1 курс / Химия / Основные_типы_химических_реакций_и_процессов_в_функционировании

3.Влияние рН. Для осадков гидроксидов и малорастворимых солей, в состав которых входят анионы слабых кислот, повышение кислотности раствора увеличивает их растворимость в воде. Расчеты позволяют определить растворимость соединений при определенном значении рН раствора, а так же вычислить рН, при котором возможно образование или растворение осадка.

4.Комплексообразование. На растворимость осадка может оказывать влияние образование растворимых комплексных соединений. В этом случае растворимость увеличивается в результате протекания конкурирующей реакции, например, в присутствии аммиака растворимость хлорида серебра растет

AgCl(тв)Ag++Cl-

Ag++2NH3 [ Ag(NH3)2]

Степень растворимости осадка будет определяться соотношением величины ПР осадка и Куст комплексного соединения.

Реакции осаждения лежат в основе метода осаждения, который широко применяют в аналитической химии для количественного определения фармацевтических препаратов. Метод осаждения используют также в клиническом анализе мочи, желудочного сока, крови, в санитарногигиенической практике – при анализе питьевых вод.

Ученые, изучая биологическую эволюцию, считают, что различная растворимость природных соединений элементов в воде оказала большое влияние на их содержание в живых организмах.

Между растворимостью соединений и токсическим действием ионов ряда элементов имеется тесная связь. Например, введение ионов Al3+ в организм вследствие образования малорастворимого фосфата алюминия приводит к рахиту.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что такое кислота и основание с точки зрения протонной теории Бренстеда?

2.Константа кислотности и основности. Связь между константой кислотности и константой основности.

3.Дайте определение рН и ионного произведения воды.

4.Какие соли подвергаются гидролизу? Что такое активная, потенциальная и общая кислотность? Как их определяют на практике?

5.При каких значениях рН желудочного сока имеет место пониженная кислотность?

6.От каких факторов зависит степень и константа гидролиза соли?

7.Константа растворимости. Факторы, влияющие на константу растворимости.

21

8.Условия образования и растворения осадков.

9.Какую биологическую роль играют процессы гидролиза в жизнедеятельности человека?

10.Каковы условия выпадения и растворения осадков?

Примеры решения задач

Задача 1. Гидролиз какой из перечисленных солей приводит к образованию сильных кислот? CuCl2, KCN, NaNO2, Na2SO4

Рещение: необходимо знать, что при гидролизе солей сильные кислоты образуются в том случае, если соль образована слабым основанием и сильной кислотой и гидролиз идет по катиону. Из перечисленных солей этому условию удовлетворяет соль CuCl2.

Ответ: CuCl2

Задача 2. Определите рН 0,1N раствора NH4OH, если α=1% или 0,01. Решение. 1. Определяем СОН- раствора NH4OH:

СОН-= α∙ Собщ=0,1∙0,01=0,001=10-3моль/л

2. Из выражения ионного произведения воды

СН+ ∙СОН-=1∙10-14 моль-ион/л, определяем СН+:

СН+=10-14/10-3=10-11моль/л

3. Определяем рН раствора NH4OH:

рН=-lgСН+=-lg 10-11 =11

Ответ: рН 0,1N раствора NH4OH равен 11.

Тесты для самоконтроля

ТЕСТ № 1 1. Степень диссоциации показывает:

а) число молекул электролита, распавшихся на ионы б) число моль электролита, распавшихся на ионы

в) концентрацию молекул электролита, оставшегося в растворе г) долю молекул электролита, распавшихся на ионы

2. Укажите выражение ионного произведения воды:

а) СН+ + СОН- = 10-14 моль-ион/л, б) СН+ ∙ СОН- = 10-7 моль-ион/л, в) СН+ ∙ СОН- = 10-14 моль-ион/л, г) СН+ - СОН- = 10-14 моль-ион/л.

3. рН раствора, в котором концентрация ионов Н+ равна 10-4 моль/л, равен а) 4, б) 10, в) 6, г) 8.

4.Водородный показатель рН представляет собой: а) показатель активности ионов ОН-;

б) отрицательный натуральный логарифм концентрации ионов Н+; в) отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов Н+; г) константу диссоциации кислот.

