Судың диссоциациялануы. Судың иондық көбейтіндісі. Сутектік, гидроксидтік көрсеткіштер: рН, рОН. Ерігіштік көбейтіндісі


Су әлсіз электролит, электр тоғын нашар өткізеді, тек аздап қана диссоциацияға түседі: 2Н2О H3О+ + OH- не Н2О H+ + OH- деп жазады. Судың электр өткізгіштігін өлшеу арқылы сутек- және гидроксид- иондарының концентрациясы 10-7моль/л екендігі анықталған. Тепе-теңдікке келген жүйе үшін әрекеттесуші массалар заңын пайдаланып, диссоциация константасын жазуға болады: К = [H+]× [OH-]/[H2O] = 1,8×10-16 екендігі 22°С температурада анықталған. Судың диссоциациялануы өте нашар болғандықтан,

[H+]× [OH-] = [H2O]×1,8×10-16 деп жазуға болады, себебі су концентрациясы өзгермейді деп қараса, осыдан [H+]×[OH-] = Ксу судың иондық көбейтіндісі. Температура өзгермесе бұл шама Ксу = [H+]×[OH-] = 10-7 × 10-7, яғни 10-14 болады не 1литр суда 1000:18 = 55,56моль болғандықтан:

[H+]×[OH-] = [H2O]×К = 55,56×1,8×10-16 = 10-14

Су – бейтарап зат. Сондықтан сутек және гидроксид иондарының концентрациялары бірдей, әрқайсысы 10-7г-ион/л тең. Қышқыл ерітінділерде сутек иондары көбірек, сілтілік ерітінділерде гидроксид иондары көбірек; бірақ ерітіндіде қышқыл не сілті болсын бәрібір H+ және OH- иондары концентрацияларының көбейтіндісі әрдайым тұрақты болады.

Егер, мысалы, таза суға қышқыл қосып сутек иондарының концентрациясын 10-3моль/л дейін көтерсе, гидроксид иондарының концентрациясы кемиді, өйткені [H+][OH-] көбейтіндісі 10-14 өзгермейді. Демек, бұл ерітіндіде гидроксид иондарының концентрациясы

[OH-] = 10-14/10-3 = 10-11моль/л болады.

Керісінше, ерітіндіге сілті қосып гидроксид иондарының концентрациясын 10-5 дейін көтерсе, онда сутек иондарының концентрациясы

[H+] = 10-14/10-5 = 10-9 моль/л болады.

Сутектік, гидроксидтік көрсеткіш. Ерітіндінің қышқылдығын не сілтілігін жоғарыда қолданғандай теріс мәнді көрсеткіші бар сандармен жазғанда, жұмыс кезінде ыңғайсыз, қиындық туғызады, сондықтан оларды сутек иондарының, не гидроксид иондарының теріс таңбамен алынған ондық логарифмдерімен көрсетеді. Ол сутектік не гидроксидтік көрсеткіш деп аталып, рН, рОН арқылы белгіленеді:

рН = − lg [H+]; рОН = − lg [ОH-].

Мысалы, егер [H+] = 10-3моль/л болса, рН= 3; егер [H+] = 10-10моль/л болса, онда рН = 10 т.с.с., осылай болғандықтан нейтрал (бейтарап) ерітіндіде рН = 7 болады, қышқыл ерітіндіде рН < 7, ал сілтілі ерітіндіде рН > 7.

Сонда рН + рОН = 14 болады.

Ерітіндінің рН-ын білу химиялық зерттеу жұмыстарында, әр түрлі өндірістік процестерде, тірі организмдерде жүретін құбылыстарды түсіндіруде өте керек. Көпшілік жағдайларда рН-тің дәл мәнін емес, ерітіндінің реакциясы (ортасы) қандай, қышқыл не сілтілік пе – соны сапалық түрде білу жеткілікті, ол үшін индикатор деп аталатын арнаулы реактивтерді қолданады. Сонда индикаторлар сутегі не гидроксид иондары концентрациясына байланысты түстерін өзгертеді. Жиі қолданылатын индикаторлар: фенолфталеин, лакмус, метилоранж, метилқызыл.

