Определение рН растворов. Пользуясь универсальным индикатором, определить значение рН воды и 0,1 н. растворов хлороводородной, уксусной и фосфорной кислот, а также оснований: едкого натра, аммиака.
Различаются ли величины рН растворов кислот одинаковой нормальности?
Испытать, будут ли изменяться рН растворов фосфорной и уксусной кислот и аммиака при внесении сухих солей: фосфата натрия, ацетата натрия и хлоида аммония в соответствующие растворы. Объяснить наблюдаемое явление.
Упражнения
1. Сколько воды нужно добавить к 300 мл 0,2 М раствора уксусной кислоты, чтобы степень протолиза кислоты удвоилась?
2. Определите степень протолиза бромноватистой кислоты, если в ее растворе pH = 6. Какова концентрация кислоты в этом растворе?
3. Водородный показатель раствора равен 3. Какова для этого должна быть концентрация а) азотной, б) уксусной кислоты?
4. Как надо изменить концентрацию а) ионов оксония, б) гидроксид-ионов в растворе, чтобы водородный показатель раствора увеличился на единицу? 5. Сколько ионов оксония содержится в 1 мл раствора при pH = 12?
6. Как изменится водородный показатель воды, если к 10 л ее добавить 0,4 г NaOH?
7. Рассчитайте концентрации ионов оксония и гидроксид-ионов, а также значения водородного и гидроксидного показателей в следующих водных растворах: а) 0,01 М раствор HCl; б) 0,01 М раствор CH3COOH; в) 0,001 М раствор NaOH; г) 0,001 М раствор NH3.
8. Что называется кислотой, а что основанием? Какие теории имеются на этот счет? Приведите примеры кислот и оснований по Бренстеду и Льюису. 9. Почему в водных растворах речь идет о кислотно-основных равновесиях? Приведите примеры сопряженной кислоты и сопряженного основания.
10. Докажите что этиламин является основанием. Какая реакция способствует созданию щелочной реакции в его водном растворе?
11. В каких случаях возможно протекание ионных реакций в водных растворах? Приведите соответствующие примеры таких реакций.
12.Что такое рН и рОН? Чему равен рН 0,1 молярных растворов уксусной кислоты и гидроксида аммония, если степень их диссоциации, при данных условиях равна 1,3%?
Лабораторная работа 10. Протолиз (гидролиз) солей [3-6]
Теоретическая часть
Протолиз (гидролиз) по аниону соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой
Протолиз (гидролиз) по катиону соли слабого основания и сильной кислоты
Протолиз (гидролиз) по катиону и аниону соли слабого основания и слабой кислоты
Протолиз (гидролиз) соли Na2CO3 по аниону
Первая стадия протолиза состоит в протонизации аниона CO32- :
CO32- + H2O - HCO3- + ОН- (1)
Вторая стадия протолиза состоит в протонизации аниона HCO3-:
HCO3- + H2O - H2CO3 + ОН- (2)
Реакция (2) при обычных условиях практически не протекает, так как полностью подавлена доминирующей реакцией (1), вследствие образования сильного основания ОН-.
Реакция
CO32- + 2H2O - H2CO3 + 2ОН-
при обычных условиях практически не протекает, из-за накопления в растворе ионов ОН-.
Протолиз (гидролиз) соли AlCl3 по катиону:
[Al(H2O)6]3+ + H2O - [AlОН(H2O)5]2+ + H3O+ (1)
[AlОН(H2O)5]2+ + H2O - [Al(ОН)2(H2O)4]+ + H3O+ (2)
[Al(ОН)2(H2O)4]+ + H2O - Al(ОН)3 v + H3O+ + 3H2O (3)
Протекание реакций (2) и (3) маловероятно, так как в кислотной среде (накопление ионов H3O+) частицы [AlОН(H2O)5]2+ будут проявлять только свойства основания. Поэтому равновесие реакции (1) сильно смещено влево.
Таким образом, реакции (2) и (3) полностью подавлены частицами оксония, их протекание возможно только в нейтральной или щелочной средах.
Протолиз (гидролиз) карбоната аммония по катиону и аниону
(NH4)2CO3> 2NH4+ + CO32-
NH4+- кислота, CO32- - основание. Протолиз протекает как по катиону, так и по аниону:
-гидролиз по катиону:
NH4+ + H2O - NH3 + H3O+ (1)
-гидролиз по аниону:
CO32- + H2O - HCO3- + ОН- (2 )
Необходимо отметить, что вторая стадия гидролиза по аниону:
HCO3- + H2O - H2CO3 + ОН- (3 )
практически реализуется и протекает до конца, так как частицы ОН-, образуемые в реакции (2), нейтрализуются сильной кислотой H3O+, образуемой по реакции (1):
H3O+ + HO- > H2O
В связи с этим, равновесия реакций (1) и (2) полностью смещаются вправо.