5.Потенциальная кислотность определяется концентрацией:

22

а) недиссоциированных молекул кислоты, б) свободных гидратированных ионов Н+, в) кислот в растворе, г) содержанием соляной кислоты

2.Потенциальная кислотность определяется концентрацией:

а) недиссоциированных молекул кислоты, б) свободных гидратированных ионов Н+, в) суммой кислот в растворе, г) содержанием соляной кислоты

3.Концентрация ионов водорода [Н+], если рН раствора равен 2,3: а) 1∙10-3 моль-ион/л, б) 5∙10-3 моль-ион/л, в) 5∙10-11 моль-ион/л, г) 1∙10-11 моль-ион/л,

4.Какая из перечисленных ниже солей создает в водном растворе среду с рН<7?

23

г) константу диссоциации кислот.

3. Закон разведения Оствальда справедлив для:

а) сильных электролитов, б) слабых электролитов, в) неэлектролитов, г) солей

4. рН в щелочной среде имеет значение:

а) более 7, б) менее 7, в) равен 7, г) равен 14

5. Укажите выражение ионного произведения воды:

а) СН+ + СОН- = 10-14 моль-ион/л, б) СН+ ∙ СОН- = 10-7 моль-ион/л, в) СН+ ∙ СОН- = 10-14 моль-ион/л, г) СН+ - СОН- = 10-14 моль-ион/л.

ТЕСТ № 5 1. рН раствора, в котором концентрация ионов Н+ равна 10-4 моль/л, равен

а) 4, б) 10, в) 6, г) 8.

2. Константа диссоциации не зависит от:

а) природы электролита, б) природы растворителя, в) температуры, г) концентрации.

3. рН в кислой среде принимает значения:

а) больше 14, б) больше 7, в) меньше 7, г) равно 7 4. Степень диссоциации показывает:

а) число молекул электролита, распавшихся на ионы, б) число моль электролита, распавшихся на ионы,

в) концентрацию молекул электролита, оставшегося в растворе,

Занятие 2. Растворы.

Цель занятия:

Освоить методы расчѐта для приготовления растворов разных концентраций, уметь приготовить раствор по заданию преподавателя.

Студент должен знать:

24

Свойства воды как универсального растворителя, понятие о растворах, классификация растворов, способы выражения концентраций, методы приготовления растворов.

Студент должен уметь:

Решать задачи, готовить растворы различной концентрации.

2.1. Вода. Свойства воды как растворителя.

Самым распространенным растворителем на земле является вода. Организмы животных и растений содержат от 50 до 90% воды. В организме человека вода составляет около 65% от массы тела. Большая часть воды в организме находится внутри клеток (70%), около 23% составляет межклеточная вода, а остальная (7%) находится внутри кровеносных сосудов и в составе плазмы крови. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. При продолжительности жизни 70 лет человек потребляет 25т воды.

Многие лекарственные средства представляют собой водные растворы веществ. Для их приготовления обычно используется дистиллированная вода. Эту воду получают путем кипячения воды и последующей конденсацией водяного пара; данный процесс называется перегонкой (дистилляцией), он позволяет очисть водопроводную воду от содержащихся

вней примесей.

Втабл. 2. приведены для сравнении физико-химические свойства воды других растворителей. Вследствие своих аномальных свойств вода - универсальный растворитель.

Прежде всего, вода хорошо растворяет ионные и многие полярные соединения. Такое свойство воды связано в значительной мере с ее диэлектрической проницаемостью (ε=78,5). Поскольку силы притяжения между ионами, согласно закону Кулона, меняются обратно пропорционально величине ε, притяжение между ионами уменьшается примерно в восемьдесят раз при растворений ионных соединений в воде. В результате многие ионные соединения диссоциируют и отличаются высокой растворимостью в воде.

Таблица 2. Физико - химические свойства растворителей.

Другой многочисленный класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает такие полярные органические соединения, как сахара, альдегиды, кетоны, спирты. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к образованию полярных связей с полярными функциональными группами этих веществ, например, с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом кислорода карбонильной группы альдегидов и кетонов.

Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Молекула воды образуется из двух атомов водорода и атома кислорода. Угол между связями составляет 104,5°. В результате ассиметрии в распределении электронов вокруг атома кислорода центр отрицательного электрического заряда (неподеленной пары) электронного облака не совпадает с центром положительного заряда атома кислорода. Это приводит к появлению большого электрического дипольного момента молекулы воды, определяющего ее полярные свойства и хорошую растворимость полярных и низкую растворимость неполярных веществ в воде.

