Судың ток және кернеу диссоциациясы. Судың электролиттік диссоциациясы. Су диссоциациясының тұрақтысы. Судың иондық өнімі. Әртүрлі l мәндері бар орбитальдардың электронды бұлттары әртүрлі конфигурацияға ие, ал бірдей l болатындар ұқсас конфигурацияға ие.
Диссоциацияның ерекше жағдайы (заттың үлкен бөлшектерінің – иондардың молекулаларының немесе радикалдардың – кішірек бөлшектерге ыдырау процесі) электролиттік диссоциация болып табылады, онда ерітіндіде электролит деп аталатын заттың бейтарап молекулалары (полярлық әсердің нәтижесінде) болады. еріткіш молекулалары) зарядталған бөлшектерге: катиондарға және аниондарға ыдырайды. Бұл ток өткізу қабілетін түсіндіреді.
Барлық электролиттерді екі топқа бөлу әдеттегідей: әлсіз және күшті. Су әлсіз электролиттерге жатады, судың диссоциациялануы диссоциацияланған молекулалардың аз санымен сипатталады, өйткені олар айтарлықтай тұрақты және іс жүзінде иондарға ыдырамайды. Таза (қоспасыз) су электр тогын нашар өткізеді. Бұл оң поляризацияланған сутегі атомдары теріс поляризацияланған салыстырмалы түрде аз оттегі атомының электронды қабығына енгізілген кезде, молекуланың өзінің химиялық табиғатына байланысты.
Электролиттердің күші мен әлсіздігі сипатталады (α-мен белгіленеді, көбінесе бұл мән 0-ден 100-ге дейін% немесе 0-ден 1-ге дейін бірлік фракцияларында көрсетіледі) - иондарға ыдырау қабілеті, яғни қатынасы. ыдыраған бөлшектердің саны ыдырау алдындағы бөлшектердің санына. Қышқылдар, тұздар және негіздер сияқты заттар полюстердің әсерінен толығымен иондарға ыдырайды. Судың диссоциациялануы H2O молекулаларының Н+ протонына және OH- гидроксил тобына ыдырауымен бірге жүреді. Электролиттердің диссоциациялану теңдеуін: M=K++A- түрінде келтірсек, онда судың диссоциациялануын H2O↔H++OH- теңдеуімен және судың диссоциациялану дәрежесі болатын теңдеумен өрнектеуге болады. есептелген екі түрде көрсетілуі мүмкін (түзілген протондардың концентрациясы немесе түзілген гидроксил топтарының концентрациясы арқылы): α=[H+]/[H2O] немесе α=[OH-]/[H2O]. α мәніне заттың химиялық табиғаты ғана емес, ерітіндінің концентрациясы немесе оның температурасы да әсер ететіндіктен, диссоциацияның көрінетін (ойша) дәрежесі туралы айту әдетке айналған.
Әлсіз электролит молекулаларының, соның ішінде судың иондарға ыдырау үрдісі көбінесе диссоциация константасымен (тепе-теңдік константасының ерекше жағдайы) сипатталады, оны әдетте Kd деп атайды. Бұл шаманы есептеу үшін алынған және бастапқы заттардың массалары арасындағы қатынасты белгілейтін массаның әрекет ету заңы қолданылады. Судың электролиттік диссоциациясы бастапқы су молекулаларының сутегі протондарына және гидроксил тобына ыдырауы болып табылады, сондықтан ол теңдеумен өрнектеледі: Kd \u003d [H +] . [OH-]/[H2O]. Су үшін бұл мән тұрақты және тек температураға байланысты, 25 ° C-қа тең температурада, Kd = 1.86.10-16.
Судың молярлық массасын (18 грамм/моль) біле отырып, сонымен қатар диссоциацияланған молекулалардың концентрациясын ескермей және 1 дм3 судың массасын 1000 г деп алып, 1 дм3 судағы диссоциацияланбаған молекулалардың концентрациясын есептей аламыз: [ Н2О]=1000/18,0153=55,51 моль/дм3. Сонда диссоциация константасының теңдеуінен протондар мен гидроксил топтарының концентрацияларының көбейтіндісін табуға болады: [H+].[OH-]=1,86,10-16,55,51=1,10-14. Алынған мәннен квадрат түбірді бөліп алу кезінде ерітіндінің қышқылдығын анықтайтын және гидроксил топтарының концентрациясына тең протондардың (сутегі иондарының) концентрациясы алынады: [H+]=[OH-]=1,10-7. .
Бірақ табиғатта мұндай тазалықтағы су ондағы еріген газдардың болуына немесе судың басқа заттармен ластануына байланысты болмайды (шын мәнінде су әртүрлі электролиттердің ерітіндісі болып табылады), сондықтан 25 ° C температурада сутегі концентрациясы. протондар немесе гидроксил топтарының концентрациясы 1,10-7 аралығында ерекшеленеді. Яғни, судың қышқылдығы судың диссоциациялануы сияқты процестің ғана емес ағынымен байланысты. сутегі иондарының (рН) концентрациясының теріс логарифмі болып табылады, ол судың және сулы ерітінділердің қышқылдығын немесе сілтілілігін бағалау үшін енгізілген, өйткені теріс дәрежелі сандарды пайдалану қиын. Таза су үшін рН = 7, бірақ табиғатта таза су болмағандықтан және судың диссоциациясы басқа еріген электролиттердің ыдырауымен бірге жүретіндіктен, рН мәні 7-ден аз немесе жоғары болуы мүмкін, яғни су үшін, іс жүзінде рН ≠ 7.
