Водородный показатель
Для определения характера водных растворов применяют особый показатель среды — рН раствора (от латинского «потенц» — показатель). рН может изменять свое значение от 0 до 14. В соответствии со значением его среда подразделяется на: кислую — рН < 7; нейтральную — рН = 7; щелочную рН > 14. Эти данные представлены в таблице 1 ниже.
Таблица 1 — Среда раствора и соответствующее значение рН в ней
| Кислая среда | Нейтральная среда | Щелочная среда |
| рН < 7 | рН = 7 | рН > 14 |
Под действием растворов кислот и щелочей индикаторы изменяют свой цвет. Наиболее известные и применяемые из них: лакмус, метилоранж, фенолфталеин. Изменение цвета данных индикаторов при действии растворов кислот и щелочей представлено в таблице 2 ниже.
Таблица 2 — Изменение цвета различных индикаторов при действии растворов кислот и щелочей
| Индикатор | Цвет индикаторов среде | ||
| кислой | нейтральной | щелочной | |
| Лакмус | Красный | Синий | Фиолетовый |
| Фенолфталеин | Бесцветный | Малиновый | Бесцветный |
| Метиловый оранжевый | Розовый | Желтый | Оранжевый |
С помощью индикаторов можно не только распознать кислоту или щелочь, но и определить кислотность среды, т.е. значение рН.
Кроме химических индикаторов существуют и природные индикаторы. Природными индикаторами являются виноградный и свекольный сок, отвар цветков ириса, сок вишни и т. д.
Для сравнения значения рН некоторых известных растворов представлено ниже в таблице 3.
Таблица 3 — Значение рН некоторых известных растворов
| желудочный сок | 1 |
| дистиллированная вода | 7 |
| раствор соды | 10 |
| апельсиновый сок | 3 |
| нашатырный спирт | 11 |
Как можно заметить из таблицы выше, растворы желудочного сока и апельсиновый сок имеют кислую среду, дистиллированная вода имеет нейтральную среду, а растворы соды и нашатырного спирта обладают щелочной средой.
Чистая вода является слабым электролитом и диссоциирует на ионы в очень маленьком количестве. Уравнение диссоциации воды можно представить в виде следующего уравнения:
H2O ⇄ H+ + OH—
Как можно увидеть, вода диссоциирует на катионы водорода и анионы гидроксид-остатка.
Концентрацию воды в этом случае можно не учитывать, тогда константа диссоциации равна произведению концентраций катионов водорода на гидроксид-анионы:
К=[H+][OH—]
Данное выражение называют ионным произведением воды. При температуре 25℃ значение К равно 10-14.
В чистой воде концентрации данных ионов равны, следовательно, верно следующее равенство:
[H+]=[OH—]=10-7 моль/л
Делаем вывод, что в нейтральных растворах количество ионов [H+] и [OH—] одинаково. В кислотных растворах соответственно больше будет ионов [H+], а в щелочных — ионов [OH—].
Вместо концентрации используется водородный показатель, чтобы описать кислотность среды, который равен:
рН=-lg[H+]
Таким образом, водородный показатель равен отрицательному логарифму концентрации катионов водорода в растворе.
Растворы, в которых концентрация ионов Н+ и ОН— одинакова, как в чистой воде, называются нейтральными; растворы, в которых преобладают ионы ОН— — щелочными; растворы, в которых преобладают ионы Н+ — кислотными.
Что касается солей, то они по-разному реагируют с водой, следовательно среда раствора в них может быть и кислой, и нейтральной, и щелочной. Это зависит от характера соли.
Реакции обмена между солями и водой относятся к реакциям гидролиза.
Нейтральными являются растворы солей, образованные сильным основанием и сильной кислотой, например NaCl, KNO3, BaCl2. Окраска фиолетового лакмуса в них не меняется.
