Определение характера среды водных растворов веществ. Индикаторы.

 

Среда водных растворов

 

Вода и водные растворы окружают нас повсюду. В воде и в водных растворах присутствуют ионы Н+ и ОН. Избыток или недостаток этих ионов определяет среду раствора

В нейтральном растворе количество ионов водорода Н+ равно количеству гидроксид-ионов ОН.

[Н+] = [ОН]

Если количество ионов водорода Н+ больше количества гидроксид-ионов ОН, то среда раствора кислая:

[Н+] > [ОН]

Если количество ионов водорода Н+ меньше количества гидроксид-ионов ОН, то среда раствора щелочная:

[Н+] < [ОН]

Для характеристики кислотности среды используют водородный показатель рН. Он определяется, как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. В нейтральной среде рН равен 7, в кислой — меньше 7, в щелочной — больше 7. 

 

Кислая средаНейтральная средаЩелочная среда
+] > [ОН]+] = [ОН]+] < [ОН]
pH < 7pH = 7pH > 7

 

Индикаторы

 

Для определения среды раствора используют специальные вещества, которые изменяют цвет в зависимости от среды раствора: индикаторы. В зависимости от среды эти вещества могут переходить в разные формы с различной окраской.

Чаще всего используют следующие индикаторы: лакмус, метилоранж, фенолфталеин.

 

Окраска индикаторов в различных средах:

Индикатор/средаКислаяНейтральнаяЩелочная
ЛакмусКрасныйФиолетовыйСиний
МетилоранжКрасныйОранжевыйЖелтый
ФенолфталеинБесцветныйБесцветныйМалиновый

 

Растворы кислот и оснований

 

Характер среды определяется процессами, которые происходят с веществами в растворе. Кислот, основания и соли в воде диссоциируют на ионы. Кислоты диссоциируют на катионы водорода H+ и анионы кислотных остатков:

HA = H+ + A

При этом в растворе возникает избыток катионов водорода Н+, поэтому среда водных растворов кислот — кислая (что вполне логично).

Сильные кислоты  диссоциируют в разбавленных растворах практически полностью, поэтому среда разбавленных растворов сильных кислот, как правило, сильно кислотная. Некоторые кислоты (слабые) диссоциируют частично, поэтому среда водных растворов слабых кислот — слабо кислая.

Основания диссоциируют на катионы металлов и гидроксид-анионы ОН

МеОH = Ме+ + ОН

При этом в растворе возникает избыток катионов гидроксид-анионов ОН, поэтому среда водных растворов оснований — щелочная. Сильные основания (щелочи) хорошо растворимы в воде, поэтому среда их водных растворов — сильно щелочная. Нерастворимые основания в воде практически не растворяются, поэтому в водном растворе оказывается лишь небольшое количество ионов ОН. Среда водного раствора аммиака слабо щелочная.

 

Растворы солей

 

Среда водных растворов солей определяется не только диссоциацией, но и особенностями взаимодействия катионов металлов и анионов кислотных остатков с водой — гидролизом солей.

Попадая в воду, соли диссоциируют на катионы металлов (или ион аммония NH4+) и анионы кислотных остатков.

Катионы металлов, которым соответствуют слабые основания, притягивают из воды ионы ОН, при этом в воде образуются избыточные катионы водорода Н+. Протекает гидролиз по катиону. Катионы металлов, которым соответствуют сильные основания, с водой таким образом не взаимодействуют.

Например, катионы Fe3+ подвергаются гидролизу:

Fe3+ + HOH ↔ FeOH2+ + H+

 

Анионы кислотных остатков, которым соответствуют слабые кислоты, притягивают из воды катионы Н+, при этом в воде остаются гидроксид-анионы ОН. Протекает гидролиз по аниону. Анионы кислотных остатков сильных кислот таким образом с водой не взаимодействуют.

Например, ацетат-ионы (остаток уксусной кислоты CH3COOH) подвергаются гидролизу:

CH3COO + HOH ↔ CH3COOH +  OH

 

В зависимости от состава соли водные растворы солей могут иметь кислую, нейтральную или щелочную среду.

 

Типы гидролиза солей в водных растворах:

Катион/анионКатион сильного основанияКатион слабого основания
Анион сильной кислотыГидролиз не идетГидролиз по катиону
Анион слабой кислотыГидролиз по анионуГидролиз по катиону и аниону

 

Среда водных растворов солей:

Катион/анионКатион сильного основанияКатион слабого основания
Анион сильной кислотыНейтральнаяКислая
Анион слабой кислотыЩелочнаяНейтральная*

* на практике среда водных растворов солей, образованных слабым основанием и слабой кислотой, определяется силой кислоты и основания

 

Тип гидролиза и среда водных растворов некоторых солей:

Катион/анионNa+NH4+
ClNаCl, гидролиз не идет, среда  нейтральная(NH4)2CO3 гидролиз по катиону, среда щелочная
CO32Na2CO3, гидролиз по аниону,  среда щелочнаяNa2CO3, гидролиз по катиону и аниону,  среда определяется силой кислоты и основания

 

 

Индикаторы будут по-разному окрашиваться в водных растворах таких солей, в зависимости от среды. Таким образом, с помощью индикаторов можно различить водные растворы некоторых солей.

Окраска лакмуса в водных растворах солей, в зависимости от строения соли:

:

Катион/анионКатион сильного основанияКатион слабого основания
Анион сильной кислотыЛакмус фиолетовыйЛакмус красный
Анион слабой кислотыЛакмус синийОкраска лакмуса зависит от силы кислоты и основания

 


Окраска лакмуса в водных растворах некоторых солей:

Катион/анионNa+NH4+
ClNаCl, лакмус фиолетовый(NH4)2CO3 лакмус красный
CO32Na2CO3, лакмус синийNa2CO3, окраска лакмуса зависит от силы кислоты и основания