Сұйық судың маңызды ерекшелігі оның реакцияға сәйкес өздігінен диссоциациялану қабілеті болып табылады:
H 2 O (l) "H + (ақ) + OH - (ақ)
Бұл процесс өзін-өзі иондау немесе автопротолиз деп те аталады. Алынған H + протондары мен ОН - аниондары полярлы су молекулаларының белгілі бір санымен қоршалған, т.б. гидратталған: H + ×nH 2 O; OH - ×mH 2 O. Біріншілік гидратация бірқатар аквакомплекстермен ұсынылуы мүмкін: H 3 O + ; H 5 O 2 +; H 7 O 3 +; H 9 O 4 + , олардың арасында H 9 O 4 + (H + ×4H 2 O) иондары басым. Барлық осы иондардың судағы өмір сүру мерзімі өте қысқа, өйткені протондар бірдей молекулалардан үнемі алыстап отырады
басқаларға су. Әдетте, қарапайымдылық үшін теңдеулерде гидроний ионы деп аталатын H 3 O + (H + ×H 2 O) құрамының катионы ғана қолданылады.
Протонның гидратациясын және гидроксоний ионының түзілуін ескере отырып, судың диссоциациялану процесін жазуға болады: 2H 2 O « H 3 O + + OH -
Су - әлсіз электролит, диссоциациялану дәрежесі
à C тең болғандықтан (H 2 O) "C ref (H 2 O) немесе [H 2 O] тең ≈ [H 2 O] ref.
бір литр судағы моль саны. Сұйытылған ерітіндідегі C ref (H 2 O) тұрақты болып қалады. Бұл жағдай C тең (H 2 O) тепе-теңдік тұрақтысына қосуға мүмкіндік береді.
Осылайша, екі тұрақтының көбейтіндісі деп аталатын жаңа тұрақтыны береді судың иондық өнімі. 298 К температурада.
¾- Судың иондық өнімінің тұрақтылығы кез келген сулы ерітіндіде: қышқыл, бейтарап немесе сілтілі - әрқашан иондардың екі түрі де (H + және OH -) болатынын білдіреді.
¾- Таза суда сутегі мен гидроксид иондарының концентрациясы тең және қалыпты жағдайда:
K w 1/2 \u003d 10 -7 моль / л.
¾- Қышқылдарды қосқанда [H + ] концентрациясы артады, яғни. тепе-теңдік солға ығысады, ал [OH - ] концентрациясы төмендейді, бірақ K w 10 -14 тең болып қалады.
Қышқыл ортада > 10 -7 моль/л, және< 10 -7 моль/л
Сілтілі ортада< 10 -7 моль/л, а >10 -7 моль/л
Іс жүзінде ыңғайлы болу үшін біз қолданамыз рН мәні (рН)және ортаның гидроксил индексі (pOH).
Бұл қарама-қарсы таңбамен алынған ерітіндідегі сутегі иондарының немесе гидроксид иондарының сәйкесінше концентрацияларының (белсенділіктерінің) ондық логарифмі: pH = - lg, pOH = - lg
Су ерітінділерінде рН + pOH = 14.
№14 кесте.
K w температураға байланысты (себебі судың диссоциациялануы эндотермиялық процесс)
K w (25 o C) \u003d 10 -14 Þ рН \u003d 7
K w (50 o C) \u003d 5,47 × 10 -14 Þ рН \u003d 6,63
рН өлшеу өте кең қолданылады. Биология мен медицинада патологияларды анықтау үшін биологиялық сұйықтықтардың рН мәні қолданылады. Мысалы, қалыпты сарысу рН 7,4±0,05; сілекей - 6,35..6,85; асқазан сөлі - 0,9...1,1; көз жасы - 7,4±0,1. Ауыл шаруашылығында рН топырақтың қышқылдығын, табиғи сулардың экологиялық жағдайын және т.б.
Қышқылды-негіздік индикаторлар - бұл өздері орналасқан ортаның рН-ына байланысты түсін өзгертетін химиялық қосылыстар. Сіз лимонды қосқанда шайдың түсі қалай өзгеретініне назар аударған шығарсыз - бұл қышқыл-негіз индикаторының әрекетінің мысалы.
Көрсеткіштер әдетте әлсіз органикалық қышқылдар немесе негіздер болып табылады және ерітіндіде екі таутомерлі түрде болуы мүмкін:
HInd « H + + Ind - , мұндағы HInd қышқыл түрі (бұл қышқыл ерітінділерде басым болатын пішін); Инд негізгі түрі (сілтілі ерітінділерде басым).
