Электролитическая диссоциация
Материалы портала onx.distant.ru
Примеры решения задач
Задачи для самостоятельного решения
Степень диссоциации
Вещества, которые в растворах или расплавах полностью или частично распадаются на ионы, называются электролитами.
Степень диссоциации α — это отношение числа молекул, распавшихся на ионы N′ к общему числу растворенных молекул N:
α = N′/N
Степень диссоциации выражают в процентах или в долях единицы. Если α =0, то диссоциация отсутствует и вещество не является электролитом. В случае если α =1, то электролит полностью распадается на ионы.
Классификация электролитов
Согласно современным представлениям теории растворов все электролиты делятся на два класса: ассоциированные (слабые) и неассоциированные (сильные) . Неассоциированные электролиты в разбавленных растворах практически полностью диссоциированы на ионы. Для этого класса электролитов a близко к единице (к 100 %). Неассоциированными электролитами являются, например, HCl, NaOH, K2SO4 в разбавленных водных растворах.
Ассоциированные электролиты подразделяются на три типа:
- Слабые электролиты существуют в растворах как в виде ионов, так и в виде недиссоциированных молекул. Примерами ассоциированных электролитов этой группы являются, в частности, Н2S, Н2SO3, СН3СOОН в водных растворах.
- Ионные ассоциаты образуются в растворах путем ассоциации простых ионов за счет электростатического взаимодействия. Ионные ассоциаты возникают в концентрированных растворах хорошо растворимых электролитов. В результате в растворе находятся как простые ионы, так и ионные ассоциаты. Например, в концентрированном водном растворе КCl образуются простые ионы К + , Cl — , а также возможно образование ионных пар (К + Cl — ), ионных тройников (K2Cl + , KCl2 — ) и ионных квадруполей (K2Cl2, KCl3 2- , K3Cl 2+ ).
- Комплексные соединения (как ионные, так и молекулярные), внутренняя сфера которых ступенчато диссоциирует на ионные и (или) молекулярные частицы.
Примеры комплексных ионов: [Cu(NH3)4] 2+ , [Fe(CN)6] 3+ , [Cr(H2O)3Cl2] + .
При таком подходе один и тот же электролит может относиться к различным типам в зависимости от концентрации раствора, вида растворителя и температуры. Подтверждением этому являются данные, приведенные в таблице.
Таблица. Характеристика растворов KI в различных растворителях
Концентрация электролита, С, моль/л | Температура t, о С | Растворитель | Тип электролита |
0,01 | 25 | Н2О | Неассоциированный (сильный) |
5 | 25 | Н2О | Ионный ассоциат |
0,001 | 25 | С6Н6 | Ассоциированный (слабый) |
Приближенно, для качественных рассуждений можно пользоваться устаревшим делением электролитов на сильные и слабые. Выделение группы электролитов “средней силы” не имеет смысла. Эти электролиты являются ассоциированными. К слабым электролитам обычно относят электролиты, степень диссоцииации которых мала α
Таким образом, к сильным электролитам относятся разбавленные водные растворы почти всех хорошо растворимых в воде солей, многие разбавленные водные растворы минеральных кислот (НСl, HBr, НNО3, НСlO4 и др.), разбавленные водные растворы гидроксидов щелочных металлов. К слабым электролитам принадлежат все органические кислоты в водных растворах, некоторые водные растворы неорганических кислот, например, H2S, HCN, H2CO3, HNO2, HСlO и др. К слабым электролитам относится и вода.
