Теория сильных электролитов

В водных растворах сильные электролиты практически полностью диссоциированы (α ~ 100%). Это подтверждено физическими и физико-химическими методами исследования. В отличие от растворов слабых электролитов их растворы содержат значительно большее число ионов. Это приводит к сильному межионному взаимодействию. Как следствие, возникает эффект уменьшения числа ионов, участвующих в химических процессах. Именно поэтому определяемая степень диссоциации сильных электролитов является кажущейся степенью диссоциации, так как она не соответствует реальной степени распада электролита на ионы. Степень диссоциации для сильных электролитов рассчитывается по формуле

α = ,

где α – степень диссоциации растворенного вещества;

i − изотонический коэффициент;

n − число ионов, на которые распадается электролит.

 

Например, для сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃ = 2Al³⁺ + 3SO₄^2- число ионов n =5.

Таким образом, можно считать, что во всех процессах в растворах электролитов участвуют лишь «активные ионы», т.е. ионы, не принимающие в данный момент участия в межионных взаимодействиях. Для оценки концентрационных эффектов в растворах сильных электролитов вводится величина, называемая активностью (a). Под активностью электролита понимают эффективную концентрацию, в соответствии с которой он участвует в различных процессах. Активность связана с истинной концентрацией растворенного вещества соотношением:

а = f ·C_B,

где а – активность электролита, моль/л;

f – коэффициент активности;

C_B – молярная концентрация, моль/л.

 

В разбавленных растворах природа электролитов незначительно влияет на значения коэффициентов активности. Количественной характеристикой межионных электростатических взаимодействий является ионная сила раствора (I). Ионной силой раствора называют величину, измеряемую полусуммой произведений концентраций всех находящихся в растворе ионов на квадрат их заряда.

Например, для 0, 1М раствора ZnSO₄ ионная сила раствора будет равна:

I = ½ (0, 1∙ 2² + 0, 1∙ 2²) = 0, 4.

В 1923 г. П. Дебай и Э. Хюккель показали, что для разбавленных водных растворов с ионной силой I ≤ 0, 01 коэффициент активности ионов можно рассчитать по формуле

lg f = − 0, 5 z ² ,

где z – заряд иона,

I – ионная сила раствора.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятиям: насыщенный и ненасыщенный пар.

2. Назовите факторы, влияющие на величину давления пара чистого растворителя и раствора. Первый закон Рауля.

3. Условия закипания и замерзания растворов.

4. Физический смысл криоскопической и эбуллиоскопической констант. Второй закон Рауля.

5. Влияние электролитической диссоциации растворенного вещества на величину ∆ t_зам растворов.

6. Сущность методов криоскопии и эбуллиоскопии, их значение.

Задачи

 

1. Раствор, содержащий 1, 22 г бензойной кислоты С₆Н₅СООН в 100 г сероуглерода, кипит при 46, 8^оС. Температура кипения сероуглерода 46, 529^оС. Вычислите эбуллиоскопическую константу сероуглерода.

2. Раствор, содержащий 11, 04 г глицерина и 800 г воды, кристаллизуется при температуре -0, 279^оС. Вычислите молярную массу глицерина, если для воды значение криоскопической константы равно 1, 86 град·кг/моль.

3. Сколько граммов С₁₂Н₂₂О₁₁ растворено в 1600 г воды, если раствор закипает при температуре 100, 04^оС (К_э =0, 52 град·кг/моль)?

4. Вычислите массовую долю водного раствора мочевины (NH₄)₂CO, зная, что этот раствор кристаллизуется при температуре -0, 465^оС (К_к =1, 86 град·кг/моль).

5. Вычислите температуру кристаллизации 5%-го водного раствора этиленгликоля С₂Н₄(ОН)₂ (К_к =1, 86 град·кг/моль).

6. Температура кипения раствора, содержащего 3, 05 г бензойной кислоты С₆Н₅СООН в 125 г хлороформа, равна 61, 88^оС. Температура кипения хлороформа 61, 12^оС. Вычислите эбуллиоскопическую константу хлороформа.

7. Вычислите молярную массу неэлектролита, если известно, что раствор, содержащий 0, 75 г этого вещества в 250 г воды, кристаллизуется при − 0, 098^оС (К_к =1, 86 град·кг/моль).

8. Вычислите температуру кипения 3%-го раствора нафталина С₁₀Н₈ в бензоле. Температура кипения бензола 80, 2^оС (К_э =2, 57 град·кг/моль).

9. Раствор, содержащий 8, 55 г неэлектролита в 100 г воды, кристаллизуется при температуре -0, 465^оС. Вычислите молярную массу растворенного вещества, если для воды значение криоскопической константы равно 1, 86 град·кг/моль.

10. Вычислите значение криоскопической константы уксусной кислоты, если раствор, содержащий 3, 56 г антрацена С₁₄Н₁₀ в 100 г уксусной кислоты, кристаллизуется при 15, 718^оС. Температура кристаллизации уксусной кислоты 16, 65^оС.

11. Равные массы камфары С₁₀Н₁₆О и нафталина С₁₀Н₈ растворены в одинаковом объеме бензола. Определите, какой из растворов кипит при более высокой температуре.

12. Вычислите массовую долю раствора С₁₂Н₂₂О₁₁, если температура кристаллизации раствора равна -0, 465^оС. Криоскопическая константа воды 1, 86 град·кг/моль.

