Содержание

Введение. 3.

1.Виды растворов. Причины образования водных растворов. 4.

2.Силы Ван-дер-Ваальса "ориентационные, индукционные,

дисперсионные ". Водородная связь. 8.

3.Электролиты. Сильные электролиты, кристаллогидраты. 12.

4. Водородный показатель 14.

.

5. Гидролиз солей. Типы гидролиза 15.

6. Значение растворов электролитов в химии, биологии и геохимии. 20.

Список литературы 21.

Введение.

Электролитами называются вещества, которые в расплавленном или растворенном состоянии проводят электрический ток. Теорию электролитической диссоциации разработал Сванте Аррениус. Предложенная им теория объяснила поведение и многие свойства электролитов. Согласно этой теории молекулы электролита в воде или другой среде, характеризующейся большой диэлектрической проницаемостью, распадаются на ионы – положительные (катионы) и отрицательные (анионы) Процесс распада вещества на ионы получил название электролитической диссоциации.

Виды растворов. Причины образования водных растворов.

РАСТВОРЫ, гомогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, состав которых в определенных пределах может непрерывно изменяться. От смесей растворы отличаются своей однородностью и возрастанием энтропии системы при смешении компонентов. По агрегатному состоянию различают растворы газовые (газовые смеси), жидкие и твердые. Обычно, если особо не оговаривается, термин "растворы" относят к жидким системам. Содержание компонента в растворе характеризуется его концентрацией. При этом преобладающий компонент обычно называют растворителем, остальные компоненты-растворенными веществами; такое деление, однако, является условным. При определенных температуре и давлении растворение одного компонента в другом происходит в некоторых пределах изменения концентрации, т.е. смешение является ограниченным. Равновесный раствор, в котором при ограниченной растворимости компонентов и заданных внешних условиях концентрация одного из компонентов максимальна, называется насыщенным, а его концентрация называется растворимостью компонента. Зависимость растворимости от температуры и давления обычно изображают графически в виде диаграмм растворимости. При концентрациях растворенного вещества, меньших его растворимости, растворы называют ненасыщенным. Раствор, переохлажденный таким образом, что концентрация растворенного вещества превышает его растворимость, называется пересыщенным. Пересыщенные растворы метастабильны, при внесении затравки или перемешивании возможно самопроизвольное выделение избытка пересыщающего компонента, что ведет к образованию новой жидкой или твердой фазы

По наличию или отсутствию электролитической диссоциации молекул растворенных веществ различают два основных класса растворов: растворы электролитов и растворы неэлектролитов. В особый класс выделяют также растворы высокомолекулярные соединений, свойства которых существенно отличаются от свойств растворов низкомолекулярных веществ из-за больших различий в размерах молекул растворенного вещества и растворителя. Классификация растворов может быть основана также и на других признаках. Так, в зависимости от концентрации растворенного вещества различают растворы концентрированные и разбавленные; в зависимости от природы растворителя выделяют водные и неводные растворы; в зависимости от концентрации ионов Н⁺ и ОН ^- - кислые, нейтральные и щелочные.

Термодинамические свойства растворов определяются взаимодействием между молекулами компонентов и характеризуют растворы в целом. Доля, вносимая данным компонентом в то или иное свойство раствора, определяется парциальной молярной величиной компонента. Особое значение имеет парциальная молярная энергия Гиббса - химический потенциал компонента, который позволяет выражать условия фазового и хим. равновесий в растворах. Важнейшее свойство растворов - зависимость химических потенциалов компонентов от состава.

Межмолекулярное взаимодействие и тепловое движение приводят к образованию флуктуации концентрации - короткоживущих группировок молекул, обусловливающих отклонение локального микроскопического состава раствора от макроскопического. Если компоненты близки по химическому строению, размерам и характеру взаимодействия, структура раствора принципиально не отличается от строения чистых жидкостей. При наличии специфических взаимодействий растворенные вещества могут образовывать устойчивые комплексы с растворителем как постоянного, так и переменного состава. В ряде растворов взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами растворителя сопровождается противоположным процессом - диссоциацией молекул растворенного вещества.