Ерігіштік көбейтіндісі. Электролит беретін қатты заттардың көпшілігінің, әсіресе, тұздарының кристалдары ионнан тұрады, сондықтан олар ерігенде ерітіндіге молекулалары емес, жеке иондары көшеді. Кристалл ерумен қабат әрдайым кері процесс еріген зат кристалға қайта қонып, кристалдану болып жатады. Сондықтан ерітінді қанық күйге келгенде, ондағы туатын тепе –теңдік еріп болмаған қатты заттың тұнбасы мен ерітіндіге көшкен иондар арасында болады.

Мысалы, нашар еритін СаSO4 қанық ерітіндісін алсақ, оның ыдысының түбінде ерімей жатқан тұнбасы мен ерітіндіге көшкен Са2+ және SO42- иондарының арасында жылжымалы тепе-теңдік болады:

СаSO4 Са2+ + SO42-

Осы тепе-теңдікке әрекеттесуші массалар заңын қолданса, қатты заттың концентрациясы, демек СаSO4 концентрациясы, тепе-теңдік константасының теңдігіне кірмейтіндігін ескерсе, тепе-теңдік константасы былай жазылады:

[ Са2+ ]×[ SO42- ] = К

Бұл теңдіктен нашар еритін электролиттің қанақ ерітіндісіндегі иондар концентрациясының көбейтіндісі сол температурада тұрақты шама екенін көруге болады. Осы шама электролиттің ерігіштігін көрсететін болғандықтан оны ерігіштік көбейтіндісі деп атап, ЕК деп белгілейді. Соңғы теңдік орнына

ЕК(СаSO4) = [ Са2+ ]×[ SO42- ] деп жазады.

Электролиттің молекуласында бір ионның өзінен екі, не бірнешеу болса, мысалы: Са3(РO4)2 3Са2+ + 2РO43- сол иондардың концентрациясының дәрежесі ретінде көрсетіледі: ЕК(Са3(РO4)2) = [ Са2+]3 × [РO43-]2.

ЕК-ның сандық мәнін табу үшін сол электролиттің ерігіштігін білу керек. Мысалы, 20°С СаSO4 ерігіштігі 1,5 × 10-2 моль/л, СаSO4 диссоциацияланғанда әр молекуласы бір Са2+ ионын, бір SO42- ионын түзеді, сондықтан олардың әрқайсысының концентрациясы 1,5 × 10-2 моль/л болады. Сонда:

ЕК(СаSO4) = [ Са2+ ]×[ SO42- ] = 1,5 × 10-2 × 1,5 × 10-2 = 2,25 × 10-4

Кальций сульфаты тұзының қанық ерітіндісіне, құрамында басқа жақсы еритін SO42- не Са2+ ионы бар электролит, мысалы Nа2SO4 ерітіндісін қосса, не болар еді? SO42- иондары концентрациясы көбейгендіктен [Са2+][SO42-] иондарының концентрациясының көбейтіндісі ЕК(СаSO4) мәнінен асып кетеді, ерітінді аса қанық күйге айналып, ондағы тепе-теңдік бұзылып, тұнбадағы СаSO4 көбею жағына қарай ауысады. Демек, нашар еритін электролиттің ерітіндісіне аттас ион қосса, электролиттің ерігіштігі кемиді. Осы ережені химияда, әсіресе аналитикалық химияда көп қолданады.

1-мысал. Егер сутегі иондарының концентрациясы 4×10-3 моль/л болса, ерітінді рН қанша?

Шешуі: pH = − lg[H+] = −lg (4×10-3)= 3,60 = − (−3 + 0,60) = 2,40.

2-мысал. Егер ерітіндінің рН-ы 4,60 болса, ерітіндідегі сутегі иондарының концентрациясы қанша болады?

Шешуі: Мына формула бойынша pH = − lg[H+] = 4,60. Олай болса, lg[H+] = − 4,60 = 5,40, одан [H+] = 2,5×10-5моль/л.