Индикатордың әрекеті әлсіз электролиттің сол ионы бар күштірек болған кездегі әрекетіне ұқсас. Тиісінше, тепе-теңдік HInd қышқыл түрінің бар болуына қарай ығысады және керісінше (Ле Шателье принципі).
Тәжірибе кейбір көрсеткіштерді пайдалану мүмкіндігін нақты көрсетеді:
№15 кесте
Арнайы құрылғылар - рН-метрлер 0-ден 14-ке дейінгі диапазонда 0,01 дәлдікпен рН өлшеуге мүмкіндік береді. Анықтама электродтардың бірі, мысалы, шыны болып табылатын гальваникалық элементтің ЭҚК өлшеуге негізделген.
Сутегі иондарының ең дәл концентрациясын қышқыл-негіздік титрлеу арқылы анықтауға болады. Титрлеу - концентрациясын анықтағымыз келетін титрленетін ерітіндіге белгілі концентрациядағы (титрант) ерітіндінің кішкене бөліктерін біртіндеп қосу процесі.
буферлік ерітінділер- Бұл сұйылтылған немесе оларға аз мөлшерде қышқылдар немесе сілтілер қосқанда рН салыстырмалы түрде аз өзгеретін жүйелер. Көбінесе олар мыналарды қамтитын шешімдер:
а) а) Әлсіз қышқыл және оның тұзы (CH 3 COOH + CH 3 COOHa) - ацетатты буфер
в) Әлсіз негіз және оның тұзы (NH 4 OH + NH 4 Cl) - аммоний-аммоний буфері
в) әртүрлі K d (Na 2 HPO 4 + NaH 2 PO 4) екі қышқыл тұзы - фосфатты буфер
Мысал ретінде ацетатты буферлік ерітіндіні пайдаланып буферлік ерітінділердің реттеу механизмін қарастырайық.
CH 3 COOH «CH 3 COO - + H +,
CH 3 COONa « CH 3 COO - + Na +
1. 1) буферлік қоспаға аз мөлшерде сілтіні қоссаңыз:
CH 3 COOH + NaOH " CH 3 COONa + H 2 O,
NaOH әлсіз электролит H 2 O түзу үшін сірке қышқылымен бейтараптандырылады. Натрий ацетатының артық болуы тепе-теңдікті алынған қышқылға қарай жылжытады.
2. 2) қышқылдың аз мөлшерін қоссаңыз:
CH 3 COONa + HCl « CH 3 COOH + NaCl
Сутегі катиондары Н + иондарын CH3COO байланыстырады -
Буферлік ацетат ерітіндісіндегі сутегі иондарының концентрациясын табайық:
Сірке қышқылы жарасының тепе-теңдік концентрациясы C ref, to (әлсіз электролит болғандықтан) және [СH 3 COO - ] = C тұз (тұз күшті электролит болғандықтан), онда . Гендерсон-Хассельбах теңдеуі:
Осылайша буферлік жүйелердің рН мәні тұз бен қышқыл концентрациясының қатынасымен анықталады. Сұйылтылған кезде бұл қатынас өзгермейді және сұйылтылған кезде буфердің рН өзгермейді; бұл буферлік жүйелерді таза электролит ерітіндісінен ажыратады, ол үшін Оствальд сұйылту заңы жарамды.
Буферлік жүйелердің екі сипаттамасы бар:
1.буферлік күш. Буферлік күштің абсолютті мәні тәуелді
буферлік жүйе компоненттерінің жалпы концентрациясы, яғни. буферлік жүйенің концентрациясы неғұрлым көп болса, рН-ның бірдей өзгеруі үшін соғұрлым сілті (қышқыл) қажет.
2.Буферлік резервуар (B).Буфер сыйымдылығы - буферлеу әрекеті орын алатын шек. Буферлік қоспа ерітіндіге қосылған күшті қышқылдың немесе негіздің мөлшері белгілі бір шекті мәннен аспайтын жағдайда ғана рН тұрақтылығын сақтайды - B. Буферлік сыйымдылық күшті қышқылдың (негіздің) г/экв санымен анықталады. ) бірлікке рН мәнін өзгерту үшін буферлік қоспаның бір литріне қосу керек, яғни. . Қорытынды: Буферлік жүйелердің қасиеттері:
1. 1. сұйылтуға аз тәуелді.
2. 2. Күшті қышқылдардың (негіздердің) қосылуы В буферлік сыйымдылығы шегінде аз ғана айырмашылықты тудырады.
3. 3. Буфер сыйымдылығы буфердің беріктігіне байланысты (компоненттер концентрациясына).
4. 4. Ерітіндіде қышқыл мен тұз эквивалентті мөлшерде болғанда буфер максималды әсер көрсетеді:
Сізге тұз \u003d C; = K d, k; рН \u003d pK d, k (рН K d мәнімен анықталады).
