Слабые основания и гидролиз

8 заданий

Слабые основания

linkОпора

Урок 61. Слабая одноосновная кислота — материальный баланс, электронейтральность и константа. Точное квадратное уравнение и проверяемое приближение; условия учёта автопротолиза воды

Нашатырный спирт пахнет аммиаком и окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет. Раствор щелочной, хотя ионов \(\ce{OH-}\) в формуле аммиака нет: их создаёт перенос протона от воды к \(\ce{NH3}\) (урок 59). Расчёт зеркален расчёту слабой кислоты из урока 61, только роль \(\ce{H+}\) играет \(\ce{OH-}\):

\[\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}, \qquad \frac{x^2}{c - x} = K_b, \quad x = [\ce{OH-}] \approx \sqrt{K_bc}.\]

Для 0,10 М аммиака (\(K_b = 1{,}8\cdot10^{-5}\)): \(x = 1{,}33\cdot10^{-3}\) моль/л, pOH = 2,88, pH = 11,12.

Гидролиз солей

Раствор питьевой соды щелочной, хлорида аммония — кислый, поваренной соли — нейтральный. Особой «реакции гидролиза» тут нет: у ионов соли просто есть свои кислотно-основные свойства, и их константы следуют из соотношения \(K_aK_b = K_w\) (урок 59).

Анион слабой кислоты — основание: \(\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\), \(K_b = K_w/K_a\).
Катион слабого основания — кислота: \(\ce{NH4+ <=> NH3 + H+}\), \(K_a = K_w/K_b\).
Ионы сильных кислот и оснований (\(\ce{Cl-}\), \(\ce{Na+}\)) протоны практически не отдают и не принимают.

functionspH раствора соли слабой кислоты

Анион — слабое основание с \(K_b = K_w/K_a\), поэтому по формуле первой части урока \([\ce{OH-}] \approx \sqrt{K_bc} = \sqrt{K_wc/K_a}\). Прологарифмируем:

\[\mathrm{pOH} = \tfrac12\left(\mathrm{p}K_w - \mathrm{p}K_a - \lg c\right), \qquad \mathrm{pH} = \mathrm{p}K_w - \mathrm{pOH} \approx 7 + \tfrac12\left(\mathrm{p}K_a + \lg c\right)\ \text{при 25 °C}.\]

Для соли слабого основания катион — слабая кислота, и по уроку 61 \(\mathrm{pH} \approx \tfrac12\left(\mathrm{p}K_a(\ce{BH+}) - \lg c\right)\).

edit_noteАцетат натрия, 0,10 моль/л

\(K_b = 10^{-14}/(1{,}75\cdot10^{-5}) = 5{,}7\cdot10^{-10}\); \([\ce{OH-}] = \sqrt{5{,}7\cdot10^{-11}} = 7{,}6\cdot10^{-6}\) моль/л; pH = 8,88. По формуле: \(7 + \tfrac12(4{,}76 - 1{,}00) = 8{,}88\). Слабощелочная среда — поэтому раствор ацетата и не жжётся, как щёлочь.

Если слабые и кислота, и основание (ацетат аммония), их влияния почти уравновешиваются: \(\mathrm{pH} \approx \tfrac12\bigl(\mathrm{p}K_a(\ce{HA}) + \mathrm{p}K_a(\ce{BH+})\bigr)\). Для ацетата аммония \(\tfrac12(4{,}76 + 9{,}25) = 7{,}0\), хотя оба иона реагируют с водой.

Разбавление и температура

Степень гидролиза \(h\) — доля ионов соли, прореагировавших с водой. Для аниона слабой кислоты из \(\dfrac{(hc)^2}{c(1 - h)} = K_b\) при малом \(h\) получаем \(h \approx \sqrt{K_b/c}\). При разбавлении степень гидролиза растёт как \(1/\sqrt c\), хотя pH становится ближе к 7: ионов \(\ce{OH-}\) в литре всё равно меньше, так как \([\ce{OH-}] = hc \propto \sqrt c\).

Автопротолиз воды эндотермичен, и при нагревании \(K_w\) растёт (урок 60), а вместе с ней и \(K_b = K_w/K_a\): константы кислот при этом меняются мало. Поэтому гидролиз при нагревании усиливается — горячий раствор соды моет посуду лучше холодного.

infoИнтересный факт

Мыло — натриевые соли слабых жирных кислот, поэтому его раствор слабощелочной, pH около 9–10: анионы кислот частично присоединяют протоны воды. Рецепты мыла из жира и щёлока известны с глиняных табличек Древнего Вавилона — почти пять тысяч лет назад.

push_pinГлавное

Слабое основание: \([\ce{OH-}] \approx \sqrt{K_bc}\). Гидролиз соли — это кислотно-основные свойства её ионов: катион слабого основания — кислота с \(K_a = K_w/K_b\), анион слабой кислоты — основание с \(K_b = K_w/K_a\), откуда \(\mathrm{pH} \approx 7 + \tfrac12(\mathrm{p}K_a + \lg c)\) для соли слабой кислоты. Степень гидролиза \(h \approx \sqrt{K_b/c}\) растёт при разбавлении и при нагревании.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.