Понятие о рН (водородном показателе)

Водаочень слабый электролит: при обычных условиях лишь одна молекула воды из 10 000 000 распадается на ионы:

Н₂О Н⁺ + ОН^–.

Это уравнение показывает, что при диссоциации 1 моль молекул воды образуется 1 моль ионов водорода Н⁺ и 1 моль гидроксид-анионов ОН^–. Другими словами, в чистой воде концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид-анионов:

[Н⁺] = [OH^–] = 10^–7 моль/л,

где [Н⁺]концентрация ионов водорода, моль/л; [OH^–] – концентрация гидроксид-анионов, моль/л. Такой раствор (среда) называется «нейтральный».

Расчеты показывают, что произведение концентраций этих ионов есть величина постоянная:

[Н⁺]•[OH^–] = const = 10^–14.

Поэтому уменьшение концентрации ионов водорода влечет за собой увеличение концентрации гидроксид-анионов, и наоборот.

Пусть, например, к чистой воде добавили кислоту, т.е. увеличили концентрацию ионов водорода. Теперь эта концентрация составит, например: 10^–6 моль/л или 10^–2 моль/л. Такая среда (раствор) называется «кислая», или «кислотная».

Характер средыкислый, нейтральныйможно оценить количественно при помощи рН («пэ-аш»).

Водородный показатель рН равен логарифму концентрации ионов водорода, взятому с обратным знаком:

рН = –lg[H⁺].

Для нейтральной среды:

Для кислой среды:

т.е. рН < 7.

Причем в первом случае (рН = 6) среда считается слабокислой, а во втором (рН = 2)сильнокислой. Значение рН можно измерять и с большей точностью (например, рН = 5,36).

Теперь предположим, что к чистой воде была добавлена щелочь, т. е. увеличена концентрация ионов ОН^–. Пусть эта концентрация составит 10^–5 моль/л или 10^–3 моль/л.

Помня, что [OH^–]•[H⁺] = 10^–14, имеем:

[H⁺] = = 10^–9, рН = 9;

[H⁺] = = 10^–11, рН = 11, т. е. рН > 7.

П о м н и т е!

рН = 7среда нейтральная, рН < 7среда кислая, рН > 7среда щелочная.

Задание 6.9. Определите характер среды, т.е. ее рН, если:

а) [Н⁺] равна (в моль/л): 0,01; 10^–8; 10^–4;

б) [ОН^–] равна (в моль/л): 10^–9; 10^–1; 0,001.

В о п р о с. Как можно определить реакцию среды опытным путем?

О т в е т. Реакцию среды можно определить с помощью специальных реактивов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее часто используемым индикатором является лакмус, который в щелочной среде приобретает синюю окраску, а в кислойкрасную.

Задание 6.10. Какую окраску будет иметь индикатор лакмус, если:

а) рН < 7;

б) [Н⁺] = 10^–4 моль/л;

в) в растворе есть избыток ОН^–;

г) рН = 7;

д) [ОН^–] = 10^–8 моль/л;

е) в растворе есть НNО₃;

ж) [ОН^–] = 0,1 моль/л.

Гидролиз солей

Попробуйте ответить на вопрос: изменится ли окраска лакмуса в растворе серной кислоты, гидроксида натрия, сульфата натрия, карбоната натрия? В первых двух случаях можно уверенно сказать «да», т.к. при диссоциации образуются ионы водорода или гидроксид-анионы:

H₂SO₄ 2H⁺ + ,

NaOH 2Na⁺ + OH^–.

А индикаторы реагируют именно на избыток ионов Н⁺ или ОН^–. Но при диссоциации упомянутых солей ионы Н⁺ и ОН^– не образуются:

Na₂SO₄ 2Na⁺ + ,

Na₂CO₃ 2Na⁺ + .

Тем не менее раствор карбоната натрия изменяет окраску индикатора, а сульфата нат- риянет! Почему? Видимо, причина в том, что ионы карбоната натрия вступают в какую-то реакцию с молекулами воды, ведь только из молекулы воды может образоваться избыток Н⁺ или ОН^–.

Гидролиз солейэто процесс взаимодействия ионов соли с молекулами воды, в результате чего изменяется рН раствора.

Какой ион карбоната натрия реагирует с водой? Предположим, что оба. Тогда в растворе происходят процессы:

Na⁺ + HOH NaOH + H⁺, (А)

+ HOH + OH^–. (Б)

Вспомните, что такое «сильный электролит», «слабый электролит» и ответьте на вопрос: какой из этих процессов (А или Б) невозможен в растворе?

