Перейти к содержанию

Глава 14. Упражнения

14.1 Кислоты и основания по Брёнстеду–Лоури

  1. Запишите уравнения, в которых \(\ce{NH3}\) выступает и как сопряжённая кислота, и как сопряжённое основание.

  2. Запишите уравнения, в которых \(\ce{H2PO4-}\) выступает и как кислота, и как основание.

  3. Покажите соответствующими сокращёнными ионными уравнениями, что каждая из следующих частиц может выступать как кислота Брёнстеда–Лоури: (a) \(\ce{H3O+}\); (b) \(\ce{HCl}\); © \(\ce{NH3}\); (d) \(\ce{CH3CO2H}\); (e) \(\ce{NH4+}\); (f) \(\ce{HSO4-}\).

  4. Покажите соответствующими сокращёнными ионными уравнениями, что каждая из следующих частиц может выступать как кислота Брёнстеда–Лоури: (a) \(\ce{HNO3}\); (b) \(\ce{PH4+}\); © \(\ce{H2S}\); (d) \(\ce{CH3CH2COOH}\); (e) \(\ce{H2PO4-}\); (f) \(\ce{HS-}\).

  5. Покажите соответствующими сокращёнными ионными уравнениями, что каждая из следующих частиц может выступать как основание Брёнстеда–Лоури: (a) \(\ce{H2O}\); (b) \(\ce{OH-}\); © \(\ce{NH3}\); (d) \(\ce{CN-}\); (e) \(\ce{S^2-}\); (f) \(\ce{H2PO4-}\).

  6. Покажите соответствующими сокращёнными ионными уравнениями, что каждая из следующих частиц может выступать как основание Брёнстеда–Лоури: (a) \(\ce{HS-}\); (b) \(\ce{PO4^3-}\); © \(\ce{NH2-}\); (d) \(\ce{C2H5OH}\); (e) \(\ce{O^2-}\); (f) \(\ce{H2PO4-}\).

  7. Какова сопряжённая кислота каждой из следующих частиц? Каково их сопряжённое основание? (a) \(\ce{OH-}\); (b) \(\ce{H2O}\); © \(\ce{HCO3-}\); (d) \(\ce{NH3}\); (e) \(\ce{HSO4-}\); (f) \(\ce{H2O2}\); (g) \(\ce{HS-}\); (h) \(\ce{H5N2+}\).

  8. Какова сопряжённая кислота каждой из следующих частиц? Каково их сопряжённое основание? (a) \(\ce{H2S}\); (b) \(\ce{H2PO4-}\); © \(\ce{PH3}\); (d) \(\ce{HS-}\); (e) \(\ce{HSO3-}\); (f) \(\ce{H2O2}\); (g) \(\ce{H4N2}\); (h) \(\ce{CH3OH}\).

  9. Определите и обозначьте кислоту Брёнстеда–Лоури, её сопряжённое основание, основание Брёнстеда–Лоури и его сопряжённую кислоту в каждом из следующих уравнений: (a) \(\ce{HNO3 + H2O -> H3O+ + NO3-}\); (b) \(\ce{CN- + H2O -> HCN + OH-}\); © \(\ce{H2SO4 + Cl- -> HCl + HSO4-}\); (d) \(\ce{HSO4- + OH- -> SO4^2- + H2O}\); (e) \(\ce{O^2- + H2O -> 2OH-}\); (f) \(\ce{[Cu(H2O)3(OH)]+ + [Al(H2O)6]^3+ -> [Cu(H2O)4]^2+ + [Al(H2O)5(OH)]^2+}\); (g) \(\ce{H2S + NH2- -> HS- + NH3}\).