Возьмем теперь раствор соли, образованной слабой кислотой и сильным основанием, например, раствор карбоната калия К2СО3 (соль образована слабой кислотой Н2СО3 и сильным основанием КОН). Лакмус в нем окрашивается в синий, а фенолфталеин — в малиновый цвет: раствор оказывается щелочным, в нем присутствуют в избытке гидроксид-ионы. К2СО3 — сильный электролит, он диссоциирует на катионы калия К+ и ионы кислотного остатка угольной кислоты СО32-:
К2СО3 ⇄ 2K+ + CO32-
Угольная кислота Н2СО3 относится к слабым кислотам. Это значит, что ионы водорода в ее молекулах прочно связаны с кислотным остатком и с трудом от него отщепляются. В таком случае ионам СО32- должно быть свойственно связывать ионы водорода. Они могут отнимать их от молекул воды:
СО32- + НОН ⇄ НСО3— + ОН—
В результате этого процесса из молекул воды освобождаются гидроксид-ионы. Они и придают раствору карбоната калия щелочную среду.
Гидролиз солей, образованных слабой кислотой и сильным основанием, заключается в присоединении ионами кислотного остатка ионов водорода от молекул воды с освобождением из них гидроксид-ионов.
Возьмем теперь раствор соли, образованной сильной кислотой и слабым основанием, например хлорид цинка ZnCl2 (соль образована сильной кислотой НСl и слабым основанием Zn(OH)2). Это означает, что раствор имеет низкий уровень pH и является кислотным. Ионы водорода преобладают в нем, что приводит к окрашиванию лакмуса в красный цвет и метилового оранжевого в розовый цвет. Соль диссоциирует на ионы цинка Zn2+ и хлора СІ—. Гидроксид-ионы прочно удерживаются ионами цинка и с трудом от них отщепляются, так как гидроксид цинка является слабым основанием. Тогда свободным ионам цинка в свою очередь будет характерно присоединять гидроксид-ионы, отнимая их даже от молекул воды.
Уравнение реакции гидролиза будет выглядеть следующим образом:
ZnCl2 ⇄ Zn2+ + СІ—
Zn2+ + HOH ⇄ ZnOH— + H+
При таком взаимодействии из молекул воды освобождаются ионы водорода, они и обеспечивают кислую среду раствора.
Гидролиз солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой, заключается в присоединении ионами металла гидроксид-ионов от молекул воды с освобождением из них ионов водорода.
Проведем еще один эксперимент, полученный предварительно, сульфид алюминия Al2S3 поместим в воду. Мы заметим, что на наших глазах происходит удивительное превращение — соль разлагается водой полностью. Под действием воды она разложилась на белый нерастворимый осадок Аl(OH)3 и выделился газ с запахом тухлых яиц — H2S. Что же произошло в данной реакции соли с водой? Уравнение реакции полного гидролиза сульфида алюминия выглядит следующим образом:
Al2S3 + 6HOH = 2Al(OH)3 + 3H2S↑
Такие соли обозначены в таблице растворимости кислот, оснований, солей специальным значком, обозначающим, что такая соль в воде не существует, так как разлагается водой.
Гидролиз солей, образованных слабым основанием и слабой кислотой, заключается в полном необратимом разложении такой соли водой.
Задания для самопроверки:
Задание 1
Вещества, которые под действием растворов кислот и щелочей способны менять свой цвет:
А) рН-метры
В) индикаторы
С) колориметры
D) соли
Е) спирты
Задание 2
Индикатор фенолфталеин в среде раствора Ba(OH)2 будет иметь окраску:
А) фиолетовую
В) зеленую
С) красную
D) малиновую
Е) бесцветную
Задание 3
Раствор какого соединения будет иметь кислую среду:
А) Na2CO3
В) Ca(OH)2
С) H2SO3
D) MgCl2
Е) NH4OH
Задание 4
Формула для нахождения водородного показателя:
А) рН=lg[H+][ОH—]
В) рН=-lg[ОH—]
С) рН=lg[ОH—]
D) рН=lg[H+]
Е) рН=-lg[H+]
Задание 5
Щелочную среду имеет раствор:
А) NH4Сl
В) LiNO3
С) H2S
D) ZnCO3
Е) BaCl2
Ответы:
1 – B, 2 – D, 3 – C, 4 – E, 5 – A.
Загрузка...