Диссоциация электролитов
Уравнение реакции диссоциации сильного электролита можно представить следующим образом. Между правой и левой частями уравнения реакции диссоциации сильного электролита ставится стрелка или знак равенства:
HCl → H + + Cl —
Допускается также ставить знак обратимости, однако в этом случае указывается направление, в котором смещается равновесие диссоциации, или указывается, что α≈1. Например:
NaOH → Na + + OH —
Диссоциация кислых и основных солей в разбавленных водных растворах протекает следующим образом:
NaHSO3 → Na + + HSO3 —
Анион кислой соли будет диссоциировать в незначительной степени, поскольку является ассоциированным электролитом:
HSO3 — → H + + SO3 2-
Аналогичным образом происходит диссоциация основных солей:
Mg(OH)Cl → MgOH + + Cl —
Катион основной соли подвергается дальнейшей диссоциации как слабый электролит:
MgOH + → Mg 2+ + OH —
Двойные соли в разбавленных водных растворах рассматриваются как неассоциированные электролиты:
Комплексные соединения в разбавленных водных растворах практически полностью диссоциируют на внешнюю и внутреннюю сферы:
В свою очередь, комплексный ион в незначительной степени подвергается дальнейшей диссоциации:
[Fe(CN)6] 3- → Fe 3+ + 6CN —
Константа диссоциации
При растворении слабого электролита К А в растворе установится равновесие:
КА ↔ К + + А —
которое количественно описывается величиной константы равновесия Кд, называемой константой диссоциации :
Kд = [К + ] · [А — ] /[КА] (2)
Константа диссоциации характеризует способность электролита диссоциировать на ионы. Чем больше константа диссоциации, тем больше ионов в растворе слабого электролита. Например, в растворе азотистой кислоты HNO2 ионов Н + больше, чем в растворе синильной кислоты HCN, поскольку К(HNO2) = 4,6·10 — 4 , а К(HCN) = 4,9·10 — 10 .
Для слабых I-I электролитов (HCN, HNO2, CH3COOH) величина константы диссоциации Кд связана со степенью диссоциации α и концентрацией электролита c уравнением Оствальда:
Кд = (α 2· с)/(1-α) (3)
Для практических расчетов при условии, что α
Кд = α 2· с (4)
Поскольку процесс диссоциации слабого электролита обратим, то к нему применим принцип Ле Шателье. В частности, добавление CH3COONa к водному раствору CH3COOH вызовет подавление собственной диссоциации уксусной кислоты и уменьшение концентрации протонов. Таким образом, добавление в раствор ассоциированного электролита веществ, содержащих одноименные ионы, уменьшает его степень диссоциации.
Следует отметить, что константа диссоциации слабого электролита связана с изменением энергии Гиббса в процессе диссоциации этого электролита соотношением:
ΔGT 0 = — RTlnKд (5)
Уравнение (5) используется для расчета констант диссоциации слабых электролитов по термодинамическим данным.
Примеры решения задач
Задача 1. Определите концентрацию ионов калия и фосфат-ионов в 0,025 М растворе K3PO4.
Решение. K3PO4 – сильный электролит и в водном растворе диссоциирует полностью:
Следовательно, концентрации ионов К + и РО4 3- равны соответственно 0,075М и 0,025М.
Задача 2. Определите степень диссоциации αд и концентрацию ионов ОН — (моль/л) в 0,03 М растворе NH3·H2О при 298 К, если при указанной температуре Кд(NH3·H2О) = 1,76× 10 — 5 .
Решение. Уравнение диссоциации электролита:
Концентрации ионов: [NH4 + ] = α С ; [OH — ] = α С , где С – исходная концентрация NH 3 ·H 2 О моль/л. Следовательно:
Kд = αС · αС /(1 — αС)
Кд ≈ α 2 С
Константа диссоциации зависит от температуры и от природы растворителя, но не зависит от концентрации растворов NH 3 ·H 2 О . Закон разбавления Оствальда выражает зависимость α слабого электролита от концентрации.
α = √( Кд / С) = √(1,76× 10 — 5 / 0,03 ) = 0,024 или 2,4 %
[OH — ] = αС, откуда [OH — ] = 2,4·10 — 2 ·0,03 = 7,2·10 -4 моль/л.
Задача 3. Определите константу диссоциации уксусной кислоты, если степень диссоциации CH3CОOH в 0,002 М растворе равна 9,4 %.
Решение. Уравнение диссоциации кислоты:
CH3CОOH → СН3СОО — + Н + .
α = [Н + ] / Сисх(CH3CОOH)
откуда [Н + ] = 9,4·10 — 2 ·0,002 = 1,88·10 -4 М.
Kд = [Н + ] 2 / Сисх(CH3CОOH)
Константу диссоциации можно также найти по формуле: Кд ≈ α 2 С .