3-мысал. Егер ерітіндінің рН-ы 10,80 болса, гидроксид-иондарының концентрациясы қанша болады?

Шешуі: Мына қатынастан рН + рОН = 14; pH = 14 – 10,80 = 3,20. Одан

− lg[ОH-] = 3,20 немесе lg[ОH-] = − 3,20 =4,80, сонда [ОH-] = 6,31×10-4 моль/л.

4-мысал. 18°C температурада Mg(OH)2 ерігіштігі 1,7×10-4моль/л, осы гидроксидтің ерігіштік көбейтіндісін есептеу керек.

Шешуі: Mg(OH)2 ерігенде оның әр молінен ерітіндіге 1 моль магний ионы және екі есе көп ОH- өтеді, олай болса, Mg(OH)2 қанық ерітіндісінде

[ОH-] = 3,4×10-4 моль/л, [Mg2+] = 1,7×10-4 моль/л болады. Одан,

ЕК Mg(OH)2 = [Mg2+][ОH-]2 = 1,7×10-4 × (3,4×10-4)2 = 1,96× 10-11

5-мысал. Егер ЕКPbSO4= 2,2×10-8 болса, қорғасын сульфатының қанық ерітіндісінде қорғасын және сульфат иондарының концентрациясы қаншаға тең және оның ерігіштігін молярлық, массалық концентрациялармен көрсетіңдер.

Шешуі: Бинарлы электролиттердің ерігіштігі оның әр ионының молярлы концентрацияларының көбейтіндісіне тең:

S= [Pb2+] = [2-4] = Ö2,2×10-8 =1,5×10-4 моль/л, Mr = 303.

Массалық концентрациямен көрсетілген ерігіштік

S×M = 1,5×10-4моль/л ×303г/моль = 0,0455г/л.

6-мысал. 0,1моль/л күкірт қышқылы ерітіндісіндегі барий сульфатының ВаSO4 ерігіштігі оның судағы ерігіштігінен неше есе азаяды?

Шешуі: Судағы ерігіштігі: S= [Ва2+] = [2-4] = Ö1,1×10-10 =1,0×10-5моль/л.

Қышқыл ерітіндісінде жүрген сульфат ионының концентрациясы

0,1моль/л, тұнбадағы сульфат ионы концентрациясынан 10-1/10-5 = 104 есе көп. [2-4] неше есе көбейсе, [Ва2+] сонша есе азаяды, сәйкесінше S(ВаSО4) есе сонша азаяды, яғни тұнбаның қышқылдағы ерішіштігі судағы ерігіштігінен 104 есе аз. Сонымен, тұнбаға түсіретін еріткіш (ерітінді) артық мөлшерде алынуы керек. Бұл жағдай аналитикалық химияда сандық анализ жүргізген кезде қолданылады.

Өзін-өзі тексеруге арналған сұрақтар

1. Сутектік көрсеткіш, сутектік көрсеткіштің (рН) ерітіндінің табиғатына байланысты өзгеруін көрсету керек және оның мәніне әсер ететін факторлар.

2. Ерігіштік көбейтіндісі деген не және ол нені сипаттайды?

3. ↔Индикатор» ұғымының физикалық мағынасы не?

4. Заттың суда ерігіштігіне әсер ететін факторлар.

5. ↔Судың иондық көбейтіндісі» ұғымының физикалық мағынасы не?

Практикалық сабақта және білім алушының оқытушы басшылығымен орындайтын (БОӨЖ) есептер мен жаттығулар

1. Май қышқылының диссоциация константасы 1,5×10-5 болса, оның 0,005М ерітіндісінде диссоциация дәрежесі қанша? Жауабы: 0,055.

2. Құмырсқа қышқылындағы сутегі ионы концентрациясын есептеу керек, егер α = 0,03. Жауабы: 6 ×10-3.

3. Көмір қышқылының бірінші саты бойынша 0,1н ерітіндідегі диссоциация дәрежесі 2,11×10-3. Диссоциация константасы мен рК мәнін анықтау керек. Жауабы: 4,5×10-7.

