Лекція «Розчини електролітів», Контент-платформа
Лекція «Розчини електролітів»
1. Теорія електролітичної дисоціації Арреніуса.
2. Слабкі електроліти. Константа дисоціації.
3. Сильні електроліти. активність.
4. Іонний добуток води. рН.
5. Буферні системи.
СР. Дисоціація кислот, основ, солей.
1. Теорія електролітичної дисоціації Арреніуса
Більшість природних хімічних систем та біологічних об'єктів єрозчини електролітів.
Речовини, які у розчинах чи розплавах розпадаються на іони, тому проводять електричний струм. До електролітів належать практично всі кислоти, основи, солі.
Речовини, які у розчинах чи розплавах не розпадаються на іони і проводять електричний струм. До них належать більшість органічних сполук (цукор, бензол), оксиди, прості речовини.
Здатність розчинів електролітів проводити електричний струм пояснила теорія електролітичної дисоціації, запропонована шведським хіміком Сванте Арреніусом (1883 – 1887 рр.), яка заснована на трьох постулатах:
1. Електроліти при розчиненні у воді або розплавленні розпадаються на позитивні та негативні іони.
Електролітична дисоціація- це розпад молекул електроліту на іони під дією полярних молекул розчинника (води).
Під дією електричного струму іони набувають направленого руху: позитивно заряджені рухаються до катода і називаються катіони, а негативно заряджені – до анода і називаються аніони.
Дисоціація - оборотний процес: паралельно з розпадом молекул на іони (дисоціація) протікає процес з'єднання іонів (асоціація), який прийнято виражатирівнянням дисоціації.
2. Дисоціація молекул на іони є неповною і характеризується ступенем дисоціаціїα.
Ступінь дисоціації- це відношення числа молекул, що розпалися на іони(n)до загального числа молекул(N)
Фактори, що впливають на ступінь дисоціації:
Ступінь дисоціації із зменшенням концентрації електроліту (розведення водою) та підвищенням температури збільшується (ендотермічний процес).
Залежно від ступеня дисоціації Арреніус розділили всі електроліти на 3 групи – сильні, слабкі та середньої сили:
1.Сильні електроліти- при розчиненні у воді дисоціюють практично повністю. Ступінь дисоціації більше 30% (30%). До них відносяться майже всі розчинні солі, сильні кислоти, луги:
HCl, HNO3, H2SO4, HMnO4 – кислоти;
NаОН, КОН, LiОН, Ba(ОН)2 - основи (луги);
NaCl, K2SO4, KNO3, KMnO4 – солі.
2.Слабкі електроліти– при розчиненні у воді дисоціюють частково. Ступінь дисоціації менше 30% (α[ОН-] та [Н+]>10-7 моль/л.
3)лужне середовище
якщо до води додати луги, то [Н+] 7.
Аналогічно концентрацію ОН-іонів можна виразити через показник гідроксид-іонів рОН.
Гідроксильним показником рОНназивають десятковий логарифм концентрації гідроксильних іонів, взятий із зворотним знаком:
рОН = –lg[OH-] або [ОН-]=10-рОН,
де [ОН-] – концентрація гідроксид-іонів, моль/л.
Прологарифмувавши рівняння будемо мати
рН + рОН = 14; рОН = 14-рН.
Якісно характер середовищавизначають за допомогою індикаторів – слабких органічних кислот та основ, що змінюють своє забарвлення залежно від середовищарозчину, тобто рН розчину. Наприклад, лакмус: у кислому середовищі – червоний, у лужному – синій, визначення нейтральної не використовується; фенолфталеїн: у кислому середовищі – безбарвний, у лужному – малиновий.
Крім цього водневий показник можна просто і зручно визначати за допомогою індикаторного паперу – смужки спеціального паперу, що містить низку індикаторних фарб. Якщо змочити смужку такого паперу досліджуваним розчином, то вона набуває характерного забарвлення, яке порівнюють з еталонами кольорів рН (шкала).
Справжнє значення рНвизначають за допомогою приладів рН-метрів, використовуючи метод потенціометрії.
Біологічне значення рН
Величина рН має велике значення в хімічних та біологічних процесах, тому що в залежності від характеру середовища ці процеси можуть протікати з різними швидкостями та в різних напрямках.
Тому визначення рН розчинів дуже важливе в медицині, науці, техніці, сільському господарстві.
Усі фізіологічні рідини у живому організмі мають постійні значення рН. Зміна рН крові чи шлункового соку є діагностичним тестом у медицині. Відхилення рН від нормальних величин навіть на 0,01 одиниці свідчить про патологічні процеси в організмі
Так за нормальної кислотності:
шлунковий сік рН = 1,7 (сильнокисла реакція)
кров рН = 7,4 (слаболужна)
слина рН=6,9 (слабокисла)
сльози рН = 7 (нейтральна).
