Электролитическая диссоциация: решение задач

Теоретический материал приведен на страницах:

Освежим в памяти основные моменты, которые необходимы при решении задач.

Степень диссоциации (α) - отношение кол-ва молекул, которые распались на ионы (N'), к общему кол-ву растворенных молекул (N):

α = N'/N

α=0 - диссоциация отсутствует;
α=0-3% - слабые электролиты - слабые кислоты (H₂SO₃, H₂S, H₂SiO₃), слабые основания;
α=3%-30% - средние электролиты;
α=30%-100% - сильные электролиты - соли, сильные кислоты (HCl, HBr, HNO₃, H₂SO_4(разб.)), некоторые основания (LiOH, KOH, NaOH);
α=100% - полная диссоциация.

Степень диссоциации зависит от концентрации раствора.

Константа диссоциации электролита (K) - количественная характеристика диссоциации - отношение произведений концентрации ионов, образованных при диссоциации, к концентрации исходных частиц. Для электролита АВ, который диссоциирует по уравнению АВ↔A^-+B⁺:

K = ([A^-][B⁺]):[AB]

Константра диссоциации не зависит от концентрации веществ и может колебаться в очень ширком диапазоне - от 10^-16 до 10¹⁵.

Степень и константа диссоциации связаны между собой соотношением, называемым Законом разведения Оствальда:

K = ([A^-][B⁺]):[AB] = C(α²:(1-α))

Для слабых электролитов:

K ≈ α²C
α ≈ √(K/C)

Диссоциация воды и её константа диссоциации:

H₂O ↔ H⁺+OH^-
K = ([OH^-][H⁺]):[H₂O]

Поскольку вода является очень слабым электролитом, то концентрация [H₂O] является практически неизменной, поэтому, остаётся постоянной и константа диссоциации воды (ионное произведение воды):

K_ω = [OH^-][H⁺] = 10^-14(при 25°C)

Для чистой воды:

[OH^-]=[H⁺] = √10^-14 = 10^-7 моль/л

На практике пользуются водородным показателем pH=-lg[H⁺]:

pH=7 - нейтральная среда;
pH<7 - кислая среда;
pH>7 - щелочная среда.

Диссоциация кислот и оснований

Константа диссоциации одноосновных кислот (K_a-кислотный тип диссоциации; А^--кислотный остаток):

K_а = ([А^-][H⁺]):[HА]

Многоосновные кислоты диссоциируют в несколько стадий, у каждой из которых своя константа диссоциации.

Константа диссоциации оснований обозначается K_b.

Диссоциация малорастворимых веществ

Константа диссоциации малорастворимых веществ называется произведением растворимости (ПР).

AgCl_тв=Ag⁺+Cl^-
K = ([Аg⁺][Cl^-]):[AgCl_тв]
ПР(AgCl) = [Аg⁺][Cl^-] = const

При наличии в растворе нескольких электролитов они диссоциируют в сторону образования: 1) осадков; 2) газов; 3) слабых электролитов.

Взаимодействие солей с водой с образованием кислой и основной соли называется гидролизом.

Примеры решения задач

Пример 1. Написать молекулярное уравнение, соответствующее ионному уравнению взаимодействия иона водорода (H⁺) с гидроксид-ионом (OH^-).

Решение:

ион водорода реагирует с гидроксид-ионом с образованием молекулы воды (реакция нейтрализации):
```
H⁺+OH^- = H₂O
```
ионы водорода образуются при диссоциации сильных кислот (HCl);
гидроксид-ионы образуются при диссоциации сильных оснований (NaOH);
```
HCl+NaOH = NaCl+H₂O
```

Пример 2. Написать молекулярное уравнение, соответствующее ионному уравнению взаимодействия иона водорода с карбонат-ионом.

Решение:

карбонат-ионы реагируют с ионами водорода с образованием гидрокарбонат-ионов (реакция протекает при недостатке ионов водорода):
```
H⁺+CO₃^2- = HCO₃^-
```
второй вариант данной реакции - образование неустойчивой угольной кислоты, распадающейся на воду и оксид углерода (протекает при избытке ионов водорода):
```
2H⁺+CO₃^2- = H₂CO₃ → H₂O+CO₂↑
```

Молекулярные уравнения реакций:

HCl+Na₂CO₃ = NaHCO₃+NaCl
2HCl+Na₂CO₃ = 2NaCl+CO₂↑+H₂O

Пример 3. Написать молекулярное уравнение, соответствующее ионному уравнению взаимодействия иона серебра с гидроксид-ионом.