4. 0,1н сірке қышқылының диссоциация дәрежесі 1,32×10-2. Азотты қышқылдың қай концентрациясында оның диссоциация дәрежесі де сондай мәнге тең болады? Жауабы: 2,3моль/л.

5. 2,1г КОН 250г суда ерітілсе, онда ол ерітінді - 0,519°С қатады. Осы ерітіндінің изотонды коэффициентін анықтау керек. Жауабы: 1,86.

6. 200 г суда 0,53г натрий карбонаты бар ерітінді -0,13°С кристалданса, тұздың диссоциация дәрежесі қанша болады? Жауабы: 0,9.

7. 450г суда 0,05моль натрий сульфаты ерітілген, осы ерітіндінің 100°С температурадағы бу қысымы 100,8кПа (756,2мм сын. бағ.). Натрий сульфатының диссоциация дәрежесі қанша болады? Жауабы: 0,75.

8. 1л 0,01М сірке қышқылында 6,26×1021 оның молекуласы мен иондары бар. Сірке қышқылының диссоциация дәрежесі қанша болады? Жауабы: 0,04.

9. 0,1н калий хлориді ерітіндісінде диссоциация дәрежесі 0,80. 17°С температурада оның осмостық қысымы қанша? Жауабы: 434кПа.

10. 0°С температурада 0,04 моль/л ерітіндінің осмостық қысымы 2,178×105Па. Эксперимент бойынша табылған диссоциация дәрежесі 0,7. Электролит неше иондарға ыдырайды? Жауабы: 3.

11. Мыс сульфатының изотонды коэффициенті 1,7 болса,диссоциация дәрежесін қанша болады? Жауабы: 70%.

12. 200мл ерітіндіде 11,2г кальций хлориді бар, оның изотонды коэффициенті 2,5. 17°С температурада оның осмостық қысымы қанша? Жауабы: 3,04МПа.

13. 12г натрий гидроксидін 100г суда еріткенде оның қайнау температурасы 2,65°С көтерілді. Осы мәндерге натрий гидроксидінің қандай диссоциация дәрежесі сәйкес болады? Жауабы: 70%.

14. Эквивалентінің молярлы концентрациясы 1,0моль/л болатын қымыз қышқылының І саты бойынша диссоциациясының диссоциация дәрежесі 23,3%. Қышқылдың қандай концентрациясында α = 0,9 болады?

Жауабы: 0,06 моль/л.

15. 1л (r =1,0013г/мл) ерітіндіде 1,78г кальций хлориді бар. Молярлы және моляльды концентрацияларын тауып, салыстырып, қорытынды жасау керек. Егер ƒ (Ca2+) =0,57 және ƒ (Cl-) = 0,87 болса, осы ерітіндінің иондық күші мен иондардың активтілігін есептеу керек.

Жауабы: 0,016моль/кг және 0,016моль/л; 0,048;

α( Ca2+) = 0,00584моль/л, α (Cl-) = 0,0125моль/л.

16. Егер ƒ(Cu2+) =0,675, ƒ(SO42-) = 0,660 болса, мыс сульфаты ерітіндісінің концентрациясы 0,02моль/л болса, сонда ерітіндінің иондық күші және иондардың активтігі қанша болады? Жауабы: 0,08; 0,0135; 0,0132.

17. Активті концентрация деп не активтілік деп қандай шамаларды айтады? Олар аналитикалық концентрациялармен қандай қатынаста?

18. Бір зарядты иондары бар бинар электролиттер үшін Дебай және Гюккель формулалары қалай жазылады?

19. Ерітіндінің иондық күші деген не және ол қалай анықталады? Ерітіндіде болатын басқа иондар санына, әр ионның концентрациясы мен зарядына байланысты иондық күштің мәні қалай өзгереді?

20. Ерітіндіде кальций нитраты және хлориді болса, олардың концентрациялары сәйкесінше 0,01 және 0,05моль/л болса, осы ерітіндінің иондық күші қанша болады? Жауабы: 0,16.

