Понятие об активности ионов

Сильные электорлиты не подчиняются закону действующих масс, для учета межионных сил в растворах сильных электролитов пользуются понятием активная концентрация или активность.

Активностью иона называется их концентрация, согласно которой они действуют в химических реакциях. Активность иона вычисляется по формуле:

а = f·C ,

где f – коэффициент активности иона, учитывающий взаимодействие данного иона с окружающей средой; С – молярная концентрация раствора, моль/л.

Отсюда:

f = а /C

Коэффициенты активности ионов зависят от ионной силы раствора, которая определяется концентрацией всех ионов, присутствующих в растворе. Ионная сила раствора равна полусумме произведений концентраций всех присутствующих в растворе ионов на квадраты их зарядов:

I = ½ΣC_iZ_i²,

где C_i - концентрации всех присутствующих ионов в растворе, моль/л; Z_i – заряды всех присутствующих ионов в растворе. Определение ионной силы раствора необходимо для проведения биологических исследований. Например, при изучении действия, каких либо лекарственных препаратов на организм, растворы этих препаратов следует готовить одинаковой ионной силы. Такие сильные электролиты, как хлориды натрия, калия, кальция, магния и др., содержатся в крови и лимфе органов и тканей животных. Ионная сила крови животных примерно равна 0,15.

Произведение растворимости электролитов

Произведение растворимости (ПР или К_s⁰). – постоянная величина при данной температуре – представляет собой произведение концентраций ионов в насыщенном растворе малорастворимого электролита.

В отличие от слабых электролитов растворение сильных электролитов сопровождается электролитической диссоциацией при любой концентрации вещества в растворе. В насыщенном растворе малорастворимого сильного электролита между твердой фазой и раствором устанавливается равновесие:

АmBn↓ ↔ mА⁺ + nB^-

которому соответствует константа равновесия:

Знаменатель формулы представлен равновесной концентрацией вещества в твердой фазе, которая является постоянной величиной при данной температуре. Отсюда и числитель правой части приведенного уравнения тоже есть величина постоянная и называется произведением растворимости (ПР или К_s⁰):

Для хорошо растворимых сильных электролитов в выражении произведения растворимости вместо молярных концентраций ионов записывают активности ионов.

Произведение растворимости сильного электролита АmBn связано с растворимостью S соотношением:

= S^(n+m)

Отрицательный десятичный логарифм произведения растворимости называется показателем произведения растворимости (рKs⁰):

р - lg( )

Примеры решения задач

Задача 1. Вычислить произведение растворимости AgCl, если растворимость его в воде при 25⁰С составляет 0,0018 г/л.

Решение. Переведем значение растворимости 0,0018 г/л в моль/л делением на молярную массу:

М(AgCl) = 108 + 35,5 143,5 г/моль

0,0018/143,5 = моль/л

Электролит диссоциирует по уравнению:

AgCl ↔ Ag⁺ + Cl^-

Так как соль малорастворимая, то концентрация ее в растворе незначительна, следовательно, она диссоциирована на 100% (α = 100%).

Если 1 моль/л AgCl образует, как видно из уравнения диссоциации, 1 моль/л Ag⁺ и 1 моль/л Cl^-, то моль/л образуют моль/л Ag⁺ и моль/л Cl^-, т.е.:

[Ag⁺] = [Cl^-] = моль/л;

Ks⁰ _AgCl =

Задача 2. Растворимость Mg(ОН)₂ при некоторой температуре равна 0,012 г/л. Определите Ks⁰ .

Решение. Вычислим растворимость:

Диссоциация электролита:

Mg(ОН)₂ ↔ Mg²⁺ + 2 ОН^-

Отсюда: [Mg²⁺] = [Mg(ОН)₂] = моль/л.

Так как из молекулы Mg(ОН)₂ образуется 2 иона ОН^-, то:

[ОН^-] = 2 Mg(ОН)₂ =

Задача 3. Произведение растворимости PbSО₄ равно . Вычислить: а) концентрацию ионов Pb²⁺ и SО₄^2-; б) растворимость PbSО₄.

Решение. Уравнение диссоциации:

PbSО₄ ↔ Pb²⁺ + SО₄^2-, α = 100%.

В этом случае:

[Pb²⁺] = [SО₄^2-];

K_s⁰ = [Pb²⁺]·[SО₄^2-] = [Pb²⁺]² = ;

[Pb²⁺] = моль/л

Аналогично находим:

[SО₄^2-] = и [SО₄^2-] = моль/л

По концентрации ионов (при α = 100%) заключаем, что количество PbSО₄ в растворе равно также моль/л. Это и есть растворимость PbSО₄ в моль/л. Однако растворимость часто выражают числом граммов вещества, содержащегося в 100 г раствора. Поэтому необходимо вычисленную молярную концентрацию умножить на молярную массу PbSО₄ и разделить на 10, т.е.:

S = ,

и получим растворимость PbSО₄ (в граммах) в 100 г раствора.

Задача 4. Вычислить степень диссоциации гидроксида аммония в 0,1 М растворе.

Решение. В таблице 2 Приложения находим константу электролитической диссоциации NН₄ОН - К и исходя из закона Оствальда рассчитываем α:

, или 1,34%

Задача 5. Константа диссоциации азотистой кислоты К . При какой концентрации степень диссоциации этой кислоты достигнет 20%?

Решение. Неизвестную концентрацию НNО₂ обозначим через х, тогда:

;

.

Далее: ;

; ;

Задача 6. Степень диссоциации уксусной кислоты в 0,1 М растворе равна . Найти константу диссоциации кислоты и значение рК.

Решение. Подставим данные задачи в уравнение закона разбавления Оствальда:

Откуда: рК

Расчет по приближенной формуле:

приводит к близкому значению К:

откуда рК = 4,76.

Задача 7. Константа диссоциации циановодорода (синильной кислоты) равна . Найти степень диссоциации НСN в 0,001 М растворе.

Решение. Поскольку константа диссоциации НСN очень мала, то для расчета можно воспользоваться приблеженной формулой:

Задача 8. Вычислить концентрацию ионов водорода в 0,1 М растворе хлорноватистой кислоты НОСl ( ).

Решение. Найдем степень диссоциации НОСl:

Отсюда: моль/л.

Задачу можно решить и другим способом, воспользовавшись соотношением:

Тогда:

моль/л.

Цель работы. Ознакомление с основными свойствами разбавленных растворов электролитов, основными типами реакций ионного обмена. Приборы и оборудование: прибор для определения электропроводности растворов, штативы с пробирками, градуированная пробирка, шпатели, пробиркодержатели, спиртовки, химические стаканы, фильтровальная бумага, пипетки.

Реактивы и растворы: сахар (сухой), раствор и порошок хлорида натрия, 5%-ные растворы серной кислоты H₂SO₄, едкого натра NaOH, сульфата меди CuSO₄, раствор хлорида бария BaCI₂, хлорид аммония NH₄CI (кристаллический), 5%-ный раствор азотной кислоты HNO₃, 10%-ный раствор гидроксида калия KOH, фенолфталеин, раствор аммиака NH₄OH, 5% -ный раствор медного купороса CuSO₄·5H₂O.