Нейтрализация и избыток реагента
Сильная кислота и сильное основание
Главное правило задач на смешение: сначала стехиометрия, потом равновесие. Сильная кислота и щёлочь реагируют полностью, и pH определяет избыток, распределённый по общему объёму смеси.
edit_noteНедотитровали
20 мл 0,10 М \(\ce{HCl}\) + 15 мл 0,10 М \(\ce{NaOH}\): было 2,0 ммоль \(\ce{H+}\) и 1,5 ммоль \(\ce{OH-}\), осталось 0,5 ммоль \(\ce{H+}\) в 35 мл: \([\ce{H+}] = 0{,}0143\) М, pH = 1,85.
infoТеплота нейтрализации
\(\ce{H+ + OH- -> H2O}\), \(\Delta H^\circ = -55{,}8\) кДж/моль для любых сильных кислот и щелочей. Со слабыми кислотами теплота другая: часть энергии уходит на диссоциацию или, наоборот, выделяется при гидратации аниона. Для \(\ce{HCN}\) — всего около \(-12\) кДж/моль, а для \(\ce{HF}\) — около \(-68\) кДж/моль: маленький фторид-ион очень сильно гидратируется.
scienceНейтрализация бывает не только в растворе
- \(\ce{NaOH + HCl -> NaCl + H2O}\) — классика.
- \(\ce{CaO + SiO2 ->[t] CaSiO3}\) — нейтрализация в расплаве: основной оксид + кислотный. Так в домне связывают пустую породу в шлак.
- \(\ce{Ca(OH)2 + 2HF -> CaF2 v + 2H2O}\) — ожоги плавиковой кислотой обрабатывают соединениями кальция: фторид связывается в нерастворимый \(\ce{CaF2}\).
Слабая кислота и сильное основание
Со слабой кислотой картина богаче. Щёлочь превращает \(\ce{HA}\) в \(\ce{A-}\) полностью, и после стехиометрического шага возможны три ситуации:
| Добавлено щёлочи | Состав | Как считать pH |
|---|---|---|
| меньше эквивалента | \(\ce{HA}\) + \(\ce{A-}\) | буфер: \(\text{pH} = pK_a + \lg\dfrac{[\ce{A-}]}{[\ce{HA}]}\) |
| ровно эквивалент | только \(\ce{A-}\) | слабое основание: \([\ce{OH-}] = \sqrt{K_bc}\) |
| больше эквивалента | \(\ce{A-}\) + \(\ce{OH-}\) | по избытку щёлочи |
boltСередина нейтрализации
Когда нейтрализована половина кислоты, \([\ce{HA}] = [\ce{A-}]\) и \(\text{pH} = pK_a\). Это самый простой способ измерить \(pK_a\) на опыте.
errorТочка эквивалентности ≠ нейтральная среда
Раствор ацетата натрия щелочной: \(\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\). Для 0,05 М ацетата pH = 8,72. Поэтому уксусную кислоту титруют с фенолфталеином (переход 8,2–10), а не с метиловым оранжевым (3,1–4,4).
scienceНейтрализация слабых кислот
- \(\ce{CH3COOH + NaOH -> CH3COONa + H2O}\) — до конца, хотя кислота слабая: константа реакции \(K_a/K_w = 1{,}8\cdot10^{9}\).
- \(\ce{H3BO3 + NaOH -> Na[B(OH)4]}\) — борную кислоту титруют только после добавки глицерина или маннита: комплекс с ними — кислота гораздо сильнее.
- \(\ce{NH4Cl + NaOH ->[t] NaCl + NH3 ^ + H2O}\) — слабая кислота \(\ce{NH4+}\) отдаёт протон щёлочи; выделение аммиака — качественная реакция.
Многоосновные кислоты и кислые соли
Многоосновная кислота реагирует со щёлочью по ступеням, и продукт определяется мольным отношением.
| \(n(\ce{NaOH}) : n(\ce{H3PO4})\) | Продукт |
|---|---|
| 1 : 1 | \(\ce{NaH2PO4}\) (pH ≈ 4,7) |
| 2 : 1 | \(\ce{Na2HPO4}\) (pH ≈ 9,8) |
| 3 : 1 | \(\ce{Na3PO4}\) (pH ≈ 12,5) |
| между | смесь двух соседних солей |
Так же с \(\ce{CO2}\) (двухосновная угольная кислота): при \(n(\ce{NaOH}) : n(\ce{CO2}) \ge 2\) — карбонат, при \(\le 1\) — гидрокарбонат, между — смесь.
boltСистема из двух уравнений
Для смеси солей: баланс по натрию и баланс по углероду (фосфору). Для \(\ce{CO2}\) и \(\ce{NaOH}\): \(2x + y = n(\ce{NaOH})\), \(x + y = n(\ce{CO2})\) — вычитанием сразу \(x = n(\ce{NaOH}) - n(\ce{CO2})\).
scienceУглекислый газ и щёлочи
- \(\ce{CO2 + 2NaOH -> Na2CO3 + H2O}\) — избыток щёлочи.
- \(\ce{CO2 + NaOH -> NaHCO3}\) — избыток углекислого газа.
- \(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}\), затем \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\) — известковая вода мутнеет и снова светлеет.
- \(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 v + NH4Cl}\) — способ Сольве: малорастворимый гидрокарбонат выпадает из рассола.
push_pinГлавное
Алгоритм: 1) сильные реагенты реагируют до конца — считаем, что осталось; 2) по составу смеси выбираем модель: избыток сильной кислоты или щёлочи, буфер (слабая кислота + её соль), соль слабой кислоты (гидролиз). В точке эквивалентности слабой кислоты pH > 7, в середине нейтрализации pH = \(pK_a\). Продукт реакции многоосновной кислоты или \(\ce{CO2}\) со щёлочью определяется мольным отношением.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.