Очевидно, невозможен процесс (А), т.к. молекул сильного электролита NаОН в растворе нет, есть только ионы Na⁺ и ОН^–.

Следовательно, происходит процесс (Б), и краткое ионно-молекулярное уравнение гидролиза карбоната натрия выглядит так:

рН > 7, среда щелочная, лакмус синий.

И действительно, лакмус становится синим в растворе карбоната натрия. Почему именно карбонат-анион вступает в реакцию гидролиза? Потому что это ион, соответствующий слабому электролиту, и в результате его взаимодействия с водой образуется слабый электролит (вспомните условия протекания ионных процессов).

В ы в о д. Гидролизу подвергаются соли, содержащие остаток слабого электролита.

Например:

гидролиз не идет, т.к. соль образована двумя сильными электролитами;

 

гидролиз происходит, т.к. в состав соли входит остаток слабого электролита HNO2;

 

гидролиз происходит, т.к. в состав соли входит остаток слабого электролита Al(OH)3.

Задание 6.11. Определите, происходит ли гидролиз в растворах хлорида железа(III), силиката натрия, нитрата калия. Ответ поясните.

Алгоритм составления уравнения реакции гидролиза

1. Определить, какие электролиты образуют соль, отметить их силу:

2. Составить уравнение диссоциации соли, подчеркнуть ион, соответствующий слабому электролиту:

CrCl₃ Cr ³⁺ + 3Cl^–.

3. Для иона слабого электролита составить уравнение реакции взаимодействия с молекулой воды (уравнение гидролиза):

а) Из молекулы воды притягивается противоположно заряженный ион, в данном случае ОН^–;

б) сумма зарядов до и после реакции равна: (3+) = (2+) + (1+).

4. Определить реакцию среды в образовавшемся растворе: в данном случае образовались ионы Н⁺– значит, среда кислая, рН < 7.

Задание 6.12. Составить уравнения реакций гидролиза для сульфата алюминия, силиката калия, хлорида натрия, нитрата меди(II), сульфида калия.

Задание 6.13. Как при помощи лакмуса различить бесцветные растворы солей: нитрата свинца(II), сульфата калия, сульфида натрия?

Упражнения к главе 6

1. По каким признакам вещества делят на электролиты и неэлектролиты; сильные и слабые электролиты? Приведите примеры веществ каждого типа.

2. Какие вещества относятся к кислотам? Какие ионы характерны для растворов любых кислот? Ответ подтвердить, составив уравнения электролитической диссоциации серной, фосфорной и азотной кислот.

3. Какие вещества относятся к щелочам? Какие ионы характерны для растворов всех щелочей? Ответ подтвердить, составив уравнения электролитической диссоциации гидроксидов калия, кальция и аммония.

4. Какие вещества относятся к солям? Существуют ли ионы, которые характерны для растворов любых солей? Ответ подтвердить, составив уравнения электролитической диссоциации карбоната натрия, нитрата аммония, хлорида бария, сульфата железа (III).

5. Одинаковый ли цвет приобретет лакмус, если его добавить к растворам:

– перечисленных в задании 2 кислот;

– перечисленных в задании 3 щелочей;

– перечисленных в задании 4 солей?

Почему? Ответ подтвердить составлением необходимых уравнений реакций.

6. Какие признаки помогают установить, что реакция ионного обмена возможна (идет до конца)? Ответ подтвердить, составив уравнения следующих процессов:

а) гидроксид бария + хлорид аммония ...;

б) нитрат алюминия + гидроксид калия ...;

в) карбонат кальция + азотная кислота ...;

г) сульфат меди + фосфат натрия ...;

д) хлорид железа(II) + нитрат натрия ....

7. По кратким ионно-молекулярным уравнениям составить молекулярные уравнения реакций:

а) Cu²⁺ + 2OH^– Cu(OH)₂;

б) Fe(OH)₃ + 3H⁺ Fe³⁺ + 3H₂O;

в) 3Mg²⁺ + 2 Mg₃(PO₄)₂;

г) H⁺ + OH^– H₂O.

Какой из предложенных процессов соответствует реакции нейтрализации?

8. Какие из перечисленных ниже веществ, попадая в воду, изменяют окраску индикатора: сернистый газ, аммиак, натрий, сульфат цинка, поваренная соль, негашеная известь, стиральная сода, железо. Почему? Ответ подтвердить составлением необходимых уравнений реакций.