Решение:

ион серебра реагирует с гидроксид-ионом с образованием неустойчивого соединения гидроксида серебра, распадающегося на воду и оксид серебра:
```
2Ag⁺+2OH^-=H₂O+Ag₂O↓
```
ионы серебра образуются при диссоциации растворимых солей серебра (AgNO₃);
гидроксид-ионы образуются при диссоциации сильных оснований (NaOH);
```
2AgNO₃+2NaOH=H₂O+Ag₂O↓+2NaNO₃
```

Пример 4. При взаимодействии каких растворов получится карбонат кальция (CaCO₃)?

Решение:

Из таблицы растворимости видно, что карбонат кальция нерастворим в воде.

Сокращенное ионное уравнение для получения CaCO₃ будет иметь следующий вид:
```
Ca²⁺+CO₃^2- = CaCO3↓
```
Для решения задачи подойдет любое растворимое соединение кальция, которое будет диссоциировать с образованием ионов Ca²⁺, например, хлорид или нитрат кальция - CaCl₂ или Ca(NO₃)₂;
В качестве донора ионов CO₃^2- сойдет любой растворимый в воде карбонат, например, Na₂CO₃ или K₂CO₃;
Один из вариантов молекулярного уравнения:
```
CaCl₂+Na₂CO₃ = CaCO₃↓+2NaCl
```

Пример 5. Растворы каких солей нужны для получения:

карбоната бария BaCO₃;
фосфата кальция (V) Ca₃(PO₄)₂;
сульфата свинца PbSO₄

Решение:

BaCO₃

Ba²⁺+CO₃^2- → BaCO₃↓
BaCl₂+K₂CO₃=BaCO₃↓+2KCl

Ca₃(PO₄)₂

3Ca²⁺+2PO₄^2- → Ca₃(PO₄)₂↓
3CaCl₂+2Na₃PO₄=6NaCl+Ca₃(PO₄)₂↓

PbSO₄

Pb²⁺+SO₄^2- → PbSO₄↓
Pb(NO₃)₂+K₂SO₄ = PbSO₄↓+2KNO₃

Пример 6. Какие вещества образуются при взаимодействии растворов сульфата натрия (Na₂SO₄) и хлорида бария (BaCl₂)?

Решение:

Из таблицы растворимости видно, что обе соли растворимы в воде:
```
Ba²⁺+2Cl^- → BaCl₂
2Na²⁺+SO₄^2- → Na₂SO₄
```
При слиянии растворов образуются катионы натрия и бария и анионы хлора и оксида серы. Из таблицы растворимости видно, что нерастворимую в воде соль даст сочетание Ba²⁺ и SO₄^2-:
```
Ba²⁺+SO₄^2-=BaSO₄↓
```
Уравнение реакции будет иметь вид:
```
Na₂SO₄+BaCl₂=BaSO₄↓+2NaCl
```

Пример 7. Какая соль выпадет в осадок при взаимодействии нитрата серебра (AgNO₃) и хлорида кальция (CaCl₂)? Написать уравнение реакции.

Решение:

2AgNO₃+CaCl₂ = 2AgCl↓+Ca(NO₃)₂
2Ag⁺+2NO₃^-+Ca²⁺+2Cl^- = 2AgCl↓+2NO₃^-+Ca²⁺
2Ag⁺+2Cl^- = 2AgCl↓
Ag⁺+Cl^- = AgCl↓  - хлорид серебра

Пример 8. Каким образом можно очистить поваренную соль (NaCl) от сульфата натрия (Na₂SO₄)?

Решение:

Идея решения задачи заключается в добавлении в раствор поваренной соли и сульфата натрия вещества, способного распадаться на ионы, которые свяжут ионы оксида серы в нерастворимую соль, высвободив тем самым ионы натрия.

Роль связывающего вещества выполнит хлорид кальция CaCl₂.

Na₂SO₄+2NaCl+CaCl₂ = CaSO₄↓+4NaCl
2Na⁺+SO₄^2-+2Na⁺+2Cl^-+Ca²⁺+2Cl^-=CaSO4↓+4Na⁺+4Cl^-
SO₄^2-+Ca²⁺=CaSO4↓

После того, как CaSO₄↓ выпадет в осадок, полученный раствор необходимо будет отфильтровать, после чего в фильтрате будет присутствовать чистая поваренная соль.