13. Вычислите температуру кристаллизации раствора мочевины (NH₄)₂CO, содержащего 8 г мочевины в 100 г воды (К_к =1, 86 град·кг/моль).

14. Вычислите процентную концентрацию водного раствора глюкозы С₆Н₁₂О₆, если этот раствор кипит при 100, 26^оС (К_э =0, 52 град·кг/моль).

15. Определите молярную массу серы, если раствор 0, 324 г ее в 40 г бензола кипит при температуре на 0, 081^оС выше, чем чистый бензол (К_э =2, 61 град·кг/моль).

16. Определите температуру кипения раствора 1 г нафталина С₁₀Н₈ в 20 г эфира, если чистый эфир кипит при 35^оС (К_э =2, 16 град·кг/моль).

17. Вычислите температуру кипения раствора, содержащего 34 г ВаСl₂ в 1 кг воды (α =74, 5%).

18. Определите изотонический коэффициент для раствора К₂SO₄, содержащего 43, 5 г соли на 500 г воды. Раствор замерзает при -1, 83^оС.

19. Температура замерзания раствора, состоящего из 0, 1 моля электролита и 500 г воды, равна -0, 67^оС, кажущаяся степень диссоциации 0, 9. Определите, сколько ионов получается при диссоциации.

20. Определите, при какой температуре закипает раствор, состоящий из 30 г NаОН и 250 г воды, если кажущаяся степень диссоциации равна 0, 77.

21. При растворении 1 моль азотнокислого калия в 1 л воды температура замерзания понизилась на 3, 01^оС. Определите кажущуюся степень диссоциации соли в растворе.

22. Раствор, содержащий 8 г сернокислого алюминия Аl₂(SO₄)₃ в 25 г воды, замерзает при -4, 56^оС. Вычислите кажущуюся степень диссоциации электролита.

23. Рассчитайте изотонический коэффициент для раствора хлорида магния, содержащего 0, 1 моль МgCl₂ в
1 кг воды, если температура замерзания раствора -0, 461^оС.

24. Температура кипения раствора, содержащего 9, 09 г нитрата калия в 100 г воды, равна 100, 8^оС. Вычислите степень диссоциации КNO₃ в этом растворе.

25. Раствор, содержащий 0, 53 г карбоната натрия в 200 г воды, замерзает при -0, 13^оС. Вычислите степень диссоциации Nа₂СО₃ в этом растворе.

26. Раствор, содержащий 8, 535 г нитрата натрия в 100 г воды, замерзает при -3, 04^оС. Вычислите степень диссоциации NаNO₃.

27. Раствор, содержащий 0, 834 г сульфата натрия Nа₂SO₄ в 1 кг воды, замерзает при -0, 028^оС. Вычислите степень диссоциации соли.

28. Раствор, содержащий 0, 53 г сульфита натрия в 200 г воды, замерзает при -0, 13^оС. Вычислите степень диссоциации Nа₂SO₃ в этом растворе.

29. Вычислите понижение температуры замерзания раствора, содержащего 1 г АgNO₃ в 50 г воды (α =59%).

30. Кажущаяся степень диссоциации раствора, состоящего из 2, 925 г хлорида натрия NаCl и 50 г воды, равна 0, 8. Определите температуру замерзания раствора (К_к =1, 86 град·кг/моль).

31. Вычислите степень кажущейся диссоциации 4%-го раствора хлорида калия, если этот раствор начинает замерзать при температуре -2^оС.

32. Определите температуру замерзания 0, 25 н раствора гидроксида натрия, плотность которого равна
1, 01 г/мл, а степень диссоциации 0, 8.

33. Кажущаяся степень диссоциации раствора азотной кислоты, содержащего 31, 5 г НNO₃ в 500 г воды, равна 80%. Рассчитайте температуру замерзания этого раствора.

34. Кажущаяся степень диссоциации сернокислого цинка в 0, 1 н растворе равна 40%. Определите осмотическое давление раствора при 0^оС.

35. Одинаково ли осмотическое давление 1 М растворов следующих веществ: глюкозы С₆Н₁₂О₆, уксусной кислоты СН₃СООН и азотной кислоты НNО₃? Ответ мотивируйте.

36. Вычислите величину осмотического давления следующих растворов при 0^оС: а) 0, 1 н раствора гидроксида калия (α =89%), б) 0, 1 н раствора сульфата натрия (α =69%).

37. Рассчитайте величину осмотического давления раствора, содержащего в 1 л 3, 1 г анилина (С₆Н₅NН₂). Температура раствора 21^оС.

38. Осмотическое давление водного раствора, содержащего в 100 мл 1 г сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁, равно
0, 655 атм при 0^оС. Рассчитайте величину универсальной газовой постоянной R.

39. Раствор, содержащий в 1 л 3, 75 г формалина, обладает осмотическим давлением 2, 8 атм при 0^оС. Определите молярную массу формалина.

40. Осмотическое давление водного раствора, содержащего 3 г в 250 мл раствора, равно 0, 82 атм при 12^оС. Определите молярную массу вещества.

41. Сколько граммов глюкозы С₆Н₁₂О₆ должен содержать 1 л раствора, чтобы его осмотическое давление было таким же, как у раствора, содержащего в 1 л при этой же температуре 3 г формалина (НСНО)?

42. Вычислите осмотическое давление 5%-го раствора ацетона в воде при 0^оС. Плотность раствора
0, 90 г/мл.