Гидролиз - судың тұздармен химиялық әрекеттесуі.. Тұздардың гидролизі протон алмасу процесіне дейін төмендейді. Оның ағынының нәтижесінде ерітіндіге қышқылдық немесе сілтілі қасиеттер беретін сутегі немесе гидроксил иондарының белгілі бір артық мөлшері пайда болады. Осылайша, гидролиз бейтараптандыру процесінің кері болып табылады.
Тұз гидролизі 2 кезеңнен тұрады:
а) Гидратталған иондардың түзілуімен тұздың электролиттік диссоциациялануы:. KCl à K + + Cl - K + + xH 2 O à K + × xH 2 O
акцептор – бос орбитальдары бар катиондар)
Cl - + yH 2 O "Cl - × yH 2 O (сутектік байланыс)
в) Аниондардың гидролизі. Cl - + HOH à HCl + OH -
в) Катиондағы гидролиз. K + + HOH à KOH +
Барлық тұздар әлсіздердің қатысуымен түзілген
электролиттер:
1. Әлсіз қышқылдардың анионынан және күшті негіздердің катионынан түзілген тұз
CH 3 COONa + HOH «CH 3 COOH + NaOH
CH 3 COO - + HOH "CH 3 COOH + OH - , рН> 7
Әлсіз қышқылдардың аниондары суға қатысты негіздер функциясын орындайды - протон доноры, бұл OH концентрациясының жоғарылауына әкеледі - , яғни. ортаның сілтіленуі.
Гидролиз тереңдігі анықталады: гидролиз дәрежесі a g:
гидролизденген тұздың концентрациясы болып табылады
бастапқы тұздың концентрациясы
a g аз, мысалы, 0,1 моль CH 3 COONa ерітіндісі үшін 298 К, ол 10 -4.
Гидролиз кезінде жүйеде К р сипатталатын тепе-теңдік орнайды
Сондықтан диссоциация константасы неғұрлым аз болса, гидролиз константасы соғұрлым үлкен болады. Гидролиз константасымен гидролиз дәрежесі мына теңдеумен байланысты:
Сұйылтудың жоғарылауымен, яғни. С 0 төмендейді, гидролиз дәрежесі артады.
2. 2. Әлсіз негіздер катионынан және күшті қышқылдар анионынан түзілетін тұз
NH 4 Cl + HOH ↔ NH 4 OH +
NH 4 + + HOH ↔ NH 4 OH + H +, рН< 7
Протолиттік тепе-теңдік солға ығысады, әлсіз негіз катионы NH 4+ суға қатысты қышқыл қызметін атқарады, бұл ортаның қышқылдануына әкеледі. Гидролиз константасы мына теңдеумен анықталады:
Сутегі иондарының тепе-теңдік концентрациясын есептеуге болады: [H + ] тең = a g × C 0 (тұздың бастапқы концентрациясы), мұндағы
Қоршаған ортаның қышқылдығы осы типтегі тұздардың бастапқы концентрациясына байланысты.
3. 3. Әлсіз қышқылдар анионынан және әлсіз негіздер катионынан түзілген тұз. Катионды да, анионды да гидролиздейді
NH 4 CN + HOH à NH 4 OH + HCN
Ерітінді ортасының рН мәнін анықтау үшін K D, k және K D, негізгі салыстырыңыз
K D,k > K D,негізгі орта аздап қышқыл
Қ Д, қ< К Д,осн à среда слабо щелочная
K D,k \u003d K D,база à бейтарап орта
Демек, тұздың бұл түрінің гидролиз дәрежесі олардың ерітіндідегі концентрациясына байланысты емес.
өйткені және [OH - ] анықталады K D, k және K D, негіз, содан кейін
Ерітіндідегі рН да ерітіндідегі тұз концентрациясына тәуелсіз.
Көп зарядталған анион және жалғыз зарядталған катион (аммоний сульфидтері, карбонаттар, фосфаттар) түзетін тұздар бірінші сатыда толығымен дерлік гидролизденеді, яғни. әлсіз негіз NH 4 OH және оның тұзы NH 4 HS қоспасы түрінде ерітіндіде болады, яғни. аммоний буфері түрінде.
Көп зарядталған катион және жалғыз зарядталған анион (ацетаттар, Al, Mg, Fe, Cu форматтары) түзетін тұздар үшін қыздыру кезінде гидролиз күшейіп, негізгі тұздардың түзілуіне әкеледі.
Нитраттардың, гипохлориттердің, гипобромиттердің Al, Mg, Fe, Cu гидролизі толығымен және қайтымсыз жүреді, яғни. тұздар ерітінділерден оқшауланбайды.
Тұздар: ZnS, AlPO 4, FeCO 3 және басқалары суда аз ериді, алайда олардың кейбір иондары гидролиз процесіне қатысады, бұл олардың ерігіштігінің біршама жоғарылауына әкеледі.
Хром және алюминий сульфидтері сәйкес гидроксидтердің түзілуімен толық және қайтымсыз гидролизденеді.
4. 4. Күшті қышқылдар мен күшті негіздердің анионынан түзілген тұздар гидролизге ұшырамайды.