Таким образом, реакция протолиза (NH4)2CO3 идет до образования углекислого газа:
(NH4)2CO3 + H2O - 2NH3 .H2O + СО2^ (4)
Следует отметить, что вместо реакций (1) и (2) более предпочтительна реакция внутримолекулярного кислотно-основного взаимодействия:
2NH4+ + CO32- - 2NH3 + H2O + СО2 ^ , (5)
так как образуются слабая кислота и слабое основание одновременно, в отличие от реакций (1) и (2), в которых образуются сильная кислота H3O+ и сильное основание ОН- соответственно. Далее аммиак в водном растворе гидратируется:
2NH3 + 2H2O - 2NH3.H2O
Существование молекулярных частиц NH4ОН, а также NH4+ и ОН- в водном растворе маловероятно. Мы исходим из того, что частицы, в состав которых входят кислота и основание ((NH4)2CO3, (NH4)2S, NH4NO2 и т.д.), в водных растворах (в твердой фазе тоже) будут разваливаться за счет внутримолекулярного кислотно-основного взаимодействия:
NH4ОН > NH3 + H2O > NH3.H2O
(NH4)2S = 2NH3 + Н2S
Совместный протолиз (гидролиз) солей Na2S и AlCl3
1. Ионизация в растворе:
Na2S > 2Na+ + S2- ; AlCl3 > Al3++ 3Cl- (ионы Al3+ и S2- - протолиты).
2.Протолиз по катиону и аниону:
[Al(H2O)6]3+ + 3H2O - Al(ОН)3 v + 3H3O+ + 3H2O 2 (1)
S2- + 2H2O - Н2S + 2HO- 3 (2)
Реакции (1) и (2) практически идут до конца, так как имеет место процесс нейтрализации:
H3O+ + HO- > H2O
Составим суммарный процесс протолиза, балансируя протоны:
2Al3+ + 3S2- + 6H2O - 2Al (ОН) 3v + 3Н2S^ (4)
или
2AlCl3 + 3Na2S + 6H2O - 2Al (ОН) 3v + 3Н2S^ + 3NaCl
Но следует отметить, что вместо реакций (1) и (2) более предпочтительна реакция внутримолекулярного кислотно-основного взаимодействия:
[Al(H2O)6]3+ + S2- > [Al(H2O)5ОН]2+ + HS- (5)
[Al(H2O)5ОН]2+ + HS- > [Al (H2O)4(ОН)2 ]+ + Н2S^
[Al (H2O)4(ОН)2 ]+ + HS- > Al (ОН)3v + Н2S^ + 3H2O
Экспериментальная часть
1. Реакция среды водных растворов солей
Ход работы. Исследовать реакцию среды растворов Na2CO3, Na2S, FeCl3, AlCl3, NH4Cl, NH4CH3COO, NH4NO2, NaCl, Na2SO4, нанося капли раствора на лакмусовую бумажку стеклянной палочкой. Определить рН растворов этих солей.
Написать молекулярные, ионные и сокращенные ионные уравнения реакций протолиза (гидролиза) солей. В каком случае гидролиз протекает до конца? Почему гидролиз солей в остальных случаях не идет до конца?
Для каждой реакции написать выражение для константы гидролиза.
Результаты испытаний растворов солей представить в виде таблицы:
Таблица 6
Влияние температуры на степень гидролиза.
1. Набрать в пробирку 1 мл раствора FeCl3 и определить индикатором реакцию среды. Затем нагреть раствор до кипения. Наблюдается ли выпадения осадка? Написать уравнения химических реакций.
2. Смешать в пробирке по 1 мл раствора FeCl3 и CH3COONa и добавить несколько капель фенолфталеина. Заметно ли протекание химической реакции? Затем нагреть раствор до кипения. Что наблюдается? Написать уравнения химических реакций.
3. Налить в пробирку 1 мл раствора Na2CO3 и добавить 2-3 капли фенолфталеина. Что наблюдается? Нагреть затем раствор до кипения. Как изменяется окраска раствора? Написать уравнение реакции протолиза.
Влияние концентрации раствора на степень гидролиза. 1. Налить в пробирку 1 мл 0,1 М раствора AlCl3 и с помощью лакмуса определить рН раствора. Затем добавить 2мл дистиллированной воды и с помощью лакмуса определить рН раствора. Сравните результаты опытов. Написать уравнение реакции гидролиза, считая, что до разбавления гидролиз практически протекает по первой ступени, а после разбавления усиливается и вторая ступень гидролиза.
2. В одну пробирку внести 1 мл 1 М раствора Na2CO3, в другую - 1 мл 0,5 М раствора Na2CO3. В каждую из них добавить по 2 капли фенолфталеина и перемешать. Объяснить различия интенсивности окраски растворов.
Обратимость гидролиза. 1. К раствору AlCl3 добавить по каплям раствор щелочи до образования осадка гидроксида алюминия Al(ОН)3. К осадку добавить раствор НСl до растворения осадка. После этого добавить воду. Какие явления наблюдаете? Написать уравнения реакции в молекулярной, ионной и сокращенной ионной форме.