  10. Определите и обозначьте кислоту Брёнстеда–Лоури, её сопряжённое основание, основание Брёнстеда–Лоури и его сопряжённую кислоту в каждом из следующих уравнений: (a) \(\ce{NO2- + H2O -> HNO2 + OH-}\); (b) \(\ce{HBr + H2O -> H3O+ + Br-}\); © \(\ce{HS- + H2O -> H2S + OH-}\); (d) \(\ce{H2PO4- + OH- -> HPO4^2- + H2O}\); (e) \(\ce{H2PO4- + HCl -> H3PO4 + Cl-}\); (f) \(\ce{[Fe(H2O)5(OH)]^2+ + [Al(H2O)6]^3+ -> [Fe(H2O)6]^3+ + [Al(H2O)5(OH)]^2+}\); (g) \(\ce{CH3OH + H- -> CH3O- + H2}\).

  11. Что такое амфипротонные частицы? Проиллюстрируйте соответствующими уравнениями.

  12. Укажите, какие из следующих частиц являются амфипротонными, и запишите химические уравнения, иллюстрирующие амфипротонный характер этих частиц: (a) \(\ce{H2O}\); (b) \(\ce{HPO4^2-}\); © \(\ce{S^2-}\); (d) \(\ce{CO3^2-}\); (e) \(\ce{HSO3-}\).

  13. Укажите, какие из следующих частиц являются амфипротонными, и запишите химические уравнения, иллюстрирующие амфипротонный характер этих частиц: (a) \(\ce{NH3}\); (b) \(\ce{HPO4^2-}\); © \(\ce{Br-}\); (d) \(\ce{NH4+}\); (e) \(\ce{AsO4^3-}\).

  14. Самоионизация воды — процесс эндотермический или экзотермический? Константа ионизации воды (\(K_w\)) равна \(2{,}9 \times 10^{-14}\) при \(40\ \text{°C}\) и \(9{,}3 \times 10^{-14}\) при \(60\ \text{°C}\).

14.2 pH и pOH

  1. Объясните, почему образец чистой воды при \(40\ \text{°C}\) нейтрален, хотя \([\ce{H3O+}] = 1{,}7 \times 10^{-7}\ \text{M}\). \(K_w\) при \(40\ \text{°C}\) равен \(2{,}9 \times 10^{-14}\).

  2. Константа ионизации воды (\(K_w\)) равна \(2{,}9 \times 10^{-14}\) при \(40\ \text{°C}\). Рассчитайте \([\ce{H3O+}]\), \([\ce{OH-}]\), pH и pOH для чистой воды при \(40\ \text{°C}\).

  3. Константа ионизации воды (\(K_w\)) равна \(9{,}311 \times 10^{-14}\) при \(60\ \text{°C}\). Рассчитайте \([\ce{H3O+}]\), \([\ce{OH-}]\), pH и pOH для чистой воды при \(60\ \text{°C}\).

  4. Рассчитайте pH и pOH каждого из следующих растворов при \(25\ \text{°C}\), в которых вещества ионизуются полностью: (a) \(0{,}200\ \text{M}\ \ce{HCl}\); (b) \(0{,}0143\ \text{M}\ \ce{NaOH}\); © \(3{,}0\ \text{M}\ \ce{HNO3}\); (d) \(0{,}0031\ \text{M}\ \ce{Ca(OH)2}\).

  5. Рассчитайте pH и pOH каждого из следующих растворов при \(25\ \text{°C}\), в которых вещества ионизуются полностью: (a) \(0{,}000259\ \text{M}\ \ce{HClO4}\); (b) \(0{,}21\ \text{M}\ \ce{NaOH}\); © \(0{,}000071\ \text{M}\ \ce{Ba(OH)2}\); (d) \(2{,}5\ \text{M}\ \ce{KOH}\).

  6. Чему равны pH и pOH раствора \(2{,}0\ \text{M}\ \ce{HCl}\), который ионизуется полностью?

  7. Каковы концентрации иона гидроксония и гидроксид-иона в растворе, pH которого равен \(6{,}52\)?

  8. Рассчитайте концентрацию иона водорода и концентрацию гидроксид-иона в вине по его pH. Полезные данные см. на рис. 14.2.

  9. Рассчитайте концентрацию иона гидроксония и концентрацию гидроксид-иона в соке лайма по его pH. Полезные данные см. на рис. 14.2.