Көбінесе гидролиз әртүрлі асқынуларды тудыратын зиянды құбылыс болып табылады. Осылайша, сулы ерітінділерден бейорганикалық заттарды синтездеу кезінде алынған затта қоспалар пайда болады - оның гидролизі өнімдері. Кейбір қосылыстар қайтымсыз гидролизге байланысты мүлде синтезделмейді.
- егер гидролиз анион бойымен жүрсе, онда ерітіндіге сілтінің артық мөлшері қосылады
- егер гидролиз катион арқылы жүрсе, онда ерітіндіге қышқылдың артық мөлшері қосылады
Сонымен, электролит ерітінділерінің алғашқы сапалық теориясын Аррениус (1883 - 1887) білдірді. Бұл теорияға сәйкес:
1. 1. Электролит молекулалары қарама-қарсы иондарға диссоциацияланады
2. 2. Диссоциация мен рекомбинация процестерінің арасында динамикалық тепе-теңдік орнатылады, ол K D сипатталады. Бұл тепе-теңдік массалық әсер ету заңына бағынады. Ыдыраған молекулалардың үлесі диссоциациялану дәрежесімен сипатталады a. Оствальд заңы D және a-ға жалғанады.
3. 3. Электролит ерітіндісі (Аррениус бойынша) электролит молекулаларының, оның иондарының және еріткіш молекулаларының қоспасы, олардың арасында өзара әрекеттесу болмайды.
Қорытынды: Аррениус теориясы әлсіз электролиттердің төмен концентрациядағы ерітінділерінің көптеген қасиеттерін түсіндіруге мүмкіндік берді.
Алайда, Аррениус теориясы тек физикалық сипатта болды, яғни. келесі сұрақтарды қарастырмады:
Неліктен заттар ерітіндіде иондарға ыдырайды?
Ерітінділердегі иондармен не болады?
Аррениус теориясы Оствальд, Писаржевский, Каблюков, Нернст және т.б. еңбектерінде одан әрі дамыды. Мысалы, гидратацияның маңыздылығын алғаш рет Каблюков (1891) атап өтіп, Менделеев көрсеткен бағытта электролиттер теориясының дамуын бастады (яғни, ол бірінші болып Менделеевтің сольваттар теориясын физикалық теориямен біріктіруде табысқа жетті. Аррениус). Сольватация – электролиттердің әрекеттесу процесі
еріткіш молекулалары солваттардың күрделі қосылыстарын түзеді. Егер еріткіш су болса, онда электролиттің су молекулаларымен әрекеттесу процесі гидратация, ал аквакомплекстер кристалды гидраттар деп аталады.
Кристалды күйдегі электролиттердің диссоциациялану мысалын қарастырайық. Бұл процесті екі кезеңде көрсетуге болады:
1. 1.заттың кристалдық торының бұзылуы DH 0 kr\u003e 0, молекулалардың түзілу процесі (эндотермиялық)
2. 2. сольватталған молекулалардың түзілуі, DH 0 solv< 0, процесс экзотермический
Алынған еру жылуы DH 0 solv = DH 0 cr + DH 0 solv екі кезеңнің жылуларының қосындысына тең және теріс немесе оң болуы мүмкін. Мысалы, кристалдық тордың энергиясы KCl = 170 ккал/моль.
Иондардың гидратация жылуы K + = 81 ккал/моль, Cl - = 84 ккал/моль, ал алынған энергия 165 ккал/моль.
Гидратация жылуы кристалдан иондарды шығаруға қажетті энергияны ішінара жабады. Қалған 170 - 165 = 5 ккал/моль жылулық қозғалыс энергиясымен жабылуы мүмкін, ал еруі қоршаған ортадан жылуды сіңірумен бірге жүреді. Гидраттар немесе сольваттар рекомбинацияны қиындата отырып, эндотермиялық диссоциация процесін жеңілдетеді.
Міне, аталған екі кезеңнің біреуі ғана болатын жағдай:
1. газдардың еруі - кристалдық тордың бұзылуының бірінші сатысы болмайды, экзотермиялық сольватация қалады, сондықтан газдардың еруі, әдетте, экзотермиялық болып табылады.
2. кристалдық гидраттарды еріткен кезде сольватация сатысы болмайды, тек кристалдық тордың эндотермиялық деструкциясы қалады. Мысалы, кристалды гидрат ерітіндісі: CuSO 4 × 5H 2 O (t) à CuSO 4 × 5H 2 O (p)
DH ерітіндісі = DH cr = + 11,7 кДж/моль
Сусыз тұз ерітіндісі: CuSO 4 (t) à CuSO 4 (p) à CuSO 4 × 5H 2 O (p)
DH ерітіндісі = DH ерітіндісі + DH cr = - 78,2 + 11,7 = - 66,5 кДж/моль
Биологиялық процестерде адамның, жануарлардың, өсімдіктердің және қарапайымдылардың барлық жасушалары мен ұлпаларының маңызды құрамдас бөлігі (58-ден 97%-ға дейін) су өте маңызды рөл атқарады. бүгін сәрсенбіәртүрлі биохимиялық процестер жүреді.
