Нейтрализация и избыток реагента
Сильная кислота и сильное основание
При смешении растворов кислоты и основания прежде всего нужно выяснить, какое вещество осталось после реакции. Для этого проводят стехиометрический расчёт: находят исходные количества реагентов и определяют, сколько каждого из них израсходовано. Лишь после этого рассчитывают pH, при необходимости учитывая равновесие в растворе. Сильная кислота и щёлочь нейтрализуют друг друга полностью. Если один реагент остался в избытке, его концентрацию рассчитывают в общем объёме полученного раствора.
edit_noteНедостаток щёлочи
Смешали 20 мл 0,10 М \(\ce{HCl}\) и 15 мл 0,10 М \(\ce{NaOH}\). В исходных растворах содержалось 2,0 ммоль \(\ce{H+}\) и 1,5 ммоль \(\ce{OH-}\). После реакции осталось 0,5 ммоль \(\ce{H+}\) в 35 мл раствора. Следовательно, \([\ce{H+}] = 0{,}0143\) М, pH = 1,85.
infoТеплота нейтрализации
Реакцию сильной кислоты с щёлочью описывает уравнение \(\ce{H+ + OH- -> H2O}\). Для сильных кислот и щелочей её тепловой эффект одинаков: \(\Delta H^\circ = -55{,}8\) кДж/моль. При нейтрализации слабой кислоты теплота отличается, поскольку энергия расходуется на её диссоциацию или выделяется при гидратации аниона. Для \(\ce{HCN}\) тепловой эффект составляет всего около \(-12\) кДж/моль, а для \(\ce{HF}\) — около \(-68\) кДж/моль: маленький фторид-ион сильно гидратируется.
Нейтрализацией называют не только реакцию кислоты со щёлочью в растворе. Основной и кислотный оксиды также могут реагировать друг с другом, образуя соль.
scienceРеакции нейтрализации в растворе и расплаве
- \(\ce{NaOH + HCl -> NaCl + H2O}\) — при реакции гидроксида натрия с соляной кислотой образуются хлорид натрия и вода.
- \(\ce{CaO + SiO2 ->[t] CaSiO3}\) — при реакции основного и кислотного оксидов в расплаве образуется силикат кальция; в домне такая реакция связывает пустую породу в шлак.
- \(\ce{Ca(OH)2 + 2HF -> CaF2 v + 2H2O}\) — при реакции плавиковой кислоты с гидроксидом кальция фторид связывается в нерастворимый \(\ce{CaF2}\). Связывание фторида соединениями кальция важно и при лечении ожогов плавиковой кислотой; приведённое уравнение не означает, что гидроксидом кальция следует обрабатывать кожу.
Слабая кислота и сильное основание
При добавлении щёлочи слабая кислота \(\ce{HA}\) практически нацело превращается в соль, содержащую анион \(\ce{A-}\). Поэтому сначала рассчитывают, сколько кислоты нейтрализовано. Затем определяют pH по составу раствора. Количество щёлочи, необходимое для полной нейтрализации кислоты, называют эквивалентным, а состояние после его добавления — точкой эквивалентности. Раствор, в котором одновременно находятся слабая кислота и её соль, называют буферным.
| Добавлено щёлочи | Состав | Как считать pH |
|---|---|---|
| Меньше эквивалентного количества. | \(\ce{HA}\) и \(\ce{A-}\) образуют буферный раствор. | Для буферного раствора используют соотношение \(\text{pH} = pK_a + \lg\dfrac{[\ce{A-}]}{[\ce{HA}]}\). |
| Ровно эквивалентное количество. | В растворе преобладает \(\ce{A-}\). | Учитывают основные свойства аниона: \([\ce{OH-}] = \sqrt{K_bc}\). |
| Больше эквивалентного количества. | В растворе находятся \(\ce{A-}\) и избыток \(\ce{OH-}\). | pH рассчитывают по избытку щёлочи. |
В выражении для точки эквивалентности \(K_b\) обозначает константу основности аниона, а \(c\) — концентрацию соли. Анион слабой кислоты взаимодействует с водой с образованием \(\ce{OH-}\). Такое взаимодействие называют гидролизом.
boltСередина нейтрализации
Когда нейтрализована половина кислоты, её количество равно количеству образовавшейся соли. Поэтому \([\ce{HA}] = [\ce{A-}]\) и \(\text{pH} = pK_a\). По pH в середине нейтрализации удобно определять \(pK_a\) опытным путём.
errorЩелочная среда в точке эквивалентности
Точка эквивалентности не обязательно соответствует нейтральному раствору. Например, ацетат-ион взаимодействует с водой: \(\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\). Раствор 0,05 М ацетата имеет pH = 8,72. Поэтому уксусную кислоту титруют с фенолфталеином, область перехода которого составляет 8,2–10, а не с метиловым оранжевым с областью перехода 3,1–4,4.
scienceРеакции нейтрализации слабых кислот
- \(\ce{CH3COOH + NaOH -> CH3COONa + H2O}\) — уксусная кислота реагирует со щёлочью практически до конца, хотя она слабая: константа реакции \(K_a/K_w = 1{,}8\cdot10^{9}\).