Для воды характерно наличие ассоциатов – групп молекул, соединенных водородными связями. В зависимости от сродства к воде функциональные группы растворяемых частиц подразделяются на гидрофильные (притягивающие воду), легко сольватируемые водой,

гидрофобные (отталкивающие воду) и дифильные.

К гидрофильным группам относятся полярные функциональные группы: гдроксильная –ОН, амино – NH2, тиольная –SH, карбоксильная – СООН. К гидрофобным – неполярные группы, например, углеводородные радикалы: СН3– (СН2)n–, С6Н5–. К дифильным относят вещества (аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты), молекулы которых содержат как гидрофильные группы: –ОН, –SH, – NH2, СООН., так и гидрофобные группы: СН3– (СН2)n–, С6Н5–.

2.2. Растворы.

Растворы имеют большое значение как в медицине. Растворами являются плазма крови, спинно-мозговая жидкость, лимфа и.т.д. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии в организме, все биохимические реакции протекают в растворах. В связи с этим необходимо определять концентрации веществ в различных

26

биологических жидкостях и лекарственных препаратах. Для этого широко применяют метод титриметрического анализа, который изложен в следующем разделе.

Растворы - гомогенные (однородные) системы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия. Вещества, составляющие раствор, называют компонентами реакции. Растворителем считают тот компонент, который в растворе находится в том же агрегатном состоянии, что и до растворения. Например, в водном растворе глюкозы (твердое вещество) растворителем является вода.

По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

Классификация растворов. Растворы веществ с молекулярной массой меньше 5000г/моль называют растворами низкомолекулярных соединений (НМС), больше 5000 г/моль - растворы высокомолекулярных соединений

(ВМС).

По наличию или отсутствию электролитической диссоциации растворы НМС подразделяют на три класса - растворы электролитов, неэлектролитов.

Растворы электролитов - растворы диссоциирующих на ионы солей, кислот и оснований. Электропроводность растворов электролитов выше, чем растворителя. Например, растворы KNO3, НCl, KOH.

Растворы неэлектролитов - растворы веществ, практически не диссоциирующих в воде. Например, растворы сахарозы, глюкозы, мочевины. Электропроводность растворов неэлектролитов мало отличается от растворителя.

В лабораторной практике различают концентрированные растворы (содержание растворенного вещества соизмеримо с содержанием растворителя) и разбавленные растворы (содержание растворенного вещества мало по сравнению с содержанием растворителя).

Иногда растворы определяют как дисперсные системы. При этом растворитель, в котором распределено вещество, называется дисперсной средой, а частицы растворенного вещества - дисперсной фазой. По степени дисперсности различают:

Таким образом, если одно вещество диспергировать (разрушать) в другом, то, в зависимости от размера частиц диспергируемого вещества, можно получить системы трѐх типов:

27

I.Взвеси – это дисперсные системы, в которых размеры распределѐнных частиц сравнительно велики (10–7–10 –5 м). Взвеси делятся на суспезии и эмульсии; в первых распределѐнное вещество твѐрдое, во вторых – жидкое. Частицы взвесий видны простым глазом или в обычный оптический микроскоп. Взвеси – системы мутные и непрозрачные. Взвеси неустойчивы, частицы диспергированного вещества выпадают в осадок (песок + вода), а если плотность диспергированного вещества меньше плотности среды, то диспергированное вещество всплывает

(глина + масло). Процесс разделения взвесей называется седиментацией (для суспензий) и расслоением (для эмульсий).

II.Коллоидные системы – это такие дисперсные системы, в которых частицы распределѐнного вещества имеют размеры порядка 10–9–10–7 м. Каждая такая частица может содержать большое число атомов или молекул. Такие частицы невидимы через обычный микроскоп, но видимы в ультрамикроскоп, где свет падает сбоку или сзади, в результате чего в поле зрения видны светлые точки, возникающие в

результате рассеяния света диспергированными частицами.

III.Истинные растворы или просто растворы – это дисперсные системы, в

которых диспергированное вещество распределено в среде в виде молекул или ионов; частицы имеют размеры порядка 10–10–10–7 м. Растворы системы однородные, устойчивые.

2.3. Способы выражения концентрации растворов.

