Решение задачи 8 варианта: Классификация и диссоциация электролитов

Для 8 варианта из таблицы выбраны следующие вещества и их концентрации: 1. \(HI\), \(C = 0,003\) моль/л (столбцы 1 и 1а) 2. \(H_2SO_3\), \(C = 0,01\) моль/л (столбцы 2 и 2а) 3. \(CaCO_3\), \(C = 5 \cdot 10^{-6}\) моль/л (столбцы 3 и 3а) 4. \(Na_2SiO_3\), \(C = 0,009\) моль/л (столбцы 4 и 4а) Задание 1. Классификация и уравнения диссоциации Сильные электролиты (диссоциируют полностью): \(HI\) (йодоводородная кислота) \[HI \rightarrow H^+ + I^-\] \(Na_2SiO_3\) (силикат натрия) \[Na_2SiO_3 \rightarrow 2Na^+ + SiO_3^{2-}\] Слабые электролиты (диссоциируют обратимо): \(H_2SO_3\) (сернистая кислота) I ступень: \(H_2SO_3 \rightleftarrows H^+ + HSO_3^-\) II ступень: \(HSO_3^- \rightleftarrows H^+ + SO_3^{2-}\) Малорастворимые электролиты: \(CaCO_3\) (карбонат кальция) \[CaCO_3 \rightleftarrows Ca^{2+} + CO_3^{2-}\] Задание 2. Характеристики раствора \(HI\) (\(C = 0,003\) моль/л, \(\rho = 1\) г/см³) 1) Молярная концентрация эквивалента \(C_n\): Так как \(HI\) — одноосновная кислота, фактор эквивалента \(f_{eq} = 1\). \[C_n = C \cdot z = 0,003 \cdot 1 = 0,003 \text{ моль-экв/л}\] 2) Титр раствора \(T\): Молярная масса \(M(HI) = 1 + 127 = 128\) г/моль. \[T = \frac{C \cdot M}{1000} = \frac{0,003 \cdot 128}{1000} = 0,000384 \text{ г/мл}\] 3) Массовая доля \(\omega\): При плотности 1 г/см³ (1000 г/л): \[\omega = \frac{C \cdot M}{10 \cdot \rho} = \frac{0,003 \cdot 128}{10 \cdot 1} = 0,0384 \%\] 4) Моляльность \(m\): Так как раствор очень разбавлен и \(\rho = 1\), моляльность практически равна молярности: \[m \approx 0,003 \text{ моль/кг}\] Задание 3. pH и активность Для \(HI\) (\(C = 0,003\) моль/л): Это сильная кислота. Ионная сила \(I\): \[I = \frac{1}{2} \sum C_i z_i^2 = \frac{1}{2} (0,003 \cdot 1^2 + 0,003 \cdot 1^2) = 0,003\] Коэффициент активности \(f\) при такой ионной силе \(\approx 1\). \[[H^+] = 0,003 \text{ моль/л}\] \[pH = -\lg[H^+] = -\lg(0,003) \approx 2,52\] Активность \(a(H^+) = a(I^-) \approx 0,003\) моль/л. Для \(H_2SO_3\) (\(C = 0,01\) моль/л): Константа диссоциации по I ступени \(K_1 \approx 1,7 \cdot 10^{-2}\). Степень диссоциации \(\alpha\): \[\alpha = \sqrt{\frac{K_1}{C}} = \sqrt{\frac{0,017}{0,01}} \approx 1,3 \text{ (закон разбавления Оствальда здесь неточен, кислота средней силы)}\] Для точного расчета \(pH\) слабых кислот средней силы: \[[H^+] = \frac{-K_1 + \sqrt{K_1^2 + 4K_1 C}}{2} \approx 0,0078 \text{ моль/л}\] \[pH = -\lg(0,0078) \approx 2,11\] Задание 4. Малорастворимый электролит \(CaCO_3\) Выражение для ПР: \[ПР = [Ca^{2+}] \cdot [CO_3^{2-}]\] Справочное значение \(ПР(CaCO_3) = 3,8 \cdot 10^{-9}\). Проверка возможности приготовления раствора \(C = 5 \cdot 10^{-6}\) моль/л: Произведение концентраций: \(5 \cdot 10^{-6} \cdot 5 \cdot 10^{-6} = 2,5 \cdot 10^{-11}\). Так как \(2,5 \cdot 10^{-11} < 3,8 \cdot 10^{-9}\), раствор приготовить можно (он будет ненасыщенным). Объем воды для растворения 0,5 г \(CaCO_3\): Растворимость \(S = \sqrt{ПР} = \sqrt{3,8 \cdot 10^{-9}} \approx 6,16 \cdot 10^{-5}\) моль/л. Масса в 1 литре: \(m = S \cdot M = 6,16 \cdot 10^{-5} \cdot 100 \approx 0,00616\) г/л. Объем \(V = \frac{0,5}{0,00616} \approx 81,17\) литров. Задание 5. Гидролиз \(Na_2SiO_3\) Соль образована сильным основанием и слабой кислотой. Гидролиз по аниону. I ступень: \[SiO_3^{2-} + H_2O \rightleftarrows HSiO_3^- + OH^-\] \[K_{h1} = \frac{K_w}{K_{a2}(H_2SiO_3)}\] II ступень: \[HSiO_3^- + H_2O \rightleftarrows H_2SiO_3 + OH^-\] \[K_{h2} = \frac{K_w}{K_{a1}(H_2SiO_3)}\] Задание 6. Расчет pH \(Na_2SiO_3\) (\(C = 0,009\) моль/л) Используем \(K_{a2} \approx 1,6 \cdot 10^{-12}\). \[K_{h1} = \frac{10^{-14}}{1,6 \cdot 10^{-12}} = 0,00625\] \[[OH^-] = \sqrt{K_{h1} \cdot C} = \sqrt{0,00625 \cdot 0,009} \approx 0,0075 \text{ моль/л}\] \[pOH = -\lg(0,0075) \approx 2,12\] \[pH = 14 - 2,12 = 11,88\] Реакция среды: сильнощелочная. При нагревании гидролиз усиливается (так как это эндотермический процесс), концентрация \(OH^-\) растет, следовательно, \(pH\) будет увеличиваться.