Уравнение диссоциации уксусной кислоты и ацетата натрия

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3/2004

§ 7.2. Слабые кислоты и основания

Если вы будете заниматься исследовательской работой, вам понадобится знание среды раствора и его рН. Сейчас вы познакомитесь с растворами слабых электролитов, узнаете, как рассчитать рН раствора, зная концентрацию соли и константу равновесия диссоциации слабого электролита.

Расчет концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов в растворах слабых кислот и слабых оснований несколько сложнее, чем расчет для сильных кислот и оснований (щелочей), и проводится с использованием констант их диссоциации.
Уксусная кислота – слабый электролит и в очень незначительной степени диссоциирует по уравнению:

Константа диссоциации (равновесия) К уксусной кислоты:

Учитывая, что в растворе уксусной кислоты концентрации ионов водорода и ацетат-ионов равны, т.е. [СН₃СОО – ] = [Н + ], а сама она – слабый электролит и поэтому в состоянии диссоциации находится лишь малая часть ее молекул, концентрацию непродиссоциировавших молекул СН₃СООН можно считать равной концентрации кислоты с_кисл. Тогда получаем:

Пример. Константа диссоциации уксусной кислоты (данные справочника) равна:
К_кисл = 1,86•10 –5 . Требуется рассчитать концентрацию ионов водорода и рН в 0,1М и 0,01М растворах уксусной кислоты.
Для 0,1М раствора имеем:

рН = –lg (1,36•10 –3 ) = 2,87.

Посмотрим, как скажется на концентрации ионов водорода и рН раствора разбавление в 10 раз.
Для 0,01М раствора имеем:

рН = –lg (4,31•10 –4 ) = 3,37.

Разбавление уксусной кислоты в 10 раз привело к понижению концентрации ионов водорода в 1,36•10 –3 /4,31•10 –4 = 3,1 раза, при этом рН повысился на 3,37 – 2,87 = 0,5 единицы рН.
Вспомните, как изменится концентрация ионов водорода и рН при разбавлении в 10 раз 0,1М раствора соляной кислоты.
Аналогично определяют концентрацию ионов водорода и рН раствора гидроксида аммония:

NH₄OH = + OH – ,

константа диссоциации которого равна К_осн = 1,79•10 –5 . Сначала рассчитывают концентрацию гидроксид-ионов:

и рОН. затем – концентрацию ионов водорода:

и определяют рН = 14 – рОН. В 0,01М растворе гидроксида аммония рН = 10,6. Проверьте.

Если в растворе сильной кислоты или сильного основания увеличить концентрацию одноименного иона введением соответствующей соли, например в раствор НСl или NаОН добавить хлорид натрия NаCl, то концентрации ионов водорода или гидроксид-ионов практически не изменяются. Если же такую операцию, т. е. увеличение концентрации одноименного иона, провести с раствором слабой кислоты или слабого основания, то наблюдается резкое изменение рН раствора.
Рассмотрим, как изменится рН раствора уксусной кислоты при введении в раствор ацетата натрия NаСН₃СОО, т. е. одноименного ацетат-иона СН₃СОО – .
Согласно принципу Ле Шателье равновесие реакции диссоциации

сместится влево в результате увеличения концентрации ацетат-ионов СН₃СОО – , образующихся при полной диссоциации ацетата натрия как сильного электролита. Такое смещение равновесия диссоциации уксусной кислоты означает уменьшение концентрации ионов водорода, т. е. увеличение рН раствора.

Пример. Рассчитать рН 0,01М раствора уксусной кислоты, содержащей 0,01 моль/л ацетата натрия NаСН₃СОО.
В выражении константы равновесия

концентрация ацетат-ионов определяется в основном концентрацией хорошо диссоциирующей соли NаСН₃СОО. Поэтому можно записать:

Из этого соотношения находим концентрацию ионов водорода:

Таким образом, в результате введения в 1 л 0,01М раствора уксусной кислоты 0,01 моль
NаСН₃СОО концентрация ионов водорода уменьшилась в 23 раза (4,31•10 –4 /1,86•10 –5 = 23), а значение рН возросло на 1,36 (4,73 – 3,37 = 1,36) единицы (значение рН = 3,37 из предыдущего примера).
Аналогично при введении в раствор слабого основания NН₄ОН хлорида аммония NH₄Cl положение равновесия диссоциации гидроксида аммония смещается в менее основную область и среда раствора становится более кислотной:

Следовательно, одноименный ион (за исключением иона водорода и гидроксид-иона), введенный в раствор слабой кислоты или слабого основания, изменяет рН таким образом, что среда раствора приближается к нейтральной. Одноименные ионы в такого типа системах ведут себя как нейтрализующие агенты: анион нейтрализует слабую кислоту, выполняя роль основания, а катион нейтрализует слабое основание, выполняя роль кислоты. Такое необычное, с нашей точки зрения, поведение веществ характерно для многих явлений природы, показывая нам всеобщую связь и взаимозависимость объектов окружающего нас мира и нас самих от него.