Судың жақсы еріту қабілеті бар және онда еріген көптеген заттардың электролиттік диссоциациясын тудырады.
Бронстед теориясы бойынша судың диссоциациялану процесі мына теңдеу бойынша жүреді:
Х 2 0+H 2 0 Н 3 О + + OH - ; ΔН дис = +56,5 кДж/моль
Анау. Бір су молекуласы бас тартады, ал екіншісі протонды қосады, судың аутоионизациясы жүреді:
Х 2 0 Н + + OH - - протонация реакциясы
Х 2 0 + H + Х 3 О + - протонация реакциясы
Электр өткізгіштік әдісімен анықталатын 298°К судың диссоциация константасы:
a(H +) - H + иондарының белсенділігі (қысқалық үшін H3O + орнына H + деп жазыңыз);
a (OH -) - ОН - иондарының белсенділігі;
a (H 2 0) - судың белсенділігі;
Судың диссоциациялану дәрежесі өте аз, сондықтан таза судағы сутегі – және гидроксид – иондарының белсенділігі олардың концентрацияларына дерлік тең. Судың концентрациясы тұрақты және 55,6 мольге тең.
(1000г: 18г/моль= 55,6моль)
Бұл мәнді диссоциациялану константасы Kd (H 2 0) өрнекіне қойып, сутегі – және гидроксид – иондарының активтілігі, олардың концентрацияларының орнына жаңа өрнек шығады:
K (H 2 0) \u003d C (H +) × C (OH -) \u003d 10 -14 моль 2 / л 2 кезінде 298K,
Дәлірек айтқанда, K (H 2 0) \u003d a (H +) × a (OH -) \u003d 10 -14 моль 2 л 2 -
K(H 2 0) деп аталады судың иондық өнімі немесе аутоиондану константасы.
Таза суда немесе тұрақты температурадағы кез келген сулы ерітіндіде сутегі – және гидроксид – иондарының концентрацияларының (белсенділіктерінің) көбейтіндісі судың иондық өнімі деп аталатын тұрақты шама болып табылады.
Тұрақты K(H 2 0) температураға байланысты. Температура көтерілген кезде ол жоғарылайды, өйткені. судың диссоциациялану процесі эндотермиялық. Таза суда немесе әртүрлі заттардың сулы ерітінділерінде 298К сутегі - және гидроксид - иондарының белсенділігі (концентрациясы) болады:
a (H +) \u003d a (OH -) \u003d K (H 2 0) \u003d 10 -14 \u003d 10 -7 моль / л.
Қышқыл немесе сілтілі ерітінділерде бұл концентрациялар енді бір-біріне тең болмайды, бірақ олар конъюгаттық түрде өзгереді: олардың біреуінің жоғарылауымен екіншісі сәйкесінше төмендейді және керісінше, мысалы,
a (H +) \u003d 10 -4, a (OH -) \u003d 10 -10, олардың көбейтіндісі әрқашан 10 -14
Сутегі көрсеткіші
Сапалы түрде ортаның реакциясы сутегі иондарының активтілігімен өрнектеледі. Іс жүзінде олар бұл мәнді пайдаланбайды, бірақ сутегі көрсеткіші рН - моль/л-де көрсетілген сутегі иондарының белсенділігінің (концентрациясының) теріс ондық логарифміне сандық тең мән.
рН= -лга(Х + ),
және сұйылтылған ерітінділер үшін
рН= -lgC(Х + ).
298К рН=7 кезінде таза су және бейтарап орта үшін; қышқыл рН ерітінділері үшін<7, а для щелочных рН>7.
Ортаның реакциясын гидроксил индексімен де сипаттауға болады:
RON= -лга(О - )
немесе шамамен
RON= -IgC(ОХ - ).
Сәйкесінше бейтарап ортада рОН=рН=7; қышқыл ортада pOH>7, ал сілтілі ортада pOH<7.
Судың иондық көбейтіндісі үшін өрнектің теріс ондық логарифмін алсақ, мынаны аламыз:
pH + pOH=14.
Демек, pH және pOH да конъюгаттық шамалар. Сұйылтылған сулы ерітінділер үшін олардың қосындысы әрқашан 14. рН біле отырып, pOH есептеу оңай:
pH=14 – рОН
және керісінше:
РО= 14 - рН.
Ерітінділерде белсенді, потенциалды (резервті) және жалпы қышқылдық ерекшеленеді.
Белсенді қышқылдықерітіндідегі сутегі иондарының белсенділігімен (концентрациясымен) өлшенеді және ерітіндінің рН мәнін анықтайды. Күшті қышқылдар мен негіздердің ерітінділеріндегі рН қышқылдың немесе негіздің концентрациясына және H иондарының белсенділігіне байланысты. + және ол - формулалар арқылы есептеуге болады:
а(Х + )= C(l/z қышқылы)×α әрқайсысы; рН \u003d - lg a (H + )
а(OH - )=C(l/z негіз)×α әрқайсысы; рН \u003d - lg a (OH - )
pH= - lgC(l/z қышқылы) – күшті қышқылдардың өте сұйылтылған ерітінділері үшін
РОН= - lgC(l/z негіз) - негіздердің өте сұйылтылған ерітінділері үшін
Потенциалды қышқылдыққышқыл молекулаларында байланысқан сутегі иондарының санымен өлшенеді, яғни. диссоциацияланбаған қышқыл молекулаларының «қорын» білдіреді.