- \(\ce{H3BO3 + NaOH -> Na[B(OH)4]}\) — при обычном титровании борной кислоты перед добавлением щёлочи вводят глицерин или маннит: образование комплекса усиливает кислотные свойства.
- \(\ce{NH4Cl + NaOH ->[t] NaCl + NH3 ^ + H2O}\) — ион \(\ce{NH4+}\) как слабая кислота отдаёт протон щёлочи; выделение аммиака служит качественной реакцией.
Многоосновные кислоты и кислые соли
Многоосновная кислота может нейтрализоваться по ступеням. Поэтому состав соли зависит от мольного отношения кислоты и щёлочи. Соли, в анионе которых сохраняется водород кислоты, называют кислыми солями. Для реакции \(\ce{H3PO4}\) с гидроксидом натрия соответствие между мольным отношением и продуктом показано в таблице.
| \(n(\ce{NaOH}) : n(\ce{H3PO4})\) | Продукт |
|---|---|
| 1 : 1 | Образуется \(\ce{NaH2PO4}\) (pH ≈ 4,7). |
| 2 : 1 | Образуется \(\ce{Na2HPO4}\) (pH ≈ 9,8). |
| 3 : 1 | Образуется \(\ce{Na3PO4}\) (pH ≈ 12,5). |
| между | Образуется смесь двух соседних солей. |
Приведённые значения pH ориентировочны; в частности, pH раствора \(\ce{Na3PO4}\) зависит от его концентрации. Если щёлочи меньше, чем требуется для образования первой соли, часть кислоты остаётся непрореагировавшей. Если щёлочи больше, чем требуется для образования последней соли, она остаётся в избытке.
При поглощении \(\ce{CO2}\) щёлочью образуются соли двухосновной угольной кислоты. При \(n(\ce{NaOH}) : n(\ce{CO2}) \ge 2\) образуется карбонат; если отношение больше 2, щёлочь остаётся в избытке. При отношении \(\le 1\) карбонат не образуется: если оно равно 1 : 1, получается гидрокарбонат, а при меньшем значении часть углекислого газа остаётся непрореагировавшей. Между отношениями 1 : 1 и 2 : 1 образуется смесь карбоната и гидрокарбоната.
boltДва уравнения для смеси солей
Если в растворе находятся две соли, их количества можно найти из двух балансов: по натрию и по углероду, а для фосфатов — по натрию и по фосфору. Пусть \(x\) и \(y\) — количества карбоната и гидрокарбоната, образовавшихся из \(\ce{CO2}\) и \(\ce{NaOH}\). Тогда \(2x + y = n(\ce{NaOH})\), \(x + y = n(\ce{CO2})\). Вычитая второе уравнение из первого, находят \(x = n(\ce{NaOH}) - n(\ce{CO2})\). Эти уравнения применяют, когда щёлочь полностью израсходована и в растворе находятся только указанные соли.
scienceРеакции углекислого газа со щёлочами
- \(\ce{CO2 + 2NaOH -> Na2CO3 + H2O}\) — при достаточном количестве щёлочи образуется карбонат натрия.
- \(\ce{CO2 + NaOH -> NaHCO3}\) — при избытке углекислого газа образуется гидрокарбонат натрия.
- \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}\), затем \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\) — сначала известковая вода мутнеет из-за образования осадка, а затем снова светлеет, поскольку осадок растворяется.
- \(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 v + NH4Cl}\) — в способе Сольве из рассола выпадает малорастворимый гидрокарбонат натрия.
push_pinГлавное
При смешении кислоты и основания сначала рассчитывают, какие количества реагентов вступили в реакцию и что осталось в растворе. Затем выбирают способ расчёта pH: по избытку сильной кислоты или щёлочи, по соотношению слабой кислоты и её соли в буферном растворе либо с учётом гидролиза соли слабой кислоты. В точке эквивалентности при нейтрализации слабой кислоты pH > 7, а в середине нейтрализации pH = \(pK_a\). Состав продуктов реакции многоосновной кислоты или \(\ce{CO2}\) со щёлочью определяют по мольному отношению реагентов.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.