2. К раствору Na2CO3 добавить 2-3 капли фенолфталеина. Отметить окраску раствора. Часть раствора слить в другую пробирку и нагреть до кипения. Отметить интенсивность окраски раствора. После охлаждения раствора, сравнить с контрольным образцом. Объяснить наблюдаемые явления. Написать уравнение реакции гидролиза в молекулярной, ионной и сокращенной ионной форме.
Полный (необратимый) гидролиз солей. В пробирку налить 1 мл раствора AlCl3 и добавить 1 мл раствора Na2CO3. После нагрева и охлаждения раствора отфильтровать осадок, промыть его горячей водой.
Что из себя представляет осадок? Написать уравнение реакции совместного гидролиза солей в молекулярной, ионной и сокращенной ионной форме.
Лабораторная работа 11. Окислительно-восстановительные реакций
Теоретическая часть
Представлена (схема 1) предлагаемая нами современная классификация окислительно-восстановительных реакций [7,8].
Таблица 7
Конмутация (сопропорционирование) - это окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой происходит выравнивание степеней окисления атомных частиц одного и того же химического элемента.
Конмутация бывает внутримолекулярной и межмолекулярной ОВР [7,8]:
Схема 2. Внутримолекулярная и межмолекулярная конмутация: (Ах , Аy ) - атомные частицы химического элемента (А) в исходном (исходных) веществе (веществах); Аz - атомные частицы химического элемента (А) в продукте реакции; x, y и z - степени окисления атомных частиц [7,8] .
В реакциях внутримолекулярной конмутации (схема 1, 2) происходит выравнивание степеней окисления атомных частиц, входящих в состав частицы одного вещества:
В реакциях межмолекулярной конмутации (схема 1, 2) происходит выравнивание степеней окисления атомных частиц , входящих в состав частиц различных веществ:
2H2S + SO2 = 3S + 2H2O
восстановитель окислитель
S-2 - 2з = Sо 2
S+4 + 4з = Sо 1
2KMnO4(р) + 3MnCl2 + 2H2O = 5МnО2vтемно-корич + 2KCl + 4HCl,
HCl + HClO = Cl2 + H2O.
Дисмутация (диспропорционирование, самоокисление-самовосстанов-ление) -это ОВР, в которых перенос электрона происходит между атомными частицами химического элемента с промежуточной степенью окисления.
В соответствии с представленной нами классификацией (в отличие от существующей) реакции с дисмутацией делятся на межмолекулярные и внутримолекулярные и входят в соответствующие типы ОВР (схема 1,3):
Схема 3. Внутримолекулярная и межмолекулярная дисмутация: (Ах )- атомные частицы химического элемента (А) в промежуточной степени окисления (х); (Аy, Аz ) - атомные частицы (А) в продуктах; (z и y) - степени окисления атомных частиц.
В реакциях с внутримолекулярной дисмутацией (схема 1, 3) перенос электрона происходит между одноименными атомными частицами с промежуточной степенью окисления, входящими в состав частицы вещества:
Cl2 + 2KOHр = KCl + KClO + H2O (на холоду)
восстановитель , окислитель Clо + 1з = Cl- 1 восстановлени
Clо - 1з = Cl+ 1 окисление
В реакциях с межмолекулярной дисмутацией (схема 1, 3) перенос электрона происходит между частицами вещества:
NO2 + NO2 + 2NaOH = NaNO2 + NaNO3 + H2O
окислитель восстановитель
(восстановление) или N+4 + 1з = N+3 1
(окисление) N+4 - 1з = N+5 1
Направление окислительно-восстановительных процессов
Мерой окислительно-восстановительной способности веществ в водных растворах служат окислительно-восстановительные или стандартные электродные потенциалы, которые позволяют вычислить электродвижущую силу (ЭДС, 0) процесса. Она определяется как разность потенциалов окислителя и восстановителя 0 = 0окисл.- 0восстан., В. Реакции протекают при положительном значении 0:
Таблица 8
В приведенных системах возможна только реакция
2FeCl3 + 2KI= 2FeCl2 + I2 + 2KCl
Если записать одну под другой две полуреакции процесса так, чтобы потенциал верхней реакции был меньше, чем нижней, то проведенная между реакциями буква Z укажет своими концами направление разрешенного процесса.
Влияние кислотности среды на направление окислительно-восстановительного процесса. Из одних и тех же веществ, изменяя рН среды можно получить различные продукты.
Поведение ионов MnO4- в растворах:
?В сильнокислых растворах:
MnO4- + 8Н+ + 5з = Mn2+ + 4H2O, рН<7, ц = 1,53 В. (1)
?В сильнощелочных растворах:
MnO4- + 1з = MnO4 2- , рН>7, ц = 0,56 В. (2)
?В нейтральных, слабокислых или слабощелочных растворах (рН 6-8):
MnO4- + 2H2O + 3з = MnO2v + 4ОН-, рН ? 7, ц = 0,62 В (3),