  10. Концентрация иона гидроксония в образце дождевой воды равна \(1{,}7 \times 10^{-6}\ \text{M}\) при \(25\ \text{°C}\). Какова концентрация гидроксид-ионов в дождевой воде?

  11. Концентрация гидроксид-иона в бытовом аммиаке равна \(3{,}2 \times 10^{-3}\ \text{M}\) при \(25\ \text{°C}\). Какова концентрация ионов гидроксония в растворе?

14.3 Относительная сила кислот и оснований

  1. Объясните, почему реакция нейтрализации сильной кислоты и слабого основания даёт слабокислый раствор.

  2. Объясните, почему реакция нейтрализации слабой кислоты и сильного основания даёт слабощелочной раствор.

  3. Используя приведённый список важных промышленных соединений (и рис. 14.8), ответьте на следующие вопросы по: \(\ce{Ca(OH)2}\), \(\ce{CH3CO2H}\), \(\ce{HCl}\), \(\ce{H2CO3}\), \(\ce{HF}\), \(\ce{HNO2}\), \(\ce{HNO3}\), \(\ce{H3PO4}\), \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{NaOH}\), \(\ce{Na2CO3}\). (a) Укажите сильные кислоты Брёнстеда–Лоури и сильные основания Брёнстеда–Лоури. (b) Укажите соединения, которые могут вести себя как кислоты Брёнстеда–Лоури с силой, лежащей между \(\ce{H3O+}\) и \(\ce{H2O}\). © Укажите соединения, которые могут вести себя как основания Брёнстеда–Лоури с силой, лежащей между \(\ce{H2O}\) и \(\ce{OH-}\).

  4. Запах уксуса обусловлен присутствием уксусной кислоты \(\ce{CH3CO2H}\) — слабой кислоты. Перечислите в порядке убывания концентрации все ионные и молекулярные частицы, присутствующие в 1-молярном водном растворе этой кислоты.

  5. Бытовой аммиак — это раствор слабого основания \(\ce{NH3}\) в воде. Перечислите в порядке убывания концентрации все ионные и молекулярные частицы, присутствующие в 1-молярном водном растворе этого основания.

  6. Объясните, почему константа ионизации \(K_a\) для \(\ce{H2SO4}\) больше, чем константа ионизации для \(\ce{H2SO3}\).

  7. Объясните, почему константа ионизации \(K_a\) для \(\ce{HI}\) больше, чем константа ионизации для \(\ce{HF}\).

  8. Желудочный сок — пищеварительная жидкость, вырабатываемая в желудке, — содержит соляную кислоту \(\ce{HCl}\). Молочко магнезии, суспензия твёрдого \(\ce{Mg(OH)2}\) в водной среде, иногда используется для нейтрализации избыточной желудочной кислоты. Запишите полное сбалансированное уравнение реакции нейтрализации и укажите сопряжённые кислотно-основные пары.

  9. Азотная кислота реагирует с нерастворимым оксидом меди(II) с образованием растворимого нитрата меди(II) \(\ce{Cu(NO3)2}\) — соединения, которое используют для предотвращения роста водорослей в бассейнах. Запишите сбалансированное химическое уравнение реакции водного раствора \(\ce{HNO3}\) с \(\ce{CuO}\).

  10. Чему равна константа ионизации при \(25\ \text{°C}\) слабой кислоты \(\ce{CH3NH3+}\) — сопряжённой кислоты слабого основания \(\ce{CH3NH2}\), \(K_b = 4{,}4 \times 10^{-4}\)?

  11. Чему равна константа ионизации при \(25\ \text{°C}\) слабой кислоты \(\ce{(CH3)2NH2+}\) — сопряжённой кислоты слабого основания \(\ce{(CH3)2NH}\), \(K_b = 5{,}9 \times 10^{-4}\)?

  12. Какое основание сильнее: \(\ce{CH3NH2}\) или \(\ce{(CH3)2NH}\)? Какая сопряжённая кислота сильнее: \(\ce{(CH3)2NH2+}\) или \(\ce{CH3NH3+}\)?

  13. Что сильнее как кислота: \(\ce{NH4+}\) или \(\ce{HBrO}\)?