Жалпы қышқылдық- қышқылдың аналитикалық концентрациясымен анықталатын және титрлеу арқылы анықталатын белсенді және потенциалды қышқылдықтардың қосындысы
Тірі ағзалардың таңғажайып қасиеттерінің бірі қышқыл-негіз
гомеостаз -биологиялық сұйықтықтардың, ұлпалардың және ағзалардың рН тұрақтылығы. 1-кестеде кейбір биологиялық объектілердің рН мәндері берілген.
1-кесте
Кестедегі деректерден адам ағзасындағы әртүрлі сұйықтықтардың рН-ның орналасуына байланысты айтарлықтай кең ауқымда өзгеретінін көруге болады. ҚАН,басқа биологиялық сұйықтықтар сияқты, рН мәнінің тұрақты мәнін сақтауға бейім, оның мәндері 2 кестеде келтірілген.
кесте 2
Көрсетілген мәндерден рН-ның тек 0,3-ке жоғарылауына немесе төмендеуіне өзгеруі ферментативті процестердің алмасуының өзгеруіне әкеледі, бұл адамда ауыр ауруды тудырады. Тек 0,4 рН өзгеруі қазірдің өзінде өмірмен үйлеспейді. Зерттеушілер қышқыл-негіз тепе-теңдігін реттеуге қанның келесі буферлік жүйелері қатысатынын анықтады: гемоглобин, бикарбонат, ақуыз және фосфат. Әрбір жүйенің буферлік сыйымдылықтағы үлесі 3-кестеде көрсетілген.
3-кесте
Ағзаның барлық буферлік жүйелері әсер ету механизмі бойынша бірдей, өйткені олар әлсіз қышқылдан тұрады: көміртегі, дигидрофосфор (дигидрофосфат ионы), белок, гемоглобин (оксогемоглобин) және әлсіз негіздер қасиеті бар осы қышқылдардың тұздары, негізінен натрий. Бірақ организмдегі бикарбонаттар жүйесі жауап беру жылдамдығы бойынша тең емес болғандықтан, біз осы жүйенің көмегімен организмдегі қоршаған ортаның тұрақтылығын сақтау мүмкіндігін қарастырамыз.
Химиялық таза су елеусіз болса да, бірақ өлшенетін электр өткізгіштікке ие, өйткені су аз мөлшерде иондарға диссоциацияланады. Сонымен бөлме температурасында судың 10 8 молекуласының біреуі ғана диссоциацияланған күйде болады. Судың электролиттік диссоциациялану процесі O-H байланыстарының жеткілікті жоғары полярлығы және су молекулалары арасындағы сутектік байланыстар жүйесінің болуына байланысты мүмкін болады. Судың диссоциациялану теңдеуі былай жазылады:
2H 2 O ↔ H 3 O + + OH -,
мұндағы H 3 O + сутегі гидроний катионы.
Су диссоциациясының теңдеуін қарапайым түрде жазуға болады:
H 2 O ↔ H + + OH -.
Судағы сутегі мен гидроксид иондарының болуы оған амфолиттің спецификалық қасиеттерін береді, яғни. әлсіз қышқыл және әлсіз негіз функцияларын орындау қабілеті. 22 0 С температурадағы судың диссоциация константасы:
мұндағы және – сәйкесінше сутегі катиондарының және гидроксо-аниондардың g-ион/л-дегі тепе-теңдік концентрациясы және моль/л-дегі судың тепе-теңдік концентрациясы. Судың диссоциациялану дәрежесі өте аз екенін ескере отырып, диссоциацияланбаған су молекулаларының тепе-теңдік концентрациясын оның 1 литріндегі судың жалпы мөлшеріне теңестіруге болады:
Енді (1) өрнекті келесі түрде жазуға болады:
демек = (1,8 10 -16) 55,56 = 10 -14 г-ион 2 / л 2.
Сутегі иондары мен гидроксо иондарының концентрацияларының көбейтіндісі тек су үшін ғана емес, сонымен қатар тұздардың, қышқылдардың және сілтілердің судағы ерітінділері үшін де тұрақты шама болып табылады. Бұл мән деп аталады судың иондық өнімінемесе су тұрақтысы.Сондықтан: K H2O \u003d \u003d 10 -14 г-ион 2 / л 2.
Бейтарап орта үшін = = 10 -7 г-ион/л. Қышқыл ортада > , ал сілтілі ортада< . При этом в любых средах произведение концентраций ионов водорода и гидроксо-ионов при данной температуре остается постоянным и равным 10 -14 г-ион 2 /л 2 . Таким образом, пользуясь ионным произведением воды, любую реакцию среды (нейтральную, кислую или щелочную) можно количественно выразить при помощи концентрации водородных ионов.