Задача 4. Константа диссоциации HNO2 при 298К равна 4,6× 10 — 4 . Найдите концентрацию азотистой кислоты, при которой степень диссоциации HNO2 равна 5 %.
Решение.
Кд = α 2 С , откуда получаем С исх (HNO 2 ) = 4,6·10 — 4 /(5·10 — 2 ) 2 = 0,184 М.
Задача 5. На основе справочных данных рассчитайте константу диссоциации муравьиной кислоты при 298 К.
Решение. Уравнение диссоциации муравьиной кислоты
В “Кратком справочнике физико–химических величин” под редакцией А.А. Равделя и А.М. Пономаревой приведены значения энергий Гиббса образований ионов в растворе, а также гипотетически недиссоциированных молекул. Значения энергий Гиббса для муравьиной кислоты и ионов Н + и СООН — в водном растворе приведены ниже:
Вещество, ион | НСООН | Н + | СООН — |
ΔGT 0 , кДж/моль | — 373,0 | 0 | — 351,5 |
Изменение энергии Гиббса процесса диссоциации равно:
ΔGT 0 = — 351,5- (- 373,0) = 21,5 кДж/моль.
Для расчета константы диссоциации используем уравнение (5). Из этого уравнения получаем:
lnKд = — Δ GT 0 /RT= — 21500/(8,31 298) = — 8,68
Откуда находим: Kд = 1,7× 10 — 4 .
Задачи для самостоятельного решения
1. К сильным электролитам в разбавленных водных растворах относятся:
- СН3СOOH
- Na3PO4
- NaCN
- NH3
- C2H5OH
- HNO2
- HNO3
121.N2O3; Na2O | 126.SO2; CuO | 131.MnO; P2O5 | 136.N2O5; CuO |
122.SnO; P2O5 | 127.Cr2O3; Cl2O7 | 132.BaO; Mn2O7 | 137.P2O5; CoO |
123.SO3; CaO | 128.CoO; ZnO | 133.CdO; SnO | 138.PbO; MgO |
124.SiO2; NiO | 129.P2O3; FeO | 134.As2O5; CuO | 139.Cl2O7; MnO |
125.PbO; N2O5 | 130.Fe2O3; K2O | 135.Al2O3; SiO2 | 140.SO3; TiO |
Задания 141-160. Напишите для предложенных соединений уравнения диссоциации, а также в молекулярной и ионной формах уравнения возможных реакций взаимодействия их с H2SO4 и NaOH.
141.HCl; Cr(OH)3 | 151.Ca(OH)2; H3PO4 |
142.Cd(OH)2; H2S | 152.HNO3; Be(OH)2 |
143.Cu(OH)2; HBr | 153.H2Сr2O7; KOH |
144.H2SO3; Sn(OH)2 | 154.HCN; Ga(OH)3 |
145.H2SiO3; Pb(OH)2 | 155.KOH; H2CO3 |
146.CH3COOH; Fe(OH)3 | 156.HF; Be(OH)2 |
147.H2Se; Zn(OH)2 | 157.NH4OH; HClO4 |
148.Fe(OH)2; H3AsO3 | 158.Pb(OH)2; HNO2 |
149.RbOH; HI | 159.Mg(OH)2; HClO |
150.H2Te; Al(OH)3 | 160.Ga(OH)3; HMnO4 |
Задания 161-180. Напишите уравнения диссоциации солей и назовите их.
