Тема 3. Кислотно-основное равновесие.

1. Логинов Н.Я., М.Н. Орлова Сб. задач и упр. по кач. ан. С. 64 - 65 N° 157, 158, 159, 164, 170, 173, 180. С. 72 - 74 N° 188, 193, 200.

2. Алексеев В.Н. С. 120 N° 13, 14, 15, 20, 22, 23.

3. Задачи и вопросы по аналит. химии (под ред. Васильева В.П.) С. 10 N° 1, 18, 29, 36, 38, 46, 53, 63. С. 16 -21 N° 1, 4, 6, 7, N° 83, 85, 92, 86, 106, 94.

Задача 1. Вывести формулу и рассчитать рН 0,01М раствора соляной кислоты.

Решение:

В растворе соляной кислоты диссоциация идёт нацело:

HCl → H⁺ + Cl^-,

Поэтому, а H⁺ ≈ [H⁺] = C_HCl = 0,01M.

рН = 2,0

Задача 2. Вывести формулу и рассчитать рН 0,01М раствора гидроксида калия. Аналогично, в растворе сильного основания

а OH^- ≈ [OH^-] = C_KOH,

рН = 12,0.

Подобные расчёты можно проводить лишь в том случае, если в растворе нет других источников протонов или ими можно пренебречь. Так, протонами, образующимися при диссоциации воды, можно пренебречь, если С HA(MOH) ≥ 1•10^-4 М, при меньшей концентрации кислоты (основания) диссоциацию воды надо учитывать.

Задача 3. Рассчитать рН 1,0•10^-8 М раствора соляной кислоты.

Решение:

Запишем уравнение электронейтральности:

[H⁺] = [Cl^-] + [OH^-]

Так как соляная кислота сильная, [Cl^-] = C_HCl,

Отсюда: KH₂O = [H+] [OH-] = [H+] ([H+] - C_HCl).

Отсюда: [H⁺]² ­­­­­­­– C_HCl [H⁺] – KH₂O = 0

[H⁺]² - 1,0•10^-8 [H⁺] - 1,0• 10^-14 = 0

pH = 6,98

Без учёта диссоциации воды получили бы неправильное значение 8,00.

Задача 4. Рассчитать рН 0,10М раствора уксусной кислоты.

Если степень диссоциации кислоты мала (h < 5%), то можно полагать, что равновесная концентрация недиссоциированной кислоты равна общей концентрации кислоты. В данной задаче

Решение:

В растворе уксусной кислоты устанавливается равновесие

CH₃COOH ↔ CH₃COO^- + H⁺

Отсюда, [H⁺] = √K CH₃COOH • C CH₃COOH

[H⁺] = √1,75•10^-5 • 1,0•10^-1 = 1,32•10^-3 M;

pH = -lg[H⁺] = 2,88.

Если h > 5%, необходимо учесть, что [HA] ≠ C_HA, и поэтому

Задача 5. Рассчитать рН 0,10М раствора фосфорной кислоты.

Решение:

Поскольку константы диссоциации фосфорной кислоты по стадиям значительно различаются:

К = 7,08•10^-3 К = 6,17•10^-8 К = 4,68•10^-13

то можно пренебречь диссоциацией фосфорной кислоты по второй и третьей стадии.

Оценим степень диссоциации фосфорной кислоты при концентрации 0,10М:

Следовательно, H₃PO₄ ≠ С H₃PO₄ , расчёт ведём по более точной формуле:

pH = 1,63.

Задача 6. Рассчитать рН 0,10М раствора аммиака.

Решение:

В растворе аммиака устанавливается равновесие:

NH₃ + H₂O ↔ NH₄⁺ + OH^-

Степень диссоциации в 1,0•10^-1 М водном растворе < 5%. Следовательно,

pH = 11,12.

Задача 7. Рассчитать рН 0,10М раствора ацетата натрия.

Решение:

В растворе ацетата устанавливается равновесие:

СH₃СOO^- + H₂O ↔ CH₃COOH + OH^-

П о справочнику находим КCH₃COOH = 1,75•10^-5 и рассчитываем К сопряжённого основания СН₃СОО^-:

Малое значение константы диссоциации указывает на то, что ацетатион - очень слабое основание. Расчёт [H⁺] проводится по той же формуле, что приведена для слабых оснований:

рН = 8,88.

Задача 8. Рассчитать рН 0,10М раствора цианида аммония.

Решение:

В растворе цианида аммония содержится донор протонов - ион аммония и акцептор протонов - цианид - ион:

NH₄⁺ + CN^- + H₂O ↔ NH₃•H₂O + HCN;

Следовательно, цианид аммония является амфолитом.

Из уравнений ионизации констант раствора аммиака и синильной кислоты находим концентрации продуктов протолиза:

Подставляем найденные выражения в уравнение К протолиза:

Сделаем подстановку:

[HCN] ≈ [NH₃] и [CN^-] = [NH₄⁺] = C NH₄CN

значение [HCN] в уравнение для К протолиза и, решая его относительно [H⁺], получим

В справочнике находим значение констант аммиака и синильной кислоты:

K NH₃ = 1,76•10^-5; K HCN = 6,20•10^-10 и подставляем их в формулу для расчёта [H⁺]:

рН = 9,22

Расчёт этот даёт приблизительные значения, так как К кислоты и основания значительно различаются.

Задача 9. Рассчитайте, как изменится рН, если к 1,0 л буферного раствора, состоящего из 0,010М уксусной кислоты и 0,010М ацетата натрия, прибавить 1,0•10^-2 моля соляной кислоты.

Решение:

Рассчитываем рН буферного раствора до добавления соляной кислоты:

рН = 4,75

При добавлении соляной кислоты концентрация кислоты увеличивается на добавленную величину, а концентрация сопряжённого основания (соли) - уменьшается:

C CH₃COOH = 0,010 + 0,001 = 0,011M

C CH₃COOH = 0,010 - 0,001 = 0,009M

Рассчитываем концентрацию [H⁺] при образовавшихся концентрациях кислоты и соли:

pH = 4,67

Таким образом, рН буферного раствора изменился незначительно.

Задача 10. В каких молярных соотношениях следует взять растворы солей дигидрофосфата и гидрофосфата калия, чтобы получить буферный раствор с рН = 6,00?

Решение:

По величине рН находим [H⁺]:

pH = -lg[H⁺] = 6,0; lg[H⁺] = -6,0

[H⁺] = 1,0•10^-6 M

В данной буферной смеси дигидрофосфат - ионы - кислота, гидрофосфат - ионы - сопряжённое основание. Поэтому для расчёта [H⁺] используем вторую константу фосфорной кислоты. K₂ H₃PO₄ = 6,2•10-8.

Следовательно, при соотношении концентрации дигидрофосфата и гидрофосфата калия, равном 16,1:1, рН буферного раствора будет равен 6,0.