21. Гидроксид-иондарының концентрациялары (моль/л):

а) 10-4; б) 3,2×10-4; в) 3,2×10-11 болатын сулы ерітінділерде сутегі ионының концентрациясы және ерітінді рН-ы нешеге тең?

22. Н+ иондарының концентрациялары (моль/л):

а) 10-4 ; б) 3,2×10-4 ; в) 3,2×10-11 болатын сулы ерітінділерде ерітінді рН-ы нешеге тең?

23. Сутегі иондарының концентрациясы (моль/л): а)10-4; б)3,2×10-4;

в) 3,2×10-11 болса, гидроксид иондарының концентрациясы және рОН мәні қанша болады?

24. 0,01н сірке қышқылының диссоциация дәрежесі 0,042 болса, рН мәні қанша болады?

25. Егер рН мәні 6,2 болса, ерітіндінің [H+] және [ОН-] мәндері қанша болады?

26. Қандай жағдайларда әлсіз электролиттер де күшті электролиттер сияқты әрекеттесуші массалар заңына бағынбайды? Бұл жағдайларда да ол заң қолданылытындай болу үшін диссоциация константасын КD қалай түрлендіруге болады?

27. Егер с (Н+) 0,1; 0,001; 10-7 және 10-10 моль/л; с(ОН- ) 0,01; 10-11моль/л болса, ерітінділердің рН-ы қанша болады?

28. Ерігіштік көбейтіндісі деген не? Оның мәні заттардың қандай қасиеттерін сипаттайды? Қандай жағдайларда тұнба түзіледі, ериді және ерітіндімен тепе-теңдікте тұрады?

29. Қиын еритін бинарлы, үш ионды, төрт ионды, бес ионды электролиттерде ерігіштік көбейтіндісі (ЕК) мен ерігіштік (S) өзара қалай байланысты? Егер заттың қанық ерітіндісіне біртекті ион енгізсе, ол оның ерігіштігіне қалай әсер етеді? Қандай жағдайларда тұнба комплекс қосылыс түзіп, ериді?

30. Мына заттардың қанық ерітіндісін бір-біріне қосса, тұнба түзіле ме: SrCl2 және CaSO4; CaCl2 және SrSO4. Мына тұздардың қайсысы көбірек ерігіш және неше есе ерігіштігі бір-бірінен көп: CaSO4 не BaSO4; CaCO3 не BaCO3; PbI2 не PbCl2 . PbCl2 тұнбасына КІ ерітіндісін қосса, PbI2 тұнбасы түзіле ме?

31. Егер PbI2 қанық ерітіндісінде иодид ионының концентрациясы

1,3×10-3моль/л болса, осы ерітіндідегі қорғасын ионының концентрациясы қанша болады? Жауабы: 0,65×10-3 моль/л.

32. 250мл PbCl2 қанық ерітіндісінде қорғасын ионының мөлшері

4×10-3 моль болса, сонда хлор ионының осы ерітіндідегі концентрациясы және PbCl2 ерігіштігі қанша? Жауабы: 3,2×10-2 моль/л; 1,6×10-2 моль/л.

35. Егер ЕКAg2CO3 = 6,15×10-12 болса, қанық ерітіндіде әр ионның концентрациясы қанша болады? Жауабы: 2,30×10-4 моль/л; 1,15×10-4 моль/л.

36. 10л Mg3(PO4)2 қанық ерітіндісінде 3г тұз болса, оның ерігіштігі және ерітіндідегі әр ионның молярлы концентрациясы қанша болады?

Жауабы: 1,14×10-3; 3,42×10-3 моль/л және 2,28×10-3 моль/л.

37. СаСО3 (г/л) тұзының таза судағы және концентрациясы 0,1моль/л болатын соды ерітіндісіндегі ерігіштігін есептеп, салыстырыңдар.

Жауабы: 7×10-3 және 4,8×10-6 г/л.

38. Көлемдері бірдей және эквиваленттерінің молярлы концентрациялары 0,001моль/л болатын SrCl2 және K2SO4 ерітінділерін араластырғанда SrSO4 тұнбасы түзіле ме?