Хімія. 9 клас. Березан

§ 11. Ступінь електролітичної дисоціації. Сильні і слабкі електроліти рН розчину

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

  • зрозумієте зміст поняття «ступінь електролітичної дисоціації»;
  • дізнаєтесь про класифікацію електролітів, дисоціацію води та водневий показник.

У водних розчинах одні електроліти розпадаються на йони повністю, а інші — частково, тобто частина їх молекул залишається в розчині недисоційованою. Це перш за все стосується речовин, які мають молекулярну будову. У цьому разі для кількісної оцінки процесу дисоціації використовують величину, яку називають ступенем електролітичної дисоціації.

Ступінь електролітичної дисоціації — це відношення кількості молекул (формульних одиниць) електроліту, які розпались на йони, до загальної кількості його молекул (формульних одиниць), які помістили в розчин.

Позначають грецькою літерою α (читається «альфа») і обчислюють як частку від одиниці або у відсотках. Запишемо формули для обчислення ступеня дисоціації:

або для обчислення ступеня дисоціації у відсотках використаємо таку формулу:

де X — формульна одиниця електроліту;

N (Х)дисоц. — кількість молекул електроліту X, які розпались на йони;

N (Х)загал. — кількість молекул електроліту X, які помістили у воду.

Із формули (І) видно, що α може змінюватися від нуля до одиниці.

0 ≤ α ≤ 1 або 0% ≤ α ≤ 100%

У виразах (І) і (II) кількість молекул можна замінити на кількість речовини:

де n(Х)дисоц. — кількість речовини електроліту, яка продисоціювала;

n(Х)загал. — кількість речовини електроліту, використаного для приготування його розчину.

Проаналізуймо зміст α на конкретному прикладі: якщо α(HF) = 30 %, то це означає, що 30 % молекул речовини перебуває в розчині в дисоційованому стані, відповідно 70 % молекул залишаються недисоційованими.

Рис. 11.1. Ступінь дисоціації флуоридної кислоти

Сильні та слабкі електроліти

Залежно від ступеня дисоціації електроліти поділяють на сильні й слабкі.

Сильні електроліти — це такі електроліти, які у водних розчинах повністю (або майже повністю) дисоціюють на йони. Ступінь їх дисоціації практично дорівнює 1 (100 %) і не залежить від концентрації речовини.

До сильних електролітів належать:

  • 1) розчинні у воді солі;
  • 2) луги;
  • 3) низка кислот: HNO3, H2SO4, HBr, HI, HCl, HClO4, HMnO4.

Слабкі електроліти — це електроліти, які у водних розчинах дисоціюють на йони не повністю, тобто ступінь їх дисоціації значно менший за 1 (менший за 100 %).

Дисоціація відбувається не повною мірою, а тому в розчині слабкого електроліту містяться не лише йони, а й молекули електроліту.

Багатоосновні кислоти дисоціюють ступінчасто в кілька стадій. Кожна стадія характеризується своїм ступенем дисоціації. Наприклад, для ступінчастої дисоціації H3AsO4 можна записати три рівняння дисоціації:

H3AsO4 H+ + H2AsO-4 (перша стадія);

H2AsO-4 H+ + HAsO2-4 (друга стадія);

HAsO2-4 ⇄ H+ + AsO3-4 (третя стадія).

Позначимо ступінь дисоціації на першій стадії α1 на другій — α2, на третій — α3. Кислота завжди дисоціює за першою стадією повніше, ніж за другою, за другою — повніше, ніж за третьою, тобто α1 > α2 > α3. Це пояснюється тим, що енергія, потрібна для відриву йона Н+ від нейтральної молекули, мінімальна і зростає під час дисоціації на кожній наступній стадії.

До слабких електролітів належать:

  • 1) слабкі та середньої сили кислоти: Н2СО3, H2S, H2SO3, H2SiO3, HNO2 HF;
  • 2) нерозчинні й малорозчинні у воді основи (утворені р-, d- і f-елементами), амоній гідроксиду NH4OH;
  • 3) майже всі органічні кислоти;
  • 4) вода.

Дисоціація води. Поняття про водневий показник

Дисоціацію води описують рівнянням: Н2O ⇄ Н+ + ОН-.