Please wait.

We are checking your browser. gomolog.ru

Why do I have to complete a CAPTCHA?

Completing the CAPTCHA proves you are a human and gives you temporary access to the web property.

What can I do to prevent this in the future?

If you are on a personal connection, like at home, you can run an anti-virus scan on your device to make sure it is not infected with malware.

If you are at an office or shared network, you can ask the network administrator to run a scan across the network looking for misconfigured or infected devices.

Another way to prevent getting this page in the future is to use Privacy Pass. You may need to download version 2.0 now from the Chrome Web Store.

Cloudflare Ray ID: 6e2ce7480dcffaa4 • Your IP : 85.95.188.35 • Performance & security by Cloudflare

Буферные растворы и буферное действие.

Как показывает опыт, разбавленные растворы сильных кислот и оснований, обладающие слабокислой или слабощелочной реак­цией, характеризуются непостоянством рН. Однако смесь, например, уксусной кислоты и ее соли CH₃COONa обладает способностью со­хранять постоянство рН. Можно к этой смеси добавить небольшое количество кислоты или щелочи, а также разбавить ее, но рН рас­твора при этом почти не изменится. Свойство растворов сохранять определенное значение рН называется буферным действием. Рас­творы, обладающие буферным действием, получили название буфер­ных растворов или буферных смесей.

Буферные растворы по своему составу бывают в основном двух типов. Они могут состоять из слабой кислоты и ее гидролитически щелочной соли и слабого основания и гидролитически кислой соли этого основания.

В качестве иллюстрации можно привести следующие буферные смеси:

Последний буфер, как видим, состоит из смеси двух солей, одна из которых — однозамещенная, вторая — двухзамещенная соль фосфорной кислоты. Причем первая соль (NaH₂PO₄) играет роль слабой кислоты. Буферным действием могут обладать растворы, состоящие из анионов разных слабых кислот, такие, как фосфатцитратный буфер Na₂НРО₄ + С_бН₈О₇.

Сущность буферного действия смеси слабой кислоты с ее солью можно рассмотреть на примере ацетатного буферного раствора. В этом растворе происходят следующие реакции электролитической диссоциации:

Поскольку степень диссоциации кислоты очень мала, в раство­ре преобладают ее недиссоциированные молекулы. Ацетат натрия, являясь сильным электролитом, диссоциирует полностью на ионы СН₃СОО — и ионы Na + . Таким образом, в ацетатной буферной сме­си присутствие в большом количестве анионов СН₃СОО — смещает равновесие при диссоциации уксусной кислоты в сторону образо­вания ее молекул. Причем диссоциация уксусной кислоты может быть настолько подавленной, что кислоту можно считать практи­чески недиссоциированной. В результате этого активная кислот­ность смеси очень мала. Добавление кислоты или щелочи к аце­татной смеси не вызывает существенного изменения концентрации водородных ионов в растворе. Так, при добавлении соляной кисло­ты к ацетатному буферу происходит реакция обменного разложе­ния с одним из компонентов смеси (CH₃COONa):

Как видим, сильная кислота в результате этой реакции заменя­ется эквивалентным количеством слабой кислоты. В соответствии с законом разбавления Оствальда увеличение концентра­ции уксусной кислоты понижает степень ее диссоциации, в резуль­тате чего концентрация ионов водорода в буферном растворе уве­личивается очень незначительно.

Так же незначительно изменяется рН буферного раствора при добавлении к нему небольшого количества щелочи. При этом ще­лочь реагирует с уксусной кислотой (реакция нейтрализации), в результате чего гидроксид-ионы связываются с ионами водорода с образованием молекул воды:

В конечном итоге этой реакции добавляемая

щелочь заменяет­ся эквивалентным количеством слабоосновной соли, которая влияет на реакцию среды в значительной меньшей степени, чем NaOH. Поскольку в результате этой реакции уксусная кислота расходу­ется, можно было бы ожидать значительного снижения содержа­ния ионов Н + . Однако вместо прореагировавших ионов кислоты Н+ и СН₃СОО — за счет потенциальной кислотности образуются новые ионы Н + и СН₃СОО — , и активная кислотность смеси (рН) почти не изменяется.