161.ZnCl2, MnOHCl, Ba(HSO3)2 | 171.Pb(HSO4)2, NH4NO3, CoOHCl |
162.K2HAsO3, AlOHCl2, Na2SO3 | 172.Al(OH)2NO3, Fe2(SO4)3, KHSe |
163.KHSO3, (PbOH)2SO4, CrBr3 | 173.CsHTe, Ca3(PO4)2, MnOHBr |
164.Fe(NO3)3, SnOHCl, NaHTe | 174.Mn(NO3)2, Bi(OH)2Cl, KHS |
165.NaHSe, CoOHNO3, MgCl2 | 175.Al2(SO4)3, CrOHCl2, KHSO3 |
166.CdOHBr, NiCl2, KH2PO4 | 176.NaHSe, NiOHNO3, ZnSO4 |
167.CaBr2, (SnOH)2SO4, K2HPO4. | 177.CrOHSO4, BaBr2, CsHSO3 |
168.BaCl2, Ca(HCO3)2, AlOHCl2 | 178.Cu(NO3 )2, CoOHCl, NaHS |
169.NiBr2, (CoOH)2SO4, KHCO3. | 179.FeCl2, NaH2AsO4, KCrO2 |
170.NiOHCl, NiBr2, NaH2PO4 | 180.AlOHBr2, Sr(HS)2, K2SO3 |
Задания 181-200. Напишите в молекулярной и ионной формах уравнения реакций для следующих превращений.
186.NiCl2 Ni(OH)2 NiOHCl NiCl2; Ba(HS)2 BaS
Гидролиз солей
Гидролиз солей – это процесс взаимодействия ионов соли с молекулами воды, приводящий к смещению ионного равновесия воды и изменению рН среды.
Гидролиз является обратимым процессом. В реакциях гидролиза участву-
ют ионы слабых электролитов: катионы слабых оснований и анионы слабых кислот. Причина гидролиза – образование слабодиссоциированных или труднорастворимых продуктов. Следствием гидролиза является нарушение равновесия в системе H2O H + + OH — ; в результате среда становится либо кислой (рН 7).
· Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой, подвергается гидролизу по аниону. Реакция среды щелочная (pH > 7). Первая ступень гидролиза: Na2CO3 + HOH NaHCO3 + NaOH; CO3 2 — + HOH HCO3 – + OH —
· Соль, образованная слабым основанием и сильной кислотой, подвергается гидролизу по катиону. Реакция среды кислая (pH 2+ + HOH CuOH + + H +
· Соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой, подвергается гидролизу по катиону и аниону. Характер среды определяется константами диссоциации образовавшихся слабых электролитов.
CH3COONH4 + HOH CH3COOH + NH4OH
CH3COO — + NH4 + + HOH CH3COOH + NH4OH
· При совместном гидролизе двух солей образуются слабое основание и слабая кислота: 2FeCl3 + 3Na2S +6H2O = 2Fe(OH)3 ¯ + 3H2S + 6NaCl
· Соль, образованная сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу
не подвергается, реакция среды нейтральная: KNO3 + HOH ¹
Ионы K + и NO3 — не образуют с водой слабодиссоциирующих продуктов (KOH и HNO3 – сильные электролиты).
Задания к подразделу 3.3
Задания 201-220. Напишите в молекулярной и ионной формах уравнения реакций гидролиза солей, укажите значения рН растворов этих солей (больше или меньше семи).
201.NaNO2, Cu(NO3)2 | 211.Na2HPO4, Mg(NO3)2 |
202.AlCl3, NaHCO3 | 212.Al2 (SO4)3, Na2SeO3 |
203.Na3PO4, ZnCl2 | 213.CuSO4, K3PO4 |
204.FeCl2, K2S | 214.Na2SO3, Fe2 (SO4)3 |
205.K2SO3, ZnSO4 | 215.NaCN, FeSO4 |
206.NH4Cl, KClO | 216.Ba(CH3COO)2, CoSO4 |
207.Na2Se, MnCl2 | 217.NiSO4, NaF |
208.ZnSO4, BaS | 218.Pb(NO3)2, Ba(NO2)2 |
209.Ni (NO3)2, KNO2 | 219.Cr2(SO4)3, Na CH3COO |
210.NH4Br, Na2S | 220.KHS, MgSO4 |
Задания 221-240. Напишите в молекулярной и ионной формах уравнения реакций совместного гидролиза предложенных солей.
Диссоциация кислот, оснований, амфотерных гидроксидов и солей в водных растворах
Кислоты — это электролиты, которые при диссоциации образуют только один вид катионов — катионы водорода Н + . Составим уравнение электролитической диссоциации сильных кислот: а) одноосновной азотной кислоты HNО3 и б) двухосновной серной кислоты H2SO4:
Число ступеней диссоциации зависит от основности слабой кислоты Нх(Ас), где х — основность кислоты.