Вода — дуже слабкий електроліт: за температури 25 °С (стандартні умови) лише одна молекула води з 555 мільйонів розпадається на йони:

Обчислимо кількість речовини води, яка дисоціює:

n(Н2О) = 1,8 · 10-9 · 55,56 = 10-7 моль.

Це означає, що в 1 л води міститься 10-7 моль йонів Н+ і 10-7 моль йонів ОН-. Про воду кажуть, що вона має нейтральну реакцію.

Розчини, у яких вміст йонів H+ і ОН- є однаковим, називають нейтральними.

Якщо до води додати лугу, кількість йонів ОН- збільшиться; кажуть, що розчин став лужним.

Розчини, у яких вміст йонів Н+ менший, ніж вміст гідроксид-іонів, називають лужними.

Якщо до води додати кислоти, кількість йонів Н+ збільшиться; кажуть, що розчин став кислотним.

Розчини, у яких вміст йонів H+ перевищує вміст гідроксид-іонів ОН-, називають кислотними.

Лабораторний дослід 2

Установлення приблизного значення pH води, лужних і кислих розчинів (натрій гідроксиду, хлоридної кислоти).

Останніми роками до складу косметичних кремів уводять різні речовини, що впливають на кислотність кремів. Кислі й лужні креми мають негативний вплив на шкіру. В емульсійних косметичних кремах типу олія/вода вміст води, що є дисперсійним середовищем, становить 70-90 %. Кількість жирної фази (олії чи жироподібної речовини) обмежена 10-30 %. Такі засоби не залишають жирного сліду на шкірі, легко видаляються, змиваються водою. Дослідіть зразок крему, шампуню, який видав вам учитель, за допомогою універсального індикаторного папірця.

Лабораторний дослід 3

Дослідження pH харчової і косметичної продукції (кефіру, яблучного соку, крему для рук, шампуню).

У пробірках міститься невелика кількість води, розчину натрій гідроксиду, хлоридної кислоти.

1. За допомогою скляної палички нанесіть краплю рідини з кожної пробірки на смужку універсального індикаторного папірця. Що спостерігаєте?

2. Нанесіть на смужку універсального індикаторного папірця невелику кількість кефіру, яблучного соку, крему для рук чи шампуню. Що спостерігаєте?

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

У хімії часто використовують молярну концентрацію (С), яка визначається відношенням кількості речовини розчиненої сполуки в 1 л розчину і вимірюється в моль/л. За рівнянням дисоціації води обчислимо молярну концентрацію йонів Н+ та ОН- у воді: С(Н+) = С(ОН-) = 10-7 : 1 = 10-7 (моль/л).

Концентрація йонів Гідрогену [Н+] в розчині є мірою кислотності середовища. У чистій воді й нейтральних розчинах за температури 25 °С концентрація становить 10-7 моль/л. Для зручності її виражають через водневий показник pH; читається «пе аш» (від лат. potentia hydrogeni — сила водню).

Якщо концентрація йонів Н+ в розчині становить 10-1 моль/л, тобто 0,1 моль/л, то рН = 1. У нейтральних розчинах рН = 7, у кислотних — рН < 7,улужних — рН > 7. Кислотність розчинів можна визначати приблизно за допомогою кислотно-лужних індикаторів або точно — за допомогою приладу рН-метра.

Індикаторний метод ґрунтується на тому, що деякі індикатори (органічні речовини-барвники) змінюють своє забарвлення за різних значень pH.

Наведені індикатори змінюють своє забарвлення в малому інтервалі pH, який називають інтервалом переходу pH:

Табл. 11.1. Концентрації іонів Н+ і значення pH

Є універсальні індикатори, за допомогою яких можна встановити значення pH в широкому діапазоні (1-12) з точністю до 1. Для кожного універсального індикатора характерна своя еталонна кольорова шкала. Під час дослідження смужку універсального індикаторного паперу змочують у досліджуваному розчині і, поклавши на білу поверхню, що не вбирає вологи, швидко порівнюють колір смужки з еталонною шкалою.

Універсальні індикатори — слабкі органічні кислоти або основи, що становлять супряжену пару, кислотна та основна форма яких розрізняється за кольором. Зміна забарвлення цих індикаторів пов'язана зі зміною структури їх молекул у зв'язку з віддачею чи приєднанням іонів Н+.

Визначення кислотності середовища має важливе практичне значення в хімії, біології, медицині, харчовій промисловості, сільському господарстві.