  14. Что сильнее как основание: \(\ce{(CH3)3N}\) или \(\ce{H2BO3-}\)?

  15. Предскажите, какая из кислот в каждой из следующих пар сильнее, и обоснуйте каждый выбор. (a) \(\ce{H2O}\) или \(\ce{HF}\); (b) \(\ce{B(OH)3}\) или \(\ce{Al(OH)3}\); © \(\ce{HSO3-}\) или \(\ce{HSO4-}\); (d) \(\ce{NH3}\) или \(\ce{H2S}\); (e) \(\ce{H2O}\) или \(\ce{H2Te}\).

  16. Предскажите, какое из соединений в каждой из следующих пар более кислое, и обоснуйте каждый выбор. (a) \(\ce{HSO4-}\) или \(\ce{HSeO4-}\); (b) \(\ce{NH3}\) или \(\ce{H2O}\); © \(\ce{PH3}\) или \(\ce{HI}\); (d) \(\ce{NH3}\) или \(\ce{PH3}\); (e) \(\ce{H2S}\) или \(\ce{HBr}\).

  17. Расположите соединения в каждой из следующих групп в порядке возрастания кислотности или основности, как указано, и обоснуйте порядок. (a) кислотность: \(\ce{HCl}\), \(\ce{HBr}\), \(\ce{HI}\); (b) основность: \(\ce{H2O}\), \(\ce{OH-}\), \(\ce{H-}\), \(\ce{Cl-}\); © основность: \(\ce{Mg(OH)2}\), \(\ce{Si(OH)4}\), \(\ce{ClO3(OH)}\) (Подсказка: формулу можно также записать как \(\ce{HClO4}\).); (d) кислотность: \(\ce{HF}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{CH4}\).

  18. Расположите соединения в каждой из следующих групп в порядке возрастания кислотности или основности, как указано, и обоснуйте порядок. (a) кислотность: \(\ce{NaHSO3}\), \(\ce{NaHSeO3}\), \(\ce{NaHSO4}\); (b) основность: \(\ce{BrO2-}\), \(\ce{ClO2-}\), \(\ce{IO2-}\); © кислотность: \(\ce{HOCl}\), \(\ce{HOBr}\), \(\ce{HOI}\); (d) кислотность: \(\ce{HOCl}\), \(\ce{HOClO}\), \(\ce{HOClO2}\), \(\ce{HOClO3}\); (e) основность: \(\ce{NH2-}\), \(\ce{HS-}\), \(\ce{HTe-}\), \(\ce{PH2-}\); (f) основность: \(\ce{BrO-}\), \(\ce{BrO2-}\), \(\ce{BrO3-}\), \(\ce{BrO4-}\).

  19. И \(\ce{HF}\), и \(\ce{HCN}\) ионизуются в воде в ограниченной степени. Какое из сопряжённых оснований, \(\ce{F-}\) или \(\ce{CN-}\), является более сильным основанием?

  20. Активное вещество, образующееся из аспирина в организме, — салициловая кислота \(\ce{C6H4OH(CO2H)}\). Карбоксильная группа \((-\ce{CO2H})\) ведёт себя как слабая кислота. Фенольная группа (группа \(-\ce{OH}\), связанная с ароматическим кольцом) также ведёт себя как кислота, но гораздо более слабая. Перечислите в порядке убывания концентрации все ионные и молекулярные частицы, присутствующие в 0,001-молярном водном растворе \(\ce{C6H4OH(CO2H)}\).

  21. Концентрации иона гидроксония и гидроксид-иона в растворе кислоты или основания в воде прямо или обратно пропорциональны? Обоснуйте ответ.

  22. Какие два общих допущения могут упростить расчёт равновесных концентраций в растворе слабой кислоты или основания?

  23. Что из следующего увеличит долю \(\ce{NH3}\), превращающегося в воде в ион аммония? (a) добавление \(\ce{NaOH}\); (b) добавление \(\ce{HCl}\); © добавление \(\ce{NH4Cl}\).