Количественной характеристикой раствора служит его концентрация, то есть количество растворенного вещества в определенном количестве раствора или растворителя. Различают массовую долю, молярную и нормальную концентрации. В аналитической химии наряду с общими химическими понятиями широко используют ряд таких понятий, которые присуще только ей и помогают характеризовать состав раствора. К ним относятся титр, эквивалент, титр по определяемому веществу. Рассмотрим каждый из способов определения концентрации вещества.

1.Массовая доля (ω) - отношение массы соответствующего компонента

врастворе к общей массе этого раствора. Выражается в единицах или процентах.

ω (х)=

Численно массовая доля равна числу граммов вещества, растворенного в 100г раствора.

2. Молярная концентрация (См) - отношение количества растворенного вещества к объему раствора. Численно (См) равна количеству молей растворенного вещества, содержащегося в 1 л. раствора). Выражается она в моль/л. Сокращенно пишут М. Например, 2М (NaOH).

28

См=

1моль/л = 1М раствор – одномолярный раствор (в 1 л раствора содержится 1 моль растворенного вещества);

0,1М – децимолярный раствор;

0,01М – сантимолярный раствор;

0,001М – милимолярный раствор.

3. Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, СN)- количество мольэквивалентов вещества, содержащегося в 1 л раствора.

СN=

Единица измерения моль-экв/л, Сокращенно обозначается буквой N. Например, 0.1N HCL означает, что в 1 литре такого раствора содержится 0,1мольэквивалент НСl.

Эквивалентом вещества называется такое количество его, которое взаимодействует с одним моль атомов водорода или вообще с одним эквивалентом любого другого ыещества. Обозначается эквивалент Э (Х), выражается в молях. Масса одного эквивалента вещества называется эквивалентной массой, обозначается Мэкв, выражается в г/моль-экв. Эквивалент в большинстве случаев – величина переменная и зависит от типа реакции.

Способы расчета Мэкв.

Понятие эквивалентов в окислительно-восстановительных реакциях то же, что в реакциях обмена. Однако способ расчета различен:

Закон эквивалентов предложен в 1814г. И.Рихтером: «Вещества взаимодействуют и получаются в массовых количествах прямо пропорционально их эквивалентам». Математическое выражение этого закона:

m1, m2- массы веществ, Э1, Э2- эквиваленты веществ.

Пропорция не изменится, если поменять местами m2 с Э1. Тогда получим

29

==

Следствие закона: Объемы реагирующих растворов обратно пропорциональны их нормальным и молярным концентрациям:

4. Титр (Т)- масса растворенного вещества, содержащаяся в 1 мл раствора, выраженная в граммах. Определятся по формуле:

Т= СN∙Мэкв/1000

Раствор с известным титром называется титрованным раствором.

2.4.Способы приготовления стандартных растворов.

1.Метод точной навески. Предполагает работу с растворами, которые не меняют свою молекулярную массу и объем при взаимодействии с воздухом. К таким веществам относятся щавелевая кислота, сода, бура

(Na2B4O7∙10H2O), бихромат калия и ряд других веществ. На аналитических весах (погрешность таких весов составляет 0,0002г) точно взвешивают вещество и переносят в мерную колбу для растворения, доводят до метки растворителем (водой) и тщательно перемешивают.

2.Фиксанальный метод. Предполагает приготовление растворов из фиксаналов. Фиксанал - ампула с сухим веществом или раствором с точно известной концентрацией. Фиксанал разбивают и переносят в колбу для растворения. Этот метод считается наиболее точным.

3.Метод приблизительной навески. Предполагает работу с растворами, которые меняют свою массу на воздухе, например, перманганат калия. Работать с такими растворами нельзя, поэтому перед применением их в качестве стандартных, необходимо оттитровать другим раствором с точно известной концентрацией.

4.Метод разбавления. Из раствора с точно известной концентрацией готовят разбавлением раствора другой концентрации. Концентрация полученного раствора зависит от концентрации исходного.

2.5.Посуда, применяемая в объемном анализе.

Вобъемном анализе применяется специальная мерная посуда: бюретки, пипетки и мерные колбы.

Бюретки. Это градуированные стеклянные трубки, приспособленные для отмеривания растворов небольшими порциями или отдельными каплями. Бюретка укрепляется вертикально в штативе, и отсчет делений ведется сверху вниз. Нижняя часть бюретки сужена и соединяется короткой

30