таком протолитическом равновесии частица соли характеризуется степенью гидролиза Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения имеющей тот же смысл, что и степень ионизации слабой кислоты или основания.

Например, для соли Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения с анионом слабой кислоты уравнение реакции гидролиза (гидролиз “по аниону’ \ среда щелочная):

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения
Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Для соли с катионом слабого основания, например Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения (солянокислый гидразин), протекает гидролиз “по катиону”, среда кислая:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

(поскольку для сопряженных протолитов в воде Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения по формуле (3.3)).

Для соли, в которой и катион, и анион — ионы слабых протолитов, например Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

(протекает гидролиз “по катиону» и “по аниону”, среда зависит от Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения продуктов реакции: при Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения — среда кислая и наоборот).

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Для кислой соли с катионом сильного основания, например Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения и др., анион может участвовать в двух протолитических реакциях, т. е. является амфолитом. Реакции амфолита Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

(упрощенно: 2) Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения (ионизация по Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения).

Для реакции 1) Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

для реакции 2) Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

От соотношения Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения зависит реакция среды раствора соли. Аналогично, проявляя свойства амфолитов, ведут себя катионы основных солей, аминокислоты (см. пример 3.16). При выводе формул для точных расчетов помимо выражений констант равновесия, используют уравнения нейтральности, материального баланса, протонного баланса и другие приемы (см. пример 8.22). В случае водного раствора Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения при расчете pH учитывают вышеприведепные уравнения (2) и (1), а также диссоциацию воды. Тогда справедливо:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Заменяя концентрации компонентов в правой части уравнения через соответствующие константы, Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения и группируя члены, получаем:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Решая последнее уравнение относительно Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, получаем:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Формула (3.7) упрощается при пренебрежении малыми величинами и при допущении Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Например, если Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения мало. Тогда справедливо:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Для приближенных расчетов разных случаев кислотно-основного равновесия можно воспользоваться формулами таблицы 3.1. Значения Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения для водных растворов и рK приведены в табл. 2 и 3 приложения.

В случаях, когда нельзя считать равновесную концентрацию ионизирующегося вещества равной его аналитической концентрации (не соблюдается условие Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения соответствующее степени диссоциации менее 5%); когда необходим учет ионной силы раствора, проводятся точные расчеты равновесных концентраций ионов (примеры 3.2 — 3.5).

Пример 3.1.

Рассчитайте Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения и степень диссоциации

0,10 М раствора Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения.

Решение:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения — слабая кислота, Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Проверка условия Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения показывает, что расчет можно провести по приближенным формулам:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Таблица 3.1

Формулы для приближенного расчета Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения в водных растворах кислот и оснований

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Пример 3.2.

Рассчитайте Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения и Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения 0,0050 М раствора Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения.

Решение:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения — слабая кислота, Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Поскольку Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, то необходимы точные расчеты Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, т. е. нельзя пренебречь Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения в разности (с- Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения):

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

откуда: Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Решаем квадратное уравнение относительно Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Пример 3.3.

Рассчитайте pH 0,010 М раствора муравьиной кислоты в присутствии 0,010 М Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения.

Решение:

Отношение Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения указывает на необходимость точных расчетов. Нужно учесть также ионную силу.

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

С учетом соотношения (2.11) термодинамической и реальной констант:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения
Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Пример 3.4.

Рассчитайте Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения М раствора фенола.

Решение:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения, поэтому необходимо учесть автопротолиз воды:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Запишем уравнение электронейтральности:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Тогда: Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

откуда: Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Без учета автопротолиза воды:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

pH = 7, расчет менее точен.

Подобный подход необходим и при расчете pH очень разбавленных Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения растворов сильных протолитов.

Пример 3.5.

Рассчитайте Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения раствора Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения.

Решение:

Определяем тип гидролизующейся соли (тип протолита).

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Гидролиз протекает по аниону, т. е. Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения — слабое основание. Очевидно, что Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения. Найдем константу гидролиза Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения если Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Поскольку Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения необходим точный расчет Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

отсюда: Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Решаем квадратное уравнение:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Находим степень гидролиза Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Пример 3.6.

К 50 мл 0,10 М раствора Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения добавлено 25 мл 0,20 М раствора Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения. Вычислить Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения полученного раствора.

Решение:

После смешивания двух растворов получаем:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

В результате взаимодействия протолитов в растворе образуется кислая соль (амфолит) согласно уравнению реакции:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Для угольной кислоты Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения. При расчете Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения можно воспользоваться приближенной формулой из табл. 3.1 или (3.8):

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Пример 3.7.*

К 20 мл 0,20 М раствора соли аммония в безводном метаноле добавили 10 мл 0,20 М раствора метилата натрия в безводном метаноле. Определите: а) pH исходного раствора соли; в) pH полученного раствора, если для метанола Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения в метаноле Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Решение:

а) в метанольном растворе протекает протолитическая реакция:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Откуда Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

б) протолитическая реакция взаимодействия при сливании двух растворов:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Значение константы равновесия реакции:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

указывает на ее практическую необратимость и возможность приближенных расчетов. Используя эту константу или формулу для расчета pH в растворе, содержащем кислотно-основную сопряженную пару (3.11), можно вычислить pH полученного раствора:

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

откуда Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Расчет  [H+], [OH-], pH, pOH в растворах сильных и слабых кислот и оснований с примерами решения

Эти примеры взяты со страницы примеров решения задач по аналитической химии:

Решение задач по аналитической химии

Возможны вам будут полезны эти страницы:

Влияние химических факторов на равновесие. Молярная доля компонента в растворе с примерами решения
Направление химических реакций. Способы выражения констант равновесия. Ступенчатые и общие константы равновесия с примерами решения
Буферные растворы с примерами решения
Расчеты при приготовлении растворов протолитов с заданным значением pH с примерами решения