Рис. 11.2. Приклад еталонної кольорової шкали універсального індикатора

Так, ґрунтознавцям обов'язково потрібно знати pH ґрунтів, щоб правильно здійснювати комплекс агрохімічних заходів для вирощування високих урожаїв. Фізіологам іноді важливо знати pH крові, шлункового соку, інших біологічних рідин і тканин. Зазвичай більшість промислових, хімічних і біологічних процесів відбувається за певних значень pH розчину.

Табл. 11.2. Значення кислотності розчинів деяких речовин і природних рідин

Рідина (тканина) людського організму, речовина

pH

шлунковий сік

0,86-8,3

лимонний сік

2,2

столовий оцет

2,9

яблучний сік

з,о

томатний сік

4,1

апельсиновий сік

4,3

кава чорна

5,0

шкіра людини (епідерміс)

5-6

чай

5,5

шампунь

5,5

питна вода

6,5-8,5

молоко коров'яче свіже

6,7

слина людини

6,8-7,4

молоко грудне

6,9-7,5

дистильована вода (за температури 25 °С)

7

вміст тонкої кишки

7-8

сироватка крові

7,5

морська вода

8,0

розчин питної соди

8,4

вміст товстої кишки

8,5-9,0

туалетне мило

9,0-10,0

нашатирний спирт

11,2

хлорне вапно

12,5

Значення pH крові — це показник здоров'я та імунітету людини. У зв'язку з ослабленням імінунітету розвиваються хвороби (серед них — онкологія).

Для того щоб контролювати стан свого здоров'я, потрібно регулярно робити дослідження крові на pH. Дуже важливо підтримувати кислотно-лужну рівновагу в організмі. Якщо вона порушується, то людина починає хворіти, раніше старіти. Рівень pH крові вважають нормальним, якщо він сягає значень від 7,35 до 7,45. Для дорослої людини норма приблизно 7,42. У разі зсуву pH на 0,2 розвивається коматозний стан, а на 0,3 — людина помирає.

Підсумки

  • 1. Ступінь електролітичної дисоціації — це відношення кількості молекул електроліту, які розпались на йони, до загальної кількості його молекул, які помістили в розчин.
  • 2. Залежно від ступеня електролітичної дисоціації електроліти поділяють на сильні та слабкі.
  • 3. Сильні електроліти у водних розчинах повністю або майже повністю дисоціюють. Слабкі електроліти у водних розчинах дисоціюють частково.
  • 4. У чистій воді й нейтральних розчинах за температури 25 °С концентрація йонів Н+ становить 10-7 моль/л. Для зручності її виражають через водневий показник pH; читається «пе аш» (від лат. potentiа hydrogeni — сила водню).

Контрольні запитання

  • 1. Що таке ступінь електролітичної дисоціації?
  • 2. На які групи поділяють електроліти залежно від ступеня електролітичної дисоціації?
  • 3. Запишіть формули для визначення ступеня дисоціації.
  • 4. Які значення може мати ступінь дисоціації електроліту?
  • 5. Який ступінь дисоціації має вода?
  • 6. Які розчини називають нейтральними, кислотними, лужними? Наведіть приклади.
  • 7. Яке значення pH відповідає нейтральному розчину?
  • 8. Які значення pH має слабокислотне середовище?
  • 9. Як за допомогою індикаторів можна визначити pH розчину?
  • 10. Водневий показник водного розчину електроліту становить 5. Укажіть характер середовища.

Вправи та задачі

1. Значення pH розчину становить 11. Укажіть характер середовища.

2. Водневий показник розчину становить 10. Як зміниться колір фенолфталеїну в цьому розчині?

3. Наведіть приклади сполук, водні розчини яких можуть мати pH =13.

4. Досліджуючи персиковий сік універсальним індикатором, виявили: значення pH = 3. Охарактеризуйте кислотність цього соку.

5. У 0,1 л води розчинили 0,02 моль ферум(ІІІ) сульфату. Обчисліть сумарну кількість речовини катіонів і аніонів, якщо відбулась повна дисоціація солі.

6. Воду, яка залишилась після прання милом, дослідили лакмусом. Виявили зміну кольору індикатора на синє. Яке середовище в цьому розчині?

7. У свіжоприготовленому яблучному соці метиловий оранжевий змінив своє забарвлення на рожеве. Охарактеризуйте кислотність приготовленого соку.