Условие электронейтральности

Условие электронейтральности означает, что в единице объема сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов, т. е. в общем виде

ПРИМЕР 6. Составьте уравнение электронейтральности для водного раствора нитрата калия.

Решение. В водном растворе нитрата калия имеются ионы К⁺, NО₃^- и ионы Н₃О⁺ и ОН^-, образующиеся при диссоциации воды. Уравнение электронейтральности поэтому следует записать так:

[К⁺] + [Н₃О⁺] = [NO₃^-] + [ОН^-]

ПРИМЕР 7. Составьте уравнение электронейтральности для водного раствора хлорида бария.

Решение. Здесь следует учесть, что в растворе присутствуют одно- и двухзарядные ионы. Это приводит к необходимости удвоения концентрации двухзарядного иона для соблюдения баланса зарядов, поскольку при диссоциации хлорида бария хлорид-ионов образуется в два раза больше, чем ионов бария. Итак,

2[Ва²⁺] + [Н₃О⁺] = [Cl^-] + [ОН^-]

ПРИМЕР 8. Рассчитайте равновесную концентрацию карбонат-иона в 1.25·10^{-3 М растворе угольной кислоты при рН 6.00.}

Решение. Запишем уравнение материального баланса для раствора угольной кислоты:

C(CO₃) = [Н₂СО₃] + [НСО₃^-] + [СО₃^2-]

Выразим равновесные концентрации гидрокарбонат-иона и угольной кислоты через искомую концентрацию карбонат-иона, воспользовавшись для этого выражениями для констант кислотности угольной кислоты, и подставим в уравнение материального баланса

Существует два способа решения задачи при установлении в растворе более чем одного равновесия.

Первый способ предполагает следующий ход решения: после написания всех возможных для данной системы химических реакций, уравнений материального баланса и электронейтральности устанавливают, соответствует ли число неизвестных величин в уравнениях числу независимых уравнений. Если да, то решение системы уравнений затруднений вызвать не должно. И противном случае однозначное решение получить невозможно. Надо сократить число неизвестных, сделав ряд допущений. После получения приближенного решения рекомендуется проверить правомочность сделанных допущений.

По второму способу следует выделить доминирующее равновесие и уравнение материального баланса составить только с учетом этого равновесия. Например, при вычислении рН раствора соляной кислоты нужно написать два уравнения:

НСl + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + Cl^-

2Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^-

В не очень разбавленных растворах доминирует первое равновесие, поскольку диссоциацией воды можно пренебречь.

В данном пособии используется, как правило, второй способ.

Задачи

1. Рассчитайте средний коэффициент активности иодида натрия в 0.20 М растворе и сравните с экспериментальной величиной 0.751.

2. Рассчитайте средний коэффициент активности хлорида кальция в 0.01 М растворе и сравните с экспериментальной величиной 0.518.

3. Рассчитайте средний коэффициент активности хлорида алюминия в 0.10 М растворе и сравните с экспериментальной величиной 0.340.

4. Рассчитайте коэффициент активности хлорид-иона в 0.02 М растворе хлорида кальция и сравните с табличным значением.

5. Рассчитайте активность иона водорода в 0.010 М растворе соляной кислоты.

6. Рассчитайте активность иона водорода в 0.010 М растворе Рассчитайте равновесную концентрацию и активность ацетат-иона в 0.100 М растворе уксусной кислоты в присутствии 0.050 М хлорида натрия.

8. Рассчитайте реальную константу диссоциации уксусной кислоты в 0.100 М растворе хлорида калия.

9. Рассчитайте реальную константу диссоциации уксусной кислоты в 0.100 М растворе сульфата калия.

10. Рассчитайте реальную константу диссоциации щавелевой кислоты по первой ступени в присутствии 0.010 М хлорида калия.

11. Выведите формулу зависимости величины реальной константы диссоциации от ионной силы для:

а) одноосновной кислоты;

б) двухосновной кислоты.

12. Напишите уравнения электронейтральности для водных растворов:

а) сульфата калия;

б) хлорида кальция;

в) гидроксида кальция;

г) хлорида железа (III);

д) серной кислоты.

13. Напишите уравнения электронейтральности для:

а) разбавленного водного раствора соляной кислоты;

б) концентрированной соляной кислоты;

в) смеси водных растворов хлорида кальция и хлорида калия;

г) смеси водных растворов ацетата натрия и уксусной кислоты.

14. Рассчитайте равновесную концентрацию гидрокарбонат-иона в 0.10 М растворе карбоната аммония при рН 9.00.

15. Рассчитайте равновесную концентрацию сульфид-иона в 0.10 М растворе сульфида аммония при рН 7.00.

16. Рассчитайте общую концентрацию оксалата натрия, обеспечивающую равновесную концентрацию оксалат-иона 1.0·10^{-3 М} при рН 4.00.

17. Рассчитайте общую концентрацию карбоната аммония, обеспечивающую при рН 5.00 равновесную концентрацию гидрокарбонат-иона 1.0·10^{-2 М.}

18. При каком рН равновесная концентрация сульфид-иона в 0.100 М растворе сульфида аммония равна 0.010 М?

Контрольные вопросы

1. Что такое идеальная система? Назовите основные причины отклонения реальной системы от идеальной.

2. Напишите конкретное выражение и дайте названия и обозначения для констант равновесия: а) кислотно-основной реакции; б) реакции осаждения-растворения; в) реакции комплексообразования.

3. Что такое активность? Как связаны активность иона и его равновесная концентрация? Что такое ионная сила?

4. Что такое средний коэффициент активности электролита?

5. Что такое коэффициент активности индивидуального иона? Как он связан со средним коэффициентом активности электролита?

6. Запишите формулы Дебая - Хюккеля для расчета среднего коэффициента активности электролита в зависимости от ионной силы.

7. Запишите формулы Дебая - Хюккеля для расчета коэффициентов активности индивидуальных ионов в зависимости от ионной силы.

8. Как влияет заряд иона на величину коэффициента активности?

9. Какие допущения можно сделать при оценке коэффициентов активности индивидуальных ионов?

10. Что такое термодинамическая константа равновесия? Какие факторы влияют на ее величину?

11. Что такое реальная (концентрационная) константа равновесия? Какие факторы на нее влияют?

12. Как связаны термодинамическая и реальная константы равновесия?

13. Что такое условная константа равновесия? Какие факторы влияют на ее величину?

14. Как связаны термодинамическая и условная константы равновесия?

15. Как связаны реальная и условная константы равновесия?

16. Как связаны равновесная и общая концентрации?

17. Что такое а -коэффициент (молярная доля)? Что он характеризует? Какие факторы влияют на его величину?

18. Назовите возможные типы конкурирующих реакций, если основной реакцией является: а) кислотно-основная; б) осаждения - растворения; в) окисления - восстановления; г) комплексообразования.

19. Что такое коэффициент конкурирующей реакции? Что он характеризует? От чего зависит его конкретное выражение?

20. Как рассчитать коэффициент для конкурирующей реакции комплексообразования, кислотно-основной реакции?

21. Как рассчитать равновесные концентрации компонентов системы в заданных условиях?

22. В чем суть условия материального баланса? Сформулируйте принцип решения уравнения материального баланса.

23. В чем суть условия электронейтральности?