При малых концентрациях растворенных веществ в растворах сохраняется структура, характерная для чистого растворителя, с увеличением концентрации структура растворов изменяется. Например, у водных растворов электролитов ионы больших размеров разрушают структуру растворителя, а ионы меньших размеров ее упорядочивают. Установление связи свойств растворов с характером межмолекулярного взаимодействия или макроскопическими свойствами чистых компонентов составляет проблему теории растворов.

Водные растворы.

Если мы будем облучать не чистую воду, а раствор какого-либо соединения, то радикалы Н и ОН вместо того, чтобы разрушать молекулярные продукты радиолиза воды, будут реагировать с молекулами растворенного соединения, вызывая различные его превращения - окисление, восстановление, деструкцию, полимеризацию и т.д. Изучение превращений различных соединений и позволило узнать, что при радиолизе воды образуются радикалы Н и ОН.

Радикал гидроксила ОН экспериментально обнаружил английский ученый Ф.Дейнтон в 1948 г. Он облучал водные растворы акрилонитрила СН2 = СНСN. Молекула акрилонитрила не имеет в своем составе атомов кислорода. При облучении молекулы акрилонитрила полимеризуются в полиакрилонитрил, и в нем появляется гидроксильная группа - группа ОН. Она может появиться только в том случае, если образуется из воды. Аналогичным доказательством служит и образование фенола из бензола при облучении водного раствора бензола

   /\\                   /\\ _ OH
   ¦¦ ¦ + 2 OH -> ¦¦ ¦         + H₂O.
   \//                   \//

Радикал Н - атомарный водород - был обнаружен только методом электронного парамагнитного резонанса. Недавно этим методом было подтверждено также образование радикала гидроксила.

Атомарный водород является сильным восстановителем (способен легко отдавать свой электрон), а радикал гидроксила - окислителем (энергично отнимает электрон у других соединений), поэтому они оказывают противоположное воздействие на растворенные вещества, как это можно видеть на примере ионов железа и церия:

Fe₂⁺ + ОН -> Fe₃⁺ + OH-,     Ce₃⁺ + OH -> Ce₄⁺ + OH-;

Fe₃⁺ + H => Fe₂⁺ + H⁺,         Ce₄⁺ + H -> Ce₃⁺ + H⁺.

Таким образом, превращение соединений в разбавленных растворах вызывается продуктами радиолиза воды. Этот процесс принято называть косвенным воздействием излучения. В концентрированных растворах превращение растворенного соединения может происходить также и в результате "прямого" действия излучения, когда оно взаимодействует непосредственно с молекулами растворенного вещества, вызывая их ионизацию, которая, в свою очередь приводит к появлению соответствующих радикальных и молекулярных продуктов. В очень разбавленных растворах преобладает косвенное воздействие, а в концентрированных - наблюдаются оба эффекта. Прямое действие происходит в растворах любой концентрации, но его величина пропорциональна электронной доле, т.е. отношению числа электронов данного вещества к числу электронов во всей системе. В разбавленных растворах электронная доля пропорционально концентрации растворенного вещества, а в концентрированных растворах между электронной долей и концентрацией пропорциональности нет. Электронная доля рассчитывается следующим образом. Например, в 40%-ном водном растворе серной кислоты содержится 5.4 моля H2SO4 и 43.5 моля Н2О. Молекула кислоты имеет 50 электронов, молекула воды - 10. Следовательно, общее количество молей электронов (1 моль электронов содержит 6.02o10^23 электронов, как и грамм-моль любого вещества - молекул) составляет 50o5.4 + 10o43.5 = 705. Отсюда по определению электронная доля воды составляет 435:705 = 0.617, а кислоты - 270:750 = 0.393.

Различными исследователями были изучены превращения очень многих соединений в водных растворах и установлены основные закономерности. В разбавленных растворах радиационно-химические выходы растворенных веществ малы. Для большинства соединений, превращения которых идут не по цепному механизму, выходы составляют 4-5 ионов или молекул на 100 эв. В более концентрированных растворах они несколько повышаются, достигая 12 ионов или молекул на 100 эв. Это увеличение происходит вследствие того, что в концентрированных растворах с растворенным соединением могут реагировать и возбужденные излучением молекулы воды, (Н2О), которые в разбавленных растворах теряют свою энергию раньше, чем столкнутся и смогут вступить в реакцию с молекулами растворенных соединений. В случае воды и водных растворов коэффициент полезного использования энергии излучения, таким образом, очень мал - не более 10%. Поэтому для промышленности могут иметь значение только цепные радиационно - химические процессы, либо такие процессы, когда образуется соединение, которое невозможно получить другими методами или которое получается другими методами, но с большими затратами энергии. В качестве примеров подобных процессов можно привести окисление бензола в фенол, этилена в уксусный альдегид и др.

Силы Ван-дер-Ваальса "ориентационные, индукционные, дисперсионные ". Водородная связь.

Сила Ван-дер-Ваальса, сила межмолекулярного притяжения, имеет три составляющие: ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия.

Ориентационное (диполь - дипольное) взаимодействие появляется между полярными молекулами. В результате беспорядочного теплового движения молекул при их сближении друг с другом одноименно заряженные концы диполей взаимно отталкиваются, а противоположно заряженные притягиваются. Чем более полярны молекулы, тем сильнее они притягиваются и тем самым больше ориентационное взаимодействие.

Индукционное взаимодействие молекул осуществляется за счет их индуцированных диполей. Допустим, что встречаются полярная и неполярная молекулы. Под действием полярной молекулы неполярная молекула деформируется и в ней возникает (индуцируется) диполь. Индуцированный диполь притягивается к постоянному диполю полярной молекулы и в свою очередь усиливает электрический момент диполя полярной молекулы. Индукционное взаимодействие тем больше, чем больше момент диполя и поляризуемость молекулы.

Дисперсионное взаимодействие молекул друг с другом за счет их мгновенных микродиполей. При сближении молекул ориентация микродиполей перестает быть независимой и их появление и исчезновение в разных молекулах происходит в такт друг другу. Синхронное появление и исчезновение микродиполей разных молекул сопровождается их

притяжением. При отсутствии синхронности в появлении и исчезновении микродиполей происходит отталкивание.

Они обладают несколько отличной физической природой, но их потенциал зависит от расстояния между молекулами одинаково – как . Это позволяет непосредственно сравнивать константы взаимодействия, соответствующие трем составляющим силы Ван-дер-Ваальса, причем по причине их одинаковой зависимости от расстояния, пропорция между компонентами будет сохраняться при различных . Сами же константы при множителе будут отличаться для разных веществ.

(1)

 

В основе всех трех составляющих силы Ван-дер-Ваальса лежит взаимодействие диполей, поэтому напомним две основные формулы.

Энергия диполя , помещенного

в поле [1]:

Электрическое поле, создаваемое диполем [1]:

(2)

 

(3)

где – единичный вектор в направлении
на диполь из точки, где ищем поле.

Водородная связь

Ни одна из планет Солнечной системы не содержит на своей поверхности такого большого количества воды, как наша Земля. Моря и океаны, средняя глубина которых около 6 км, покрывают 71 % поверхности Земли. Огромное количество воды в виде снега и льда сосредоточено в приполярных районах.

Этот удивительный факт пока не нашел однозначного объяснения. Безусловно, вода играет огромную роль в возникновении и существовании жизни на нашей планете. Во многом это связано со свойствами, которых нет у ее ближайших соседей и аналогов. Прежде всего нужно разобраться, почему вода может находиться в жидком и даже в твердом состоянии (лед) в условиях, в которых похожие соединения водорода с более тяжелыми элементами (серой, селеном и т.д.) газообразны.

Молекула воды имеет следующее электронное строение:

Две электронные пары образуют полярные ковалентные связи между атомами водорода и кислорода, а оставшиеся две электронные пары остаются свободными и называются неподеленными. Молекула воды имеет угловое строение, угол Н–О–Н составляет 104,5 градусов.

Наличие в молекулах H₂O неподеленных электронных пар у атомов кислорода и положительно заряженных атомов водорода приводит к совершенно особому взаимодействию между молекулами, называемому ВОДОРОДНОЙ СВЯЗЬЮ (рис. 7-1). В отличие от всех уже знакомых нам видов химической связи эта связь – межмолекулярная.

Водородная связь (на рисунке она обозначена пунктиром) возникает при взаимодействии обедненного электронами атома водорода одной молекулы воды с неподеленной электронной парой атома кислорода другой молекулы воды.

Рис. 7-1. Водородные связи между молекулами воды (обозначены пунктиром).

Водородная связь является частным случаем межмолекулярных связей. Считается, что она обусловлена в основном электростатическими силами. Для возникновения водородной связи нужно, чтобы в молекуле был один или несколько атомов водорода, связанных с небольшими, но электроотрицательными атомами, например: O, N, F. Важно, чтобы у этих электроотрицательных атомов были неподеленные электронные пары. Поэтому водородные связи характерны для таких веществ, как вода H₂O, аммиак NH₃, фтороводород HF. Например, молекулы HF связаны между собой водородными связями, которые на рисунке показаны пунктирными линиями:

Водородные связи приблизительно в 20 раз менее прочные, чем ковалентные, но именно они заставляют воду быть жидкостью или льдом (а не газом) в обычных условиях. Водородные связи разрушаются только тогда, когда жидкая вода переходит в пар.

При температурах выше 0°С (но ниже температуры кипения) вода уже не имеет такую упорядоченную межмолекулярную структуру, как показано на рис. 7-1. Поэтому в жидкой воде молекулы связаны между собой лишь в отдельные агрегаты из нескольких молекул. Эти агрегаты могут свободно двигаться рядом друг с другом, образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность становится все больше и больше, а агрегаты – все крупнее. Наконец, образуется лед, который имеет именно такую упорядоченную структуру, которая показана на рисунке.

В кристалле льда между молекулами остаются пустоты. Объем этих пустот больше, чем размер отдельной молекулы Н₂О. Поэтому лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода и плавает на поверхности воды. Большинство же других веществ при замерзании увеличивает свою плотность.

Таким образом, водородные связи придают воде еще одно уникальное свойство, без которого вряд ли могла бы существовать разнообразная жизнь в тех районах Земли, где температура зимой понижается ниже 0°С. Если бы лед тонул в воде, то зимой все водоемы промерзали бы до самого дна. Трудно ожидать, что рыбы согласились бы жить в таких условиях. Человек мог бы растапливать лед, превращая его в воду для своих нужд, но это потребовало бы огромных затрат дополнительной энергии.

Электролиты. Типы сильных электролитов.

Электролит — вещество, расплав или раствор, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы. Примерами электролитов могут служить растворы кислот, солей и оснований. Электролиты — проводники второго рода, вещества, которые в растворе (или расплаве) состоят полностью или частично из ионов и обладающие вследствие этого ионной проводимостью.

Исходя из степени диссоциации, все электролиты делятся на две группы:

Сильные электролиты — электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (HCl, HBr, HI, HNO3).

Слабые электролиты — степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относят воду, ряд кислот, основания p-, d-, и f- элементов.

Между этими двумя группами четкой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом — слабого.

Сильные электролиты

Классическая теория электролитической диссоциации применима лишь к разбавленным растворам слабых электролитов. Сильные электролиты в разбавленных растворах диссоциированы практически полностью, поэтому представления о равновесии между ионами и недиссоциированными молекулами лишено смысла. Согласно представлениям, выдвинутым в 20—30-х гг. 20 в. В. К. Семенченко, Н. Бьеррумом, Р. М. Фуоссом и др., в растворах сильных электролитов при средних и высоких концентрациях образуются ионные пары и более сложные агрегаты. Современные спектроскопические данные показывают, что ионная пара состоит из двух ионов противоположного знака, находящихся в контакте («контактная ионная пара») или разделённых одной или несколькими молекулами растворителя («разделённая ионная пара»). Ионные пары электрически нейтральны и не принимают участия в переносе электричества. В сравнительно разбавленных растворах сильных электролитов равновесие между отдельными сольватированными ионами и ионными парами может быть приближённо охарактеризовано, аналогично классической теории электролитической диссоциации, константой диссоциации (или обратной величиной — константой ассоциации). Это позволяет использовать вышеприведённое уравнение для расчёта соответствующей степени диссоциации, исходя из экспериментальных данных.

В простейших случаях (большие одноатомные однозарядные ионы) приближённые значения константы диссоциации в разбавленных растворах сильных электролитов можно вычислить теоретически, исходя из представлений о чисто электростатическом взаимодействии между ионами в непрерывной среде — растворителе.

Кристаллогидраты

Кристаллогидраты, кристаллы, включающие молекулы воды. Многие соли, а также кислоты и основания выпадают из водных растворов в виде К. Типичными кристаллогадратами являются многие природные минералы, например гипс CaSO4·2H2O, карналлит MgCl2·KCl·6H2O. Кристаллизационная вода обычно может быть удалена нагреванием, при этом разложение кристаллогидратов часто идёт ступенчато; так, медный купорос CuSO4·5H2O (синий) выше 105 °С переходит в CuSO4·5H2O (голубой) и CuSO4·H2O (белый); полное обезвоживание происходит выше 250°С. Однако некоторые соединения (например, BeC2O4·H2O) устойчивы только в форме кристаллогидраты и не могут быть обезвожены без разложения.

Водородный показатель

По кислотно-основным свойствам растворы обычно подразделяют на кислые, нейтральные и щелочные. Это лишь качественные характеристики кислотности среды. Для количественной характеристики можно использовать молярную концентрацию ионов водорода. Удобно кислотность (основность) водных растворов выражать через десятичный логарифм молярной концентрации ионов Н⁺, взятый с обратным знаком. Эта величина называется водородный показатель. Её обозначают символом рН: рН = - lg с (Н⁺)

Если раствор нейтральный т.е. с (Н⁺) = с (Н^-), то рН =7.

В кислотном растворе с (Н⁺) > с (Н^-), то рН <7 и щелочном

с (Н⁺) < с (Н^-), то рН >7.

Значение рН можно экспериментально определить при помощи кислотно-основных индикаторов – веществ, которые изменяют окраску с бесцветной (кисла форма индикатора) на красную (щелочная форма) при переходе от кислой среды к щелочной в интервале рНот 8,2 до 10,0.

Подбирая индикаторы с различными интервалами перехода окраски, можно установить рН. Наиболее точно рН раствора можно определить при помощи специальных приборов – рН-метров.

Определение кислотности среды – практически важная аналитическая задача. Многие растворы, используемые в промышленности и сельском хозяйстве, природные объекты должны иметь строго определенное значение рН.

На одном из этапов производства вольфрама получают – вольфрамат аммония. Эта соль выпадает в осадок при рН = 7,3 - 7,4.

Водородный показатель желудочного сока равен 1,7. Увеличение или уменьшение этого значения приводит к нарушению пищеварительных функций человека.

В сельском хозяйстве ведется контроль кислотности почвы. Например, для садоводства наилучшей является почва с рН = 5-6. При откланении рН от этих значений в почву вносят подкисляющие или подщелачивающие добавки.

Гидролиз солей. Типы гидролиза.

Гидролиз солей – это взаимодействие ионов соли с водой с образованием малодиссоциирующих частиц.

Гидролиз, дословно, - это разложение водой. Давая такое определение реакции гидролиза солей, мы подчеркиваем, что соли в растворе находятся в виде ионов, и что движущей силой реакции является образование малодиссоциирующих частиц (общее правило для многих реакций в растворах).

Всегда ли ионы способны образовывать с водой малодиссоциирующие частицы? Разбирая этот вопрос, отмечаем, что катионы сильного основания и анионы сильной кислоты таких частиц образовать не могут, следовательно, в реакцию гидролиза не вступают.

Какие типы гидролиза возможны? Поскольку соль состоит из катиона и аниона, то возможно три типа гидролиза:

• гидролиз по катиону (в реакцию с водой вступает только катион);

• гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион);

• совместный гидролиз (в реакцию с водой вступает и катион, и анион);

Гидролиз по катиону приводит к образованию гидроксокатионов и ионов водорода (среда раствора кислая).

Отмечаем, что только иногда, при n=1, вместо гидроксокатионов получаем молекулы слабого основания.
А может ли гидроксокатион вступить в реакцию со следующей молекулой воды? Сообщаем, что это будет вторая ступень гидролиза, и что каждая следующая ступень протекает в тысячи раз слабее, чем предыдущая, что даже первая ступень протекает обычно на доли процента. Поэтому, как правило, рассматривается только первая ступень гидролиза.

Гидролиз по аниону разбираем аналогично, записываем уравнение:

An^n– + H-OH  HAn^(n-1)– + OH^–

Подводим учеников к выводу:

Гидролиз по аниону приводит к образованию гидроанионов и гидроксид-ионов (среда раствора щелочная).

Совместный гидролиз.

Из самого названия следует, что в этом случае в растворе протекают две выше рассмотренные реакции. Опровергаем (можно экспериментом) представление о том, что среда будет нейтральной. Одинаковое число ионов водорода и гидроксид-ионов только на бумаге. На самом деле здесь протекают две независимые обратимые реакции, и каких ионов в растворе окажется больше, зависит от степени протекания каждой реакции. А это, в свою очередь, зависит от того, что слабее, кислота или основание.

Если слабее основание, то в большей степени будет протекать гидролиз по катиону и среда раствора будет кислой. Если слабее основание – наоборот. Как исключение, возможен случай, когда среда будет почти нейтральной, но это только исключение.

Одновременно обращаем внимание на то, что связывание гидроксид-ионов и ионов водорода в воду приводит к уменьшению их концентрации в растворе. Предлагаем вспомнить принцип Ле Шателье и подумать, как это повлияет на равновесие. Подводим их к выводу, что при совместном гидролизе степень его протекания будет значительно выше, и, в отдельных случаях, это может привести к полному гидролизу.

Полный гидролиз.

Для полного протекания гидролиза нужно, чтобы соль была образована очень слабой кислотой и очень слабым основанием. Кроме того, желательно, чтобы один из продуктов гидролиза, уходил из сферы реакции в виде газа. (Малорастворимые вещества, остающиеся в контакте с раствором, вообще говоря, не уходят из сферы реакции, поскольку все равно, сколько то растворимы.) Поэтому полному гидролизу подвергаются обычно соли газообразных или неустойчивых кислот: сероводородной, угольной, отчасти сернистой. К ним примыкают вещества, которые в обычном понимании уже не являются солями: нитриды, фосфиды, карбиды, ацетилениды, бориды.

Если вернуться к обычным солям, то полностью гидролизующиеся соли (карбонаты, сульфиды алюминия, хрома(III), железа(III)) нельзя получить реакциями обмена в водных растворах. Вместо ожидаемых продуктов в результате реакции мы получим продукты гидролиза. Гидролиз осложняет протекание многих других реакций обмена. Так, при взаимодействии карбоната натрия с сульфатом меди в осадок обычно выпадает основной карбонат меди (CuOH)₂CO₃.

В таблице растворимости для полностью гидролизующихся солей стоит прочерк. Однако прочерк может стоять по другим причинам: вещество не изучено, разлагается в ходе окислительно-восстановительной реакции, и т.п. Некоторые прочерки в таблице растворимости вызывают удивление. Так. сульфид бария хорошо известен и растворим (как и сульфиды других щелочноземельных металлов). Гидролиз этих солей протекает только по аниону.

Типы солей.

Гидролиз соли - это реакция, обратная реакции нейтрализации. Поэтому каждую соль можно представить себе как соединение, образованное основанием и кислотой. Кислоты и основания бывают сильными или слабыми электролитами. В зависимости от силы исходной кислоты и исходного основания различают четыре типа солей:

• образованные сильным основанием и слабой кислотой;

• образованные слабым основанием и сильной кислотой;

• образованные слабым основанием и слабой кислотой;

• образованные сильным основанием и сильной кислотой.

Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой.

В водном растворе цианида калия соль полностью распадается на ионы калия К⁺ и цианид-ионы CN^-. Ионы калия К⁺ и гидроксид-ионы ОН^- могут находиться в растворе одновременно в значительных количествах. Ионы водорода Н⁺ и цианид-ионы CN^- взаимодействуют между собой с образованием циановодородной кислоты. Этот процесс схематически может быть представлен следующим образом:

KCN -> К⁺ + CN^-

Н₂О + CN^- = ОН^- + НCN

В результате гидролиза такой соли в растворе находятся полностью продиссоциированная щелочь и слабо диссоциированная кислота. Эта кислота частично диссоциирует на ионы и возвращает в раствор часть ионов Н⁺ и CN^-. Возникает обратная реакция и устанавливается динамическое химическое равновесие:

К⁺ + CN^- + Н₂О = К⁺ + ОН^- + HCN.

Следовательно, реакция между цианидом калия и водой является обратимой и проходит не полностью. Такое явление называется обратимым гидролизом.

В результате того, что в растворе образуется сильный электролит гидроксид калия, концентрация гидроксид-ионов ОН^- будет значительно больше концентрации ионов водорода Н⁺. В растворе соли возникает щелочная среда, т.е. рН > 7. Действительно, эксперимент показывает, что 0,1 М раствор этой соли имеет рН 11,1. Гидролиз цианида калия в сокращенной ионной форме можно представить уравнением

CN^- + Н₂О = ОН^- + HCN.

Подобно раствору KCN, раствор ацетата натрия также имеет щелочную среду, что видно из молекулярного и сокращенного ионного уравнений гидролиза:

CHgCOONa + Н₂О = СН₃СООН + NaOH; СН₃СОО^- + Н₂О = СН₃СООН + ОН^-.

Сокращенное ионное уравнение показывает, что гидролиз соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой, идет по аниону слабой кислоты и реакция среды становится щелочной.

Соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой.

Примером такой соли является йодид аммония NH₄I. При растворении этой соли в воде катион аммония связывает гидроксид-ион ОН^- воды, а ионы водорода накапливаются в растворе:

NH₄I + Н₂О = NH₄OH + HI; NH₄⁺ + Н₂О = NH₄OH + H⁺.

В результате гидролиза данной соли в растворе, образуются слабое основание NH₄OH и сильная кислота HI. Йодоводородная кислота является сильным электролитом и в водном растворе полностью распадается на ионы. Концентрация ионов водорода становится значительно больше, чем концентрация гидроксид-ионов, и раствор соли имеет кислую среду, т.е рН 7.

Такой же процесс происходит и в случае растворения хлорида аммония NH₄C1 в воде:

NH₄C1 + Н₂О = NH₄OH + HC1 или NH₄⁺ + Н₂О = NH₄OH + H⁺.

Таким образом, гидролиз соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, идет по катиону слабого основания и реакция среды становится кислой.

Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой.

В случае гидролиза солей, образованных слабым основанием и слабой кислотой, оба иона ОН^- и Н⁺ воды связываются. Образуются слабая кислота и слабое основание. CH₃COONH₄ -> СН₃СОО^- + NH₄⁺

СН₃СОО^- + NH₄⁺ +H₂O = CH₃COOH + СН₃СОО^- + NH₄⁺

Гидролиз соли идет одновременно и по катиону, и по аниону. В зависимости от константы диссоциации продуктов гидролиза (кислоты и основания) реакция среды растворов таких солей может быть слабокислой, слабощелочной или нейтральной. Например, реакция среды в случае гидролиза ацетата аммония CH₃COONH₄ — нейтральная, поскольку константы диссоциации СН₃СООН и NH₄OH равны. В случае же гидролиза соли цианида аммония NH₄CN реакция среды слабощелочная.

Таким образом, гидролиз соли, образованной слабым основанием и слабой кислотой, идет одновременно и по катиону, и по аниону. Реакция среды зависит от констант диссоциации продуктов гидролиза.

Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой.

Соли этого типа гидролизу не подвергаются, потому что катионы и анионы этих солей не связываются с ионами Н⁺ и ОН^- воды и в растворе не образуются молекулы слабых электролитов. Поскольку связывания ионов воды не происходит, реакция среды растворов этих солей остается нейтральной. Рассмотрим это на примере раствора хлорида натрия. Взаимодействие этой соли с водой можно представить уравнениями

NaCl + Н₂О = NaOH + HC1 или Na⁺+ С1^- + Н₂О = Na⁺ + ОН^- + Н⁺ + С1^-.

Производя сокращения в ионном уравнении, получаем Н₂О = Н⁺ + ОН^-. Отсюда видно, что ионы соли не участвуют в реакций и среда остается нейтральной.

Следовательно, соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, при растворении в воде гидролизу не подвергаются, а реакция среды остается нейтральной.

Значение растворов электролитов в химии, биологии, геохимии.

Что же дало радиационной химии изучение радиолиза воды и водных растворов? Оно позволило создать общее представление о радиолизе чистых веществ и смесей различных веществ, о видах радиационно-химических реакций в растворах, о путях повышения и понижения выходов радиолитических превращений. Зная механизм радиолиза воды, легче изучать механизмы радиолиза других веществ, так как многие закономерности радиационно-химических превращений имеют общий характер. 

Используя полученные данные о механизме радиолиза водных растворов, химики смогли разобраться в радиационно-химических превращениях веществ, используемых для очистки и разделения радиоактивных изотопов и ядерного горючего, и разработать методы, устраняющие опасность появления больших количеств горючего газа при облучении воды в ядерном реакторе.

Другое важное следствие касается радиационной биологии. Организмы - это (конечно, лишь с химической точки зрения) концентрированные водные растворы органических и неорганических веществ. Следовательно, происходящие в организмах процессы в организмах процессы подчиняются общим закономерностям радиолиза водных растворов, знание которых облегчает биологам выяснение механизма биологических нарушений в организме при облучении.

Литература.

1. Робинсон Р., Стокс Р. Растворы электролитов. М., 1963 Измайлов А.А. Электрохимия растворов. М., 1976

2. Термодинамика и строение растворов. Материалы симпозиума "Химия водных систем при высоких температурах и давлениях", Иваново, 1986; March N.H., Тоsi M. P., Coulomb liquids, L.-[a.o.], 1984;

3. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Химия, 1978. – С. 228-260.

4. Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в формулах определениях, схемах. – Мн.: Унiверсiтэцкае, 1996. – С. 121-136.

5. Воробьев В.К., Елисеев С.Ю., Врублевский А.В. Практические и самостоятельные работы по химии. – Мн.: УП «Донарит», 2005. – С. 52-65.

20