  24. Что из следующего увеличит долю \(\ce{HF}\), превращающегося в воде во фторид-ион? (a) добавление \(\ce{NaOH}\); (b) добавление \(\ce{HCl}\); © добавление \(\ce{NaF}\).

  25. Как повлияет на концентрации \(\ce{NO2-}\), \(\ce{HNO2}\) и \(\ce{OH-}\) добавление к раствору \(\ce{KNO2}\) в воде: (a) \(\ce{HCl}\); (b) \(\ce{HNO2}\); © \(\ce{NaOH}\); (d) \(\ce{NaCl}\); (e) \(\ce{KNO2}\).

  26. Как повлияет на концентрации фтороводородной кислоты, иона гидроксония и фторид-иона добавление в отдельные растворы фтороводородной кислоты: (a) \(\ce{HCl}\); (b) \(\ce{KF}\); © \(\ce{NaCl}\); (d) \(\ce{KOH}\); (e) \(\ce{HF}\).

  27. Почему концентрация иона гидроксония в растворе, содержащем \(0{,}10\ \text{M}\ \ce{HCl}\) и \(0{,}10\ \text{M}\ \ce{HCOOH}\), определяется концентрацией \(\ce{HCl}\)?

  28. По заданным равновесным концентрациям рассчитайте \(K_a\) для каждой из слабых кислот и \(K_b\) для каждого из слабых оснований. (a) \(\ce{CH3CO2H}\): \([\ce{H3O+}] = 1{,}34 \times 10^{-3}\ \text{M}\); \([\ce{CH3CO2-}] = 1{,}34 \times 10^{-3}\ \text{M}\); \([\ce{CH3CO2H}] = 9{,}866 \times 10^{-2}\ \text{M}\); (b) \(\ce{ClO-}\): \([\ce{OH-}] = 4{,}0 \times 10^{-4}\ \text{M}\); \([\ce{HClO}] = 2{,}38 \times 10^{-4}\ \text{M}\); \([\ce{ClO-}] = 0{,}273\ \text{M}\); © \(\ce{HCO2H}\): \([\ce{HCO2H}] = 0{,}524\ \text{M}\); \([\ce{H3O+}] = 9{,}8 \times 10^{-3}\ \text{M}\); \([\ce{HCO2-}] = 9{,}8 \times 10^{-3}\ \text{M}\); (d) \(\ce{C6H5NH2}\): \([\ce{C6H5NH3+}] = 2{,}3 \times 10^{-3}\ \text{M}\); \([\ce{C6H5NH2}] = 0{,}233\ \text{M}\); \([\ce{OH-}] = 2{,}3 \times 10^{-3}\ \text{M}\).

  29. По заданным равновесным концентрациям рассчитайте \(K_a\) для каждой из слабых кислот и \(K_b\) для каждого из слабых оснований. (a) \(\ce{NH3}\): \([\ce{OH-}] = 3{,}1 \times 10^{-3}\ \text{M}\); \([\ce{NH4+}] = 3{,}1 \times 10^{-3}\ \text{M}\); \([\ce{NH3}] = 0{,}533\ \text{M}\); (b) \(\ce{HNO2}\): \([\ce{H3O+}] = 0{,}011\ \text{M}\); \([\ce{NO2-}] = 0{,}0438\ \text{M}\); \([\ce{HNO2}] = 1{,}07\ \text{M}\); © \(\ce{(CH3)3N}\): \([\ce{(CH3)3N}] = 0{,}25\ \text{M}\); \([\ce{(CH3)3NH+}] = 4{,}3 \times 10^{-3}\ \text{M}\); \([\ce{OH-}] = 3{,}7 \times 10^{-3}\ \text{M}\); (d) \(\ce{NH4+}\): \([\ce{NH4+}] = 0{,}100\ \text{M}\); \([\ce{NH3}] = 7{,}5 \times 10^{-6}\ \text{M}\); \([\ce{H3O+}] = 7{,}5 \times 10^{-6}\ \text{M}\).

  30. Определите \(K_b\) для нитрит-иона \(\ce{NO2-}\). В \(0{,}10\)-молярном растворе это основание ионизовано на \(0{,}0015\,\%\).