Соки деяких овочів та плодів мають наступні значення рН:
огірок 6,92, редька 5,32, щавель 3,74, картопля 5,82, морква 6,67.
Буферниминазиваються розчини, що зберігають постійне значення pH при розведенні їх водою або при додаванні до них кислот та лугів.
Зазвичай буферними розчинами єрозчини, що містять:
1) слабку кислоту та її сіль, утворену сильною основою;
2) слабка основа та її сіль, утворену сильною кислотою.
Механізм буферної діїрозглянемо з прикладу ацетатного буферного розчину CH3COOH + CH3COONа.
У цьому розчині мають місце такі процеси та встановлюється рівновага:
CH3COOH - CH3COO - + H+
CH3COONа CH3COO- + Nа+
а) При додаванні сильної кислоти (наприклад, HCl) протидіяти зміні кислотності буде сіль CH3COON. Відбувається реакція обміну, в результаті сильна кислота (HCl) замінюється на слабку (CH3COOH) і рН практично не змінюється:
CH3COONа + HCl ® NaCl + CH3COOH
б) При додаванні невеликої кількості лугу (NаOH) рН також змінюється не значно, тому що луг реагує з оцтовою кислотою (реакція нейтралізації), внаслідок чого OH- - іони з'єднуються з іонами H+ з утворенням молекули H2O:
CH3COOH + NaOH ® H2O + CH3COONа
Дані процеси призводять до усунення рівноваги дисоціації у бік утворення нових іонів і цим відновлюють величинуpH.
Кожна із буферних сумішей характеризується певною концентрацією водневих іонів, яку буферна система прагне зберегти при додаванні до неї кислоти або лугу. Розглянемо, що визначаєрН буферного розчину.
а) суміш розчинів слабкої кислоти та її солі, утвореної сильною основою, наприклад,
СН3СООН + СН3СООНа - ацетатна буферна суміш
Обчислимо рН буферного розчину. Концентрація Н+ обчислюється виразом для константи дисоціації слабкої кислоти.
Відповідно до закону діючих мас константа дисоціації оцтової кислоти
У розчині кількість недисоційованих молекул визначається концентрацією кислоти, а кількість аніонів – концентрацією солі, оскільки вона є сильним електролітом. Отже, рівняння (2) набуде вигляду:
Логарифмуючи цей вислів і змінюючи знаки отримуємо
-lg[H+] = - lgKд+ lg[солі] – lg[кислоти] або
pH = рК + lg[солі] - lg[кислоти]
рК - силовий показник кислоти - негативний логарифм константи дисоціаціїслабкої кислоти(оцтової кислоти).
Ці розчини мають кислу реакцію (pH 7).
Тоді pН = рК + lg [солі] - lg [підстави]
де: рК - негативний логарифм константи дисоціаціїслабкої основи(NН4ОН).
в)суміш розчинів кислих та середніх солей:
NaHCO3 + Na2CO3 - карбонатний буферний розчин.
г)суміш розчинів кислих солей:
NaHPO4 + NaH2РО4 - фосфатний буферний розчин.
Отже,pHбуферного розчину залежить від співвідношення концентрацій його компонентів та від константи дисоціації слабкої кислоти або слабкої основи. Так як при розведенні буферного розчину відношення компонентів змінюється однаково, а константа дисоціації не залежить від концентрації, тоpHпри розведенні не змінюватиметься.
Здатність буферних розчинів зберігати постійну величину рН при додаванні до них кислот або лугів є обмеженою. Межі збереження постійного значенняpHпри додаванні сильної кислоти або сильної основи характеризує буферна ємність.
Буферною ємністю(В)називають таку кількість еквівалента речовини (N) сильної кислоти або сильної основи, яку потрібно додати до 1 л буферного розчину,щоб йогоpHзмінилося на одиницю
В =,
N- кількість еквівалента речовини сильної кислоти (або сильної основи);
рН1 - водневий показник до додавання сильної кислоти або основи;
рН2 – водневий показник після додавання сильної кислоти чи лугу.
Величина буферної ємності залежить від концентрації компонентів буферної суміші та відношення між цими концентраціями.
Буферна ємність тим вища, чим більша концентрація компонентів (кислоти та її солі або луги та її солі). Найбільшу буферну ємність має розчин з однаковою концентрацією компонентів.
Молоко, кров, клітинний сік рослин мають буферні властивості, що пов'язано з наявністю в них карбонатних, фосфатних і білкових буферних сумішей. Ґрунтові розчини також мають буферні властивості.