Как показывает опыт, каждая из буферных смесей характеризу­ется определенной концентрацией водородных ионов, которую бу­ферная система стремится сохранить при добавлении к ней кис­лоты или щелочи. Рассмотрим на примере ацетатной буферной смеси, что же определяет ее рН.

В соответствии с законом действующих масс константа диссо­циации уксусной кислоты

4.75

Это равенство справедливо для раствора, в котором содержит­ся только одна уксусная кислота. Как уже отмечалось, добавление к раствору уксусной кислоты ацетата натрия подавляет ее диссо­циацию, в результате чего концентрацию молекул недиссоциированной СН₃СООН можно без больших погрешностей принять рав­ной общей концентрации кислоты, т. е.

4.76

Учитывая, что соль CH₃COONa как сильный электролит в вод­ном растворе диссоциирована полностью, можно принять, что об­щая концентрация аниона СН₃СОО — практически равна аналити­ческой концентрации соли в данной буферной смеси, т. е.

4.77

Подставляя значения (4.76) и (4.77) в уравнение константы диссоциации (4.75), получим

4.78

Логарифмируя это выражение и меняя знаки, запишем:

—lg[H + ] = — lg K + lg[соль]—lg [кислота] или

4.79

где рК— отрицательный логарифм константы диссоциации уксус­ной кислоты.

Отметим, что уравнение (4.79) справедливо и для буферных растворов, состоящих из смеси слабого основания и гидролитиче­ски кислой соли. В этом случае уравнение будет иметь вид

4.80

где рК — отрицательный логарифм константы диссоциации слабого основания. Из приведенных уравнений следует, что рН буферного раствора зависит от величины константы диссоциации слабой кис­лоты или слабого основания, а также от соотношения концентраций компонентов буферных смесей.

Для приготовления буферных смесей с желаемым значением рН необходимо взять слабые кислоты или основания с соответствую­щими значениями констант диссоциации, а также подбирать опре­деленные соотношения компонентов.

На практике обычно пользуются готовыми таблицами, в которых указано, в каких отношениях должны быть взяты компоненты бу­ферных смесей для получения буферных растворов с желаемым значением рН.

Поскольку константа электролитической диссоциации К при данных условиях постоянна, рН буферного раствора будет зависеть только от отношения концентраций кислоты (или основания) и со­ли, взятых для приготовления буферной смеси, и не зависит от абсо­лютного значения этих концентраций. Поэтому при разбавлении бу­ферных растворов концентрация водородных ионов (рН) должна оставаться неизменной. Опыт показывает, что даже значительное раз­бавление буферных растворов в 10—20 раз и более мало отражает­ся на их рН.

Способность буферных растворов противодействовать резкому изменению рН при прибавлении к ним кислоты или щелочи являет­ся ограниченной. Буферная смесь поддерживает рН постоянным только при условии, что количество прибавляемых к раствору силь­ной кислоты или щелочи не превышает определенной величины. Превышение этого количества вызывает резкое изменение рН, т. е. буферное действие раствора прекращается.

Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной емкостью. Буферную емкость выражают количеством ве­щества эквивалента сильной кислоты или основания, которое следу­ет добавить к 1 м 3 буферного раствора, чтобы сместить рН на еди­ницу, т. е.

4.81

где В — буферная емкость, С — количество сильной кислоты или ос­нования, кмоль; рН₀— водородный показатель до добавления силь­ной кислоты или основания; pH₁ — водородный показатель после добавления кислоты или щелочи.

Величина буферной емкости зависит от концентрации компонен­тов буферной смеси и отношения между этими концентрациями.

Зная сущность механизма действия буферных систем, нетрудно догадаться, что наибольшей буферной емкостью обладают раство­ры, содержащие большие концентрации входящих в состав буфера компонентов, и растворы, составленные из компонентов, взятых в равных количествах. Влияние величины соотношения компонентов буферных смесей на их емкость связано с тем, что при равных ве­личинах числителя и знаменателя величина дроби наиболее устой­чива к изменению своего числового значения. Поэтому и величина соотношения компонентов, входящих в состав буфера, будет меньше подвержена изменениям.

Таким образом, буферные растворы обладают следующими свой­ствами:

1) концентрация водородных ионов буферных смесей мало зави­сит от разбавления;

2) добавление к буферным смесям небольших количеств (в преде­лах буферной емкости растворов) кислоты или щелочи мало изменя­ет рН;

3) величина буферной емкости зависит от концентрации компо­нентов буферной смеси и от отношения между этими компонентами.