  31. Определите \(K_a\) для гидросульфат-иона \(\ce{HSO4-}\). В \(0{,}10\)-молярном растворе кислота ионизована на \(29\,\%\).

  32. Рассчитайте константу ионизации каждой из следующих кислот или оснований по константе ионизации её сопряжённого основания или сопряжённой кислоты: (a) \(\ce{F-}\); (b) \(\ce{NH4+}\); © \(\ce{AsO4^3-}\); (d) \(\ce{(CH3)2NH2+}\); (e) \(\ce{NO2-}\); (f) \(\ce{HC2O4-}\) (как основание).

  33. Рассчитайте константу ионизации каждой из следующих кислот или оснований по константе ионизации её сопряжённого основания или сопряжённой кислоты: (a) \(\ce{HTe-}\) (как основание); (b) \(\ce{(CH3)3NH+}\); © \(\ce{HO2-}\) (как основание); (d) \(\ce{C6H5NH3+}\) (как основание); (e) \(\ce{HSO3-}\).

  34. Используя значение \(K_a\), равное \(1{,}4 \times 10^{-5}\), поместите \(\ce{Al(H2O)6^3+}\) в соответствующее место на рис. 14.7.

  35. Рассчитайте концентрацию всех растворённых частиц в каждом из следующих растворов кислот или оснований. Считайте, что ионизацией воды можно пренебречь, и покажите, что изменением начальных концентраций можно пренебречь. (a) \(0{,}0092\ \text{M}\ \ce{HClO}\) — слабая кислота; (b) \(0{,}0784\ \text{M}\ \ce{C6H5NH2}\) — слабое основание; © \(0{,}0810\ \text{M}\ \ce{HCN}\) — слабая кислота; (d) \(0{,}11\ \text{M}\ \ce{(CH3)3N}\) — слабое основание; (e) \(0{,}120\ \text{M}\ \ce{Fe(H2O)6^2+}\) — слабая кислота, \(K_a = 1{,}6 \times 10^{-7}\).

  36. Пропионовая кислота \(\ce{C2H5CO2H}\) (\(K_a = 1{,}34 \times 10^{-5}\)) используется в производстве пропионата кальция — консерванта для пищевых продуктов. Чему равен pH \(0{,}698\)-молярного раствора \(\ce{C2H5CO2H}\)?

  37. Столовый уксус — это \(5{,}0\,\%\)-ный по массе раствор уксусной кислоты в воде. Если плотность столового уксуса равна \(1{,}007\ \text{г/см}^{3}\), чему равен его pH?

  38. Константа ионизации молочной кислоты \(\ce{CH3CH(OH)CO2H}\) — кислоты, обнаруживаемой в крови после интенсивной физической нагрузки, — равна \(1{,}36 \times 10^{-4}\). Если из \(20{,}0\ \text{г}\) молочной кислоты приготовлен раствор объёмом \(1{,}00\ \text{л}\), чему равна концентрация иона гидроксония в растворе?

  39. Никотин \(\ce{C10H14N2}\) — основание, способное присоединять два протона (\(K_{b1} = 7 \times 10^{-7}\), \(K_{b2} = 1{,}4 \times 10^{-11}\)). Какова концентрация каждой частицы в \(0{,}050\)-молярном растворе никотина?

  40. pH \(0{,}23\)-молярного раствора \(\ce{HF}\) равен \(1{,}92\). Определите \(K_a\) для \(\ce{HF}\) по этим данным.

  41. pH \(0{,}15\)-молярного раствора \(\ce{HSO4-}\) равен \(1{,}43\). Определите \(K_a\) для \(\ce{HSO4-}\) по этим данным.

  42. pH \(0{,}10\)-молярного раствора кофеина равен \(11{,}70\). Определите \(K_b\) для кофеина по этим данным:

    \[ \ce{C8H10N4O2(aq) + H2O(l) <=> C8H10N4O2H+(aq) + OH-(aq)} \]

  43. pH раствора бытового аммиака, \(0{,}950\)-молярного раствора \(\ce{NH3}\), равен \(11{,}612\). Определите \(K_b\) для \(\ce{NH3}\) по этим данным.