Пример: Составим уравнения электролитической диссоциации слабой двухосновной угольной кислоты Н2СО3.
Первая ступень диссоциации (отщепление одного иона водорода Н + ):
Константа диссоциации по первой ступени:
Вторая ступень диссоциации (отщепление иона водорода Н + от сложного иона НСО3 — ):
Растворы кислот имеют некоторые общие свойства, которые, согласно теории электролитической диссоциации, объясняются присутствием в их растворах гидратированных ионов водорода Н + (Н3О + ).
Основания — это электролиты, которые при диссоциации образуют только один вид анионов — гидроксид-ионы ОН — .
Составим уравнение электролитической диссоциации однокислотного основания гидроксида калия КОН:
Сильное двухкислотное основание Ca(OH)2 диссоциирует так:
Слабые многокислотные основания диссоциируют ступенчато. Число ступеней диссоциации определяется кислотностью слабого основания Ме(ОН)у, где у — кислотность основания.
Составим уравнения электролитической диссоциации слабого двухкислотного основания — гидроксида железа (II) Fe(OH)2.
Первая ступень диссоциации (отщепляется один гидроксид-ион ОН — ):
Вторая ступень диссоциации (отщепляется гидроксид-ион ОН — от сложного катиона FeOH + ):
Основания имеют некоторые общие свойства. Общие свойства оснований обусловлены присутствием гидроксид-ионов ОН — .
Каждая ступень диссоциации слабых многоосновных кислот и слабых многокислотных оснований характеризуется определенной константой диссоциации: K1, K2, K3, причем K1 > K2 > K3. Это объясняется тем, что энергия, которая необходима для отрыва иона Н + или ОН — от нейтральной молекулы кислоты или основания, минимальна. При диссоциации по следующей ступени энергия увеличивается, потому что отрыв ионов происходит от противоположно заряженных частиц.
Амфотерные гидроксиды могут реагировать и с кислотами, и с основаниями. Теория электролитической диссоциации объясняет двойственные свойства амфотерных гидроксидов.
Амфотерные гидроксиды — это слабые электролиты, которые при диссоциации образуют одновременно катионы водорода Н + и гидроксид-анионы ОН — , т. е. диссоциируют по типу кислоты и по типу основания.
К амфотерным гидроксидам относятся Ве(ОН)2, Zn(OH)2, Sn(OH)2, Al(OH)3, Cr(OH)3 и другие. Амфотерным электролитом является также вода Н2O.
В амфотерных гидроксидах диссоциация по типу кислот и по типу оснований происходит потому, что прочность химических связей между атомами металла и кислорода (Ме—О) и между атомами кислорода и водорода (О—Н) почти одинаковая. Поэтому в водном растворе эти связи разрываются одновременно, и амфотерные гидроксиды при диссоциации образуют катионы Н + и анионы ОН — .
Составим уравнение электролитической диссоциации гидроксида цинка Zn(OH)2 без учета ее ступенчатого характера:
Нормальные соли — сильные электролиты, образующие при диссоциации катионы металла и анионы кислотного остатка.
Составим уравнения электролитической диссоциации нормальных солей: а) карбоната калия K2CO3, б) сульфата алюминия Al2(SO4)3:
Кислые соли — сильные электролиты, диссоциирующие на катион металла и сложный анион, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток.
Составим уравнения электролитической диссоциации кислой соли гидрокарбоната натрия NaHCО3.
Сложный анион НСО3 — (гидрокарбонат-ион) частично диссоциирует по уравнению:
Основные соли — электролиты, которые при диссоциации образуют анионы кислотного остатка и сложные катионы состоящие из атомов металла и гидроксогрупп ОН — .
Составим уравнение электролитической диссоциации основной соли Fe(OH)2Cl — дигидроксохлорида железа (III):
Сложный катион частично диссоциирует по уравнениям:
Для обеих ступеней диссоциации Fe(OH)2 + .
http://zdamsam.ru/a4265.html
http://al-himik.ru/dissociacija-kislot-osnovanij-amfoternyh-gidroksidov-i-solej-v-vodnyh-rastvorah/