1.2. Сутегі индикаторы - рН
Ортаның реакциясын сандық сипаттау үшін әдетте сутегі иондарының концентрациясы емес, рН-мен белгіленген және деп аталатын кейбір шартты көрсеткіш беріледі. сутегі индексі.Бұл сутегі катиондарының концентрациясының теріс ондық логарифмі рН \u003d - lg.
Бейтарап орта үшін рН = -lg 10 -7 = 7;
қышқыл үшін - рН< 7;
сілтілі үшін - рН > 7.
Ұғым гидроксил индексі pOH = - lg [OH -].
pH + pOH = 14.
рН анықтау машина жасауда және, атап айтқанда, құрылыс бизнесінде үлкен маңызға ие. Әдетте, рН көмегімен өлшенеді көрсеткіштер- сутегі иондарының концентрациясына байланысты түсін өзгерте алатын заттар. Көрсеткіштер әлсіз қышқылдар мен негіздер болып табылады, олардың молекулалары мен иондары әртүрлі түстермен боялған (1-кесте).
1-кесте
Дегенмен, индикаторлар рН мәнін дәл анықтауды бермейді, сондықтан қазіргі заманғы рН өлшемдері электрохимиялық әдістерді қолдану арқылы жүргізіледі, олардың дәлдігі ± 0,01 рН бірлік.
Таза су нашар болса да (электролит ерітінділерімен салыстырғанда) электр тогын өткізе алады. Бұл су молекуласының таза судағы электр тогының өткізгіштері болып табылатын екі ионға ыдырау (диссоциациялану) қабілетіне байланысты (төмендегі диссоциация электролиттік диссоциация – иондарға ыдырауды білдіреді):
Сутегі индексі (рН) – ерітінділердегі сутегі иондарының белсенділігін немесе концентрациясын сипаттайтын шама. Сутегі индексі рН арқылы белгіленеді. Сутегі индексі сутегі иондарының мольмен өрнектелетін белсенділігінің немесе концентрациясының теріс ондық логарифміне сандық түрде тең: pH=-lg[ H+ ] Егер [ H+ ]>10-7 моль/л, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7моль/л – сілтілі орта; pH>7. Тұз гидролизі- бұл әлсіз электролиттің пайда болуына әкелетін тұз иондарының су иондарымен химиялық әрекеттесуі. бір). Гидролиз мүмкін емес Күшті негіз мен күшті қышқылдан түзілген тұз ( KBr, NaCl, NaNO3), гидролизге ұшырамайды, өйткені бұл жағдайда әлсіз электролит түзілмейді.Мұндай ерітінділердің рН = 7. Ортаның реакциясы бейтарап болып қалады. 2). Катиондағы гидролиз (тек катион сумен әрекеттеседі). Әлсіз негіз бен күшті қышқылдан түзілген тұзда
(FeCl2,NH4Cl, Al2(SO4)3,MgSO4)
катион гидролизге ұшырайды:
FeCl2 + HOH<=>Fe(OH)Cl + HCl Fe2+ + 2Cl- + H+ + OH-<=>FeOH+ + 2Cl- + Н+
Гидролиз нәтижесінде әлсіз электролит, Н+ ионы және басқа иондар түзіледі. ерітінді рН< 7 (раствор приобретает кислую реакцию). 3). Гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион). Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой
(KClO, K2SiO3, Na2CO3,CH3COONa)
анионның әсерінен гидролизге ұшырайды, нәтижесінде әлсіз электролит, гидроксид ионы ОН- және басқа иондар түзіледі.
K2SiO3 + HOH<=>KHSiO3 + KOH 2K+ +SiO32- + H+ + OH-<=>HSiO3- + 2K+ + OH-
Мұндай ерітінділердің рН мәні > 7 (ерітінді сілтілі реакцияға ие болады).4). Буынның гидролизі (катион да, анион да сумен әрекеттеседі). Әлсіз негіз бен әлсіз қышқылдан түзілген тұз
(CH 3COONH 4, (NH 4) 2CO 3, Al2S3),
катионды да, анионды да гидролиздейді. Нәтижесінде төмен диссоциацияланатын негіз мен қышқыл түзіледі. Мұндай тұздардың ерітінділерінің рН мәні қышқыл мен негіздің салыстырмалы беріктігіне байланысты. Қышқыл мен негіздің беріктігінің өлшемі сәйкес реагенттің диссоциация константасы болып табылады. Бұл ерітінділердің қоршаған ортасының реакциясы бейтарап, аздап қышқыл немесе аздап сілтілі болуы мүмкін:
Al2S3 + 6H2O =>2Al(OH)3v+ 3H2S^
Гидролиз – қайтымды процесс. Егер реакция ерімейтін негіз және (немесе) ұшқыш қышқыл түзсе, гидролиз қайтымсыз жүреді.