14.4 Гидролиз солей

  1. Определите, являются ли водные растворы следующих солей кислыми, щелочными или нейтральными: (a) \(\ce{Al(NO3)3}\); (b) \(\ce{RbI}\); © \(\ce{KHCO2}\); (d) \(\ce{CH3NH3Br}\).

  2. Определите, являются ли водные растворы следующих солей кислыми, щелочными или нейтральными: (a) \(\ce{FeCl3}\); (b) \(\ce{K2CO3}\); © \(\ce{NH4Br}\); (d) \(\ce{KClO4}\).

  3. Новокаин \(\ce{C13H21O2N2Cl}\) — соль основания прокаина и соляной кислоты. Константа ионизации прокаина равна \(7 \times 10^{-6}\). Раствор новокаина кислый или щелочной? Каковы \([\ce{H3O+}]\), \([\ce{OH-}]\) и pH \(2{,}0\,\%\)-ного по массе раствора новокаина, если считать, что плотность раствора равна \(1{,}0\ \text{г/мл}\)?

14.5 Многоосновные кислоты

  1. Какие из следующих концентраций будут практически равны при расчёте равновесных концентраций в \(0{,}134\)-молярном растворе \(\ce{H2CO3}\) — двухосновной кислоты: \([\ce{H3O+}]\), \([\ce{OH-}]\), \([\ce{H2CO3}]\), \([\ce{HCO3-}]\), \([\ce{CO3^2-}]\)? Расчёты для ответа на этот вопрос не требуются.

  2. Рассчитайте концентрацию каждой частицы, присутствующей в \(0{,}050\)-молярном растворе \(\ce{H2S}\).

  3. Рассчитайте концентрацию каждой частицы, присутствующей в \(0{,}010\)-молярном растворе фталевой кислоты \(\ce{C6H4(CO2H)2}\).

    \[ \ce{C6H4(CO2H)2(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + C6H4(CO2H)(CO2)-(aq)} \qquad K_a = 1{,}1 \times 10^{-3} \]
    \[ \ce{C6H4(CO2H)(CO2)-(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + C6H4(CO2)2^2-(aq)} \qquad K_a = 3{,}9 \times 10^{-6} \]

  4. Салициловая кислота \(\ce{HOC6H4CO2H}\) и её производные давно используются как обезболивающие. Салициловая кислота в малых количествах содержится в листьях, коре и корнях некоторых растений (исторически прежде всего в коре ивы). Экстракты этих растений использовали как лекарственные средства на протяжении столетий. Кислоту впервые выделили в лаборатории в 1838 году. (a) Обе функциональные группы салициловой кислоты ионизуются в воде, причём \(K_a = 1{,}0 \times 10^{-3}\) для группы \(-\ce{CO2H}\) и \(4{,}2 \times 10^{-13}\) для группы \(-\ce{OH}\). Чему равен pH насыщенного раствора кислоты (растворимость = \(1{,}8\ \text{г/л}\))? (b) Аспирин был открыт в результате попыток получить производное салициловой кислоты, не раздражающее слизистую желудка. Аспирин — это ацетилсалициловая кислота \(\ce{CH3CO2C6H4CO2H}\). Функциональная группа \(-\ce{CO2H}\) сохранена, но её кислотность снижена, \(K_a = 3{,}0 \times 10^{-4}\). Чему равен pH раствора аспирина с той же концентрацией, что и в насыщенном растворе салициловой кислоты (см. часть (a))?

  5. Ион \(\ce{HTe-}\) — амфипротонная частица; он может выступать и как кислота, и как основание. (a) Чему равен \(K_a\) кислотной реакции \(\ce{HTe-}\) с \(\ce{H2O}\)? (b) Чему равен \(K_b\) реакции, в которой \(\ce{HTe-}\) выступает как основание в воде? © Покажите, можно ли пренебречь второй ступенью ионизации \(\ce{H2Te}\) при