Підготовка до ЗНО з хімії

Поділ електролітів на сильні та слабкі в залежності від ступеня дисоціації є умовним, оскільки величина a залежить від багатьох факторів (див. ступінь дисоціації) і може змінюватись у широких межах. Тому з цією метою використовують константу іонізації (дисоціації).

Запишемо схему дисоціації електроліту загальної формули KtAn:

KtAn ↔ Kt⁺ + An^–

Константа рівноваги цього процесу, згідно із законом дії мас, описується рівнянням:

Константа іонізації (дисоціації) К – константа рівноваги процесу дисоціації електроліту.

Константа дисоціації слабких електролітів залежить від температури, природи електроліту, розчинника і не залежить від концентрації.

Чим більше значення К, тим сильніше дисоціює електроліт, і тим сильнішою є відповідна кислота або основа.

Якщо електроліт дисоціює ступінчато, то К_і визначають для кожного ступеня, а загальне значення К дорівнює добутку ступінчатих К_і:

Н₃РО₄ ↔ Н⁺ + Н₂РО₄^– ; 

Н₂РО₄^– ↔ Н⁺ + НРО₄^2–; 

НРО₄^2– ↔ Н⁺ + РО₄^3– ;   

Н₃РО₄ ↔ 3Н⁺ + РО₄^3– ;  

Як бачимо, Н₃РО₄ максимально дисоціює за першим ступенем і у цьому випадку є сильною кислотою. На кожній наступній стадії дисоціація відбувається у меншій мірі, і тому у розчинах фосфатної кислоти містяться молекули Н₃РО₄, катіони Н⁺ та аніони Н₂РО₄^–, НРО₄^2–, РО₄^3–. Кількість кожного наступного компонента поступово зменшується.

Для зручності запису, використовують не абсолютні значення К, а їх десяткові логарифми зі знаком “–”:

–lg K = pK

рК – показник сили електроліту. Якщо ввести індекси а – кислота (англ. acid – кислота), а b – основа (англ. basis – основа), то рК_а – показник кислотності, рК_b – показник основності (табл. 12.4).

Таблиця 12.4

Значення К_х та рК_х деяких слабких кислот та основ

Електроліт	Формула	Кх	рКх
Кислоти
Карбонатна	Н2СО3	Ка1 = 4,5∙10–7 Ка2 = 4,7∙10–11	рКа1 = 6,35 рКа2 = 10,33
Нітритна	HNO2	Ка1 = 4,0∙10–4	рКа1 = 3,40
Сульфітна	H2SO3	Ка1 = 1,6∙10–2 Ка2 = 1,6∙10–8	рКа1 = 1,80 рКа2 = 7,21
Сульфідна	H2S	Ка1 = 1,0∙10–7 Ка2 = 2,5∙10–13	рКа1 = 6,99 рКа2 = 12,60
Мурашина	HCOOH	Ка1 = 1,8∙10–4	рКа1 = 3,74
Оцтова	CH3COOH	Ка1 = 1,8∙10–5	рКа1 = 4,75
Основи
Амоніак (водн. розчин)	NH3∙H2O	Кb1 = 1,8∙10–5	рКb1 = 4,75
Алюміній гідроксид	Al(OH)3	Кb3 = 1,4∙10–9	рКb3 = 8,86
Ферум (ІІ) гідроксид	Fe(OH)2	Кb2 = 1,3∙10–4	рКb2 = 3,89
Ферум (ІІІ) гідроксид	Fe(OH)3	Кb2 = 1,8∙10–11 Кb3 = 1,4∙10–12	рКb2 = 10,74 рКb2 = 11,87

 

Порівнюючи значення рК_а, наприклад, для нітритної HNO₂ та сульфітної H₂SO₃ кислот, бачимо, що H₂SO₃ за першим ступенем дисоціації сильніша, ніж HNO₂, а за другим – слабкіша. Аналогічно алюміній гідроксид Al(OH)₃ сильніша основа, ніж ферум (ІІІ) гідроксид Fe(OH)₃.

Зауважимо, що при наявності у розчині одночасно кількох кислот або основ різної сили, у реакцію, наприклад, нейтралізації, спочатку буде вступати електроліт з найменшим значенням рК_х, і далі у порядку зростання рК_х. Так, коли у розчині одночасно присутні H₂SO₃ і HNO₂, при додаванні NaOH, спочатку реагує H₂SO₃ за першим ступенем, потім HNO₂, і, нарешті, H₂SO₃ за другим ступенем (табл. 12.4):

H₂SO₃ + NaOH = NaHSO₃ + H₂O;

HNO₂ + NaOH = NaNO₂ + H₂O;

NaHSO₃ + NaOH = Na₂SO₃ + H₂O.

Легко показати зв’язок між К та a для слабкого електроліту, наприклад мурашиної кислоти НСООН, яка дисоціює за схемою:

НСООН + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + НСОО^–

Запишемо К_а цього процесу:

Зі схеми дисоціації видно, що [Н₃О⁺] = [НСОО^–] = α_НСООНС_НСООН, а [НСООН] = С_НСООН – α_НСООНС_НСООН = (1 – α_НСООН)С_НСООН.

Підставивши одержані значення в рівняння для К_а, одержимо:

Оскільки у розчинах слабких електролітів значення α дуже мале, то 1 ‑ α » 1, тому К_а = α²С_НСООН і .

Наведена формула – математичний вираз закону розведення Оствальда, і показує, що зі зростанням концентрації С електроліту, ступінь дисоціації α зменшується.

Використовуючи дану формулу можна обчислити [Н⁺] і [ОН^–] в розчинах слабких одноосновних кислот та однокислотних основ відповідно. Для прикладу, виведемо формулу для розрахунку [Н⁺] у розчині мурашиної кислоти НСООН.

Враховуючи, що [Н⁺] = [ НСОО^–], і оскільки  НСООН – слабка кислота, то вона у розчині дисоціює незначною мірою, а тому часткою дисоційованих молекул НСООН можна знехтувати, і [НСООН] = С_НСООН:

, [Н⁺]² = К_аС_а або [Н⁺] = .

Аналогічно можна довести, що для слабкої основи [ОН^–] = .