Пример 9. Написать молекулярное и ионное уравнение реакции хлорида алюминия с нитратом серебра.

Решение:

Молекулярное уравнение:
```
AlCl₃+3AgNO₃ = 3AgCl↓+Al(NO₃)₃
```

Полное ионное уравнение:

Al³⁺+3Cl^-+3Ag⁺+3NO₃^- = 3AgCl↓+Al³⁺+3NO₃^-

Сокращенное ионное уравнение:
```
3Ag⁺+3Cl^- = 3AgCl↓
Ag⁺+Cl^- = AgCl↓
```

Пример 10. Рассчитать концентрацию ионов, образующихся при смешении 1 литра 0,25М раствора BaCl₂ и 1 литра 0,5М раствора Na₂SO₄, после выпадения BaSO₄ в осадок.

Решение:

Молекулярное уравнение реакции:
```
BaCl₂+Na₂SO₄ = BaSO₄↓+2NaCl
```
Сокращенное ионное уравнение:
```
Ba²⁺+SO₄^2- = BaSO₄↓
```

Рассчитаем исходные кол-ва ионов:

ν(Ba²⁺)=cV=0,25 моль
ν(Cl^-)=ν(Ba²⁺)=0,5 моль
ν(SO₄^2-)=0,5 моль
ν(Na⁺)=2ν(SO₄^2-)=1 моль

(Ba²⁺) в обменной реакции присутствует в недостатке, поэтому, в реакцию вступает не 0,5, а только 0,25 SO₄^2-;
Объем полученного раствора 1+1=2 литра;

Рассчитаем молярные концентрации ионов:

c(Cl^-)=ν/V=0,5/2=0,25 моль/л
c(SO₄^2-)=(0,5-0,25)/2=0,125 моль/л
c(Na⁺)=1/2=0,5 моль/л

Пример 11. Рассчитать pH водного раствора 0,1М HCl; 0,1M NaOH.

Решение:

HCl - сильная кислота, диссоциирует полностью, уравнение диссоциации:
```
HCl → H⁺+Cl^-
[H⁺]=0,1 моль/л
pH = -lg(10^-1) = -(-1) = 1
```
NaOH - сильное основание, диссоциирует полностью, уравнение диссоциации:
```
NaOH → Na⁺+OH^-
[OH^-]=0,1 моль/л
[H⁺]=K_ω/[OH^-]=10^-14/0,1=10^-13
pH = -lg(10^-13) = -(-13) = 13
```

Пример 12. Рассчитать концентрацию ионов водорода в растворе аммиака с концентрацией 1,5 моль/л (K=1,7·10^-5).

Решение:

Формула равновесия, установленного в водном растворе аммиака:
```
NH₃+H₂O ↔ NH₄⁺+OH^-
K = [NH₄⁺][OH^-]/[NH₃]=1,7·10^-5
```
Обозначим через x равновесную концентрацию [OH^-]; тогда [NH₄⁺]=x; [NH₃]=1,5-x:
```
K = x·x/(1,5-x)=x²/(1,5-x)=1,7·10^-5
x = 5·10^-3

[H⁺]=K_ω/[OH^-] = 10^-14/(5·10^-3) = 2·10^-12моль/л
```

Пример 13. Какое кол-во осадка образуется при смешении 250 мл растворов нитрита лития (концентрация 0,3 моль/л) и фторида натрия (0,2 моль/л), если произведение растворимости фторида лития ПР(LiF)=1,5·10^-3.

Решение:

Уравнение реакции:
```
Li⁺+F^-=LiF↓
```

Рассчитаем исходные кол-ва ионов:

ν(Li⁺)=cV=0,3·0,25=0,075 моль/л
ν(F^-)=cV=0,2·0,25=0,05 моль/л

Объем раствора равен 0,25+0,25=0,5 л
Если обозначить через x моль кол-во выпавшего осадка LiF, тогда произведение концентрации ионов в растворе будет равно:
```
ПР=[Li⁺][F^-]
ПР=[(0,05-x)/0,5][(0,075-x)/0,5]=1,5·10^-3
x=0,039
```
Масса выпавшего осадка:
```
m(LiF)=0,039·26=1,014≈1 г
```

В начало страницы

Решение задач по химии

Электролитическая диссоциация: решение задач

Диссоциация кислот и оснований

Диссоциация малорастворимых веществ

Примеры решения задач