Водородный показатель

Водные растворы различных соединений могут давать кислую, щелочную или нейтральную реакцию. Реакция среды зависит от соотношения концентраций ионов гидроксония и гидроксид–ионов в растворе.

Если концентрации этих ионов равны между собой, то есть [Н₃О⁺] = [ОН^-], то реакция среды нейтральная. Следовательно, вода принадлежит к типичным амфотерным соединениям, совмещающим кислотные и основные свойства, выраженные в одинаковой степени.

Если концентрация ионов гидроксония больше концентрации гидроксид–ионов, то есть [Н₃О⁺] > [ОН^-], то реакция среды становится кислой. Кислотность тем выше, чем больше концентрация ионов гидроксония. Если наоборот, концентрация ионов гидроксония меньше концентрации гидроксид–ионов, то есть [Н₃О⁺] < [ОН^-], то реакция среды становится щелочной. Следовательно, по значению концентрации этих ионов можно количественно охарактеризовать реакцию среды.

Кислотность или основность раствора можно выразить, взяв вместо концентрации ионов водорода ее десятичный логарифм. Чтобы избавиться от отрицательной степени в значении концентрации ионов водорода, предложено пользоваться отрицательным значением логарифма величины [Н⁺], названным водородным показателем или рН:

рН = -lg[Н⁺];

В практике принимается K_w = 10^-14 (22 °С), отсюда [Н⁺] = 10^-7 г-ион/л и рН = 7.

Соотношения между реакцией среды, концентрациями ионов и значением водородного показателя получаются следующие:

Нейтральная среда [Н₃О⁺] = [ОН^-] = 10^-7 г-ион/л, рН = 7.

Кислотная среда [Н₃О⁺] > [ОН^-] > 10^-7 г-ион/л, рН < 7.

Щелочная среда [Н₃О⁺] < [ОН^-] < 10^-7 г-ион/л, рН > 7.

Это можно представить в виде схемы:

Гидролиз – процесс взаимодействия ионов соли с водой, приводящий к образованию слабого электролита.

Если соль рассматривать как продукт взаимодействия кислоты с основанием, то в зависимости от их силы все соли можно разделить на четыре типа по приведенной схеме.

Таблица: 1

Соли первого типа гидролизу не подвергаются, так как при их взаимодействии с водой слабые электролиты не могут быть получены. В системе Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^- не нарушается равновесие. рН в растворах этих солей будет равно 7.

Рассмотрим гидролиз солей оставшихся трех типов. Соли, образованные многоосновными кислотами или многокислотными основаниями, гидролизируются ступенчато, переходя в первой фазе в кислотные или основные соли.

Гидролиз Na₂CO₃:

I ступень 2Na⁺ + CO₃^2- + HOH <=> Na⁺ + HCO₃^- + Na⁺ + OH^-

CO₃^2- + HOH <=> HCO₃^- + OH^-;

II ступень Na⁺ + HCO₃^- + HOH <=> H₂CO₃ + Na⁺ + OH^-

HCO₃^- + HOH <=> H₂CO₃ + OH^-.

При гидролизе Na₂CO₃ и других солей этого типа в растворе накапливаются ионы OH^-, сообщающие ему щелочную реакцию с рН > 7. Более сильно выражена первая ступень гидролиза, чем вторая.

Гидролиз ZnCl₂:

I ступень: Zn²⁺ + 2Cl^- + HOH <=> ZnOH⁺ + Cl^- + H⁺ + Cl^-

Zn²⁺ + HOH <=> ZnOH⁺ + H⁺;

II ступень: ZnOH⁺ + HOH + Cl^- <=> Zn(OH)₂ + H⁺ + Cl^-

ZnOH⁺ + HOH <=> Zn(OH)₂ + H⁺.

При гидролизе ZnCl₂ и других солей этого типа в растворе накапливаются ионы H⁺, сообщающие ему кислотную реакцию с рН < 7.

Гидролиз СН₃СООNH₄:

NH₄ + CH₃COO^- + HOH <=> NH₄OH + CH₃COOH.

Соли этого типа подвергаются гидролизу относительно легко. Реакция и рН раствора определяется относительной силой образующихся оснований и кислот. В рассматриваемом случае константы электролитической диссоциации NH₄OH и CH₃COOH при 25 ºС соответственно равны 1,79·10^-5 и 1,76·10^-5, а поэтому реакция раствора практически нейтральна (рН = 7).

Процесс гидролиза солей количественно может быть охарактеризован с помощью двух величин: степени гидролиза h, константы гидролиза К_гидр.

Степенью гидролиза называется отношение количества молекул соли, подвергшихся гидролизу, к общему количеству молекул соли в растворе.

Очевидно, степень гидролиза h может изменяться в следующих пределах:

гидролиз полный

отсутствует гидролиз

0 £ h £ 1 в долях единицы

0 £ h £ 100 в %

Константа гидролиза определяет состояние химического равновесия в растворе гидролизированной соли.

Например, для равновесного состояния I ступени гидролиза Na₂CO₃ и ZnCl₂ К_гидр выразится уравнениями:

.

В общем случае К_гидр изменяется в следующих пределах:

гидролиз полный

отсутствует гидролиз

0 £ К_гидр £ .

На состояние равновесия гидролиза сильно влияют различные факторы: главным образом концентрация воды в растворе и температура системы.

Как видно из общего уравнения гидролиза

соль + вода <=> основание + кислота

и уравнения константы гидролиза

увеличение концентрации воды (или изменение концентрации соли) в растворе в силу постоянства К_гидр смещает равновесие слева направо. Поэтому разбавленные растворы солей гидролизируются полнее и быстрее, чем концентрированные, и степень гидролиза возрастает с разбавлением раствора.

Изменение температуры также резко влияет на состояние гидролитического равновесия: при повышении температуры степень гидролиза увеличивается, что объясняется резким возрастанием ионного произведения воды.

Литература

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Химия, 1978. – С. 228-260.

2. Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в формулах определениях, схемах. – Мн.: Унiверсiтэцкае, 1996. – С. 121-136.

3. Воробьев В.К., Елисеев С.Ю., Врублевский А.В. Практические и самостоятельные работы по химии. – Мн.: УП «Донарит», 2005. – С. 52-65.

Тема 5. Основные классы неорганических соединений и типы

химических реакций

Рассматриваемые вопросы:

1. Основные классы неорганических соединений; кислоты, основание и соли.

2. Номенклатура неорганических соединений.

3. Основные типы химических реакций: реакции обменного разложения,

окислительно-восстановительные, экзо- и эндотермические,

каталитические, гомо- и гетеролитические.

4. Реакции окисления и восстановления. Степень окисления и валентность.

5. Важнейшие окислители, их место в периодической системе Д.И. Менделеева.

6. Окислительно-восстановительный эквивалент.

7. Методика составления уравнений окислительно-восстановительных реакций на основе метода электронного баланса.

Основные классы неорганических соединений: оксиды, кислоты,