Кислотно-основные свойства растворов
Кислотно-основные свойства раствора определяют по соотношению концентраций ионов водорода \(\mathrm{H^+}\) и гидроксид-ионов \(\mathrm{OH^-}\). Раствор бывает кислым, нейтральным или щелочным; среду можно установить по составу раствора, результатам реакции и изменению окраски индикатора.
Какие ионы определяют среду раствора
Вода и водные растворы электролитов содержат ионы \(\mathrm{H^+}\) и \(\mathrm{OH^-}\). В чистой воде они образуются в результате диссоциации воды: молекулы воды очень слабо распадаются на эти ионы. В обычных условиях количество ионов водорода равно количеству гидроксид-ионов.
Кислая среда: \(c(\mathrm{H^+})>c(\mathrm{OH^-})\). Нейтральная среда: \(c(\mathrm{H^+})=c(\mathrm{OH^-})\). Щелочная среда: \(c(\mathrm{H^+})<c(\mathrm{OH^-})\).
Здесь \(c\) — молярная концентрация ионов, то есть количество вещества ионов в одном литре раствора. В школьных задачах часто используют упрощённую запись \(\mathrm{H^+}\), хотя в воде ион водорода связан с молекулами воды и существует в виде гидратированных частиц.
Формула (1) выражает ионное произведение воды. Если концентрация одного вида ионов увеличивается, концентрация другого уменьшается так, чтобы произведение оставалось равным \(10^{-14}\). Подробно это связано с водородным показателем и расчётами pH раствора.
Среда растворов кислот, оснований и солей
При растворении электролиты распадаются на ионы. Кислоты диссоциируют с образованием ионов водорода, основания — с образованием гидроксид-ионов. Поэтому состав раствора позволяет заранее предположить его среду.
| Класс вещества | Пример диссоциации | Ожидаемая среда |
|---|---|---|
| Кислота | \(\mathrm{HCl\rightarrow H^+ + Cl^-}\) | Кислая |
| Щёлочь | \(\mathrm{NaOH\rightarrow Na^+ + OH^-}\) | Щелочная |
| Растворимая соль сильной кислоты и сильного основания | \(\mathrm{NaCl\rightarrow Na^+ + Cl^-}\) | Близка к нейтральной |
| Вода | \(\mathrm{H_2O\rightleftharpoons H^+ + OH^-}\) | Нейтральная |
Соли требуют более внимательного анализа. Например, раствор хлорида натрия обычно считают нейтральным, потому что ионы \(\mathrm{Na^+}\) и \(\mathrm{Cl^-}\) практически не взаимодействуют с водой. А растворы солей, образованных слабой кислотой или слабым основанием, могут быть кислыми или щелочными из-за амфолитов и реакций ионов с водой.
Чтобы определить среду, сравните концентрации \(c(\mathrm{H^+})\) и \(c(\mathrm{OH^-})\). Избыток \(\mathrm{H^+}\) означает кислую среду, избыток \(\mathrm{OH^-}\) — щелочную, равенство концентраций — нейтральную.
Какую среду имеет раствор, если \(c(\mathrm{H^+})=10^{-3}\) моль/л, а \(c(\mathrm{OH^-})=10^{-11}\) моль/л?
Индикаторы и качественное определение среды
Индикаторы — вещества, меняющие окраску в зависимости от среды. Они не сообщают точное значение концентрации ионов, но позволяют быстро установить, является ли раствор кислым, нейтральным или щелочным. В качественном анализе индикатор добавляют к исследуемому раствору или смачивают им индикаторную бумагу.
| Индикатор | Кислая среда | Нейтральная среда | Щелочная среда |
|---|---|---|---|
| Лакмус | Красный | Фиолетовый | Синий |
| Метилоранж | Красный | Оранжевый | Жёлтый |
| Фенолфталеин | Бесцветный | Бесцветный | Малиновый |
| Универсальный индикатор | Красно-жёлтая область | Зелёный | Сине-фиолетовая область |
Окраска универсального индикатора связана с приблизительным значением pH: красные и оранжевые оттенки указывают на кислую среду, зелёный — на нейтральную, синие и фиолетовые оттенки — на щелочную. Фенолфталеин не различает кислую и нейтральную среду: в обеих он бесцветен, зато хорошо обнаруживает щёлочь.
Нельзя считать бесцветный фенолфталеин доказательством нейтральной среды. Он бесцветен и в кислой, и в нейтральной среде; малиновая окраска появляется только в щелочной среде.
Как определить среду по концентрации
В заданиях могут быть указаны концентрации только одного вида ионов. Тогда вторую концентрацию находят из ионного произведения воды, а затем сравнивают ионы.
Определите среду раствора, если \(c(\mathrm{OH^-})=1\cdot10^{-5}\) моль/л при температуре \(25\ ^\circ\mathrm{C}\).
Ответ: раствор имеет щелочную среду. Дополнительно можно проверить результат: концентрация гидроксид-ионов намного больше концентрации ионов водорода.
Если обе концентрации записаны как степени десяти, большая отрицательная степень соответствует меньшей концентрации. Например, \(10^{-9}<10^{-5}\), поэтому ионов \(\mathrm{H^+}\) меньше, чем ионов \(\mathrm{OH^-}\).
Нейтрализация и изменение среды
При смешивании кислоты и основания ионы водорода и гидроксид-ионы реагируют с образованием воды. Это называют реакцией нейтрализации. Если количества реагирующих ионов равны, после реакции раствор может стать нейтральным, но окончательный вывод зависит также от свойств образовавшейся соли и избытка реагента.
Если кислоты добавлено больше, в растворе остаётся избыток \(\mathrm{H^+}\) и среда кислая. Если избыток основания — остаётся \(\mathrm{OH^-}\) и среда щелочная. Полное составление такого уравнения рассматривается на странице ионное уравнение нейтрализации.
\(c(\mathrm{H^+})>c(\mathrm{OH^-})\) — кислая среда; \(c(\mathrm{H^+})=c(\mathrm{OH^-})\) — нейтральная; \(c(\mathrm{H^+})<c(\mathrm{OH^-})\) — щелочная.
Проверка знаний
Quick-test
Главное
- Среду раствора определяют сравнением концентраций \(\mathrm{H^+}\) и \(\mathrm{OH^-}\).
- Избыток \(\mathrm{H^+}\) означает кислую среду, избыток \(\mathrm{OH^-}\) — щелочную, равенство концентраций — нейтральную.
- При \(25\ ^\circ\mathrm{C}\) выполняется \(c(\mathrm{H^+})\cdot c(\mathrm{OH^-})=10^{-14}\).
- Индикаторы помогают качественно определить среду, но имеют разные области изменения окраски.
- При нейтрализации ионы \(\mathrm{H^+}\) и \(\mathrm{OH^-}\) образуют воду; среда зависит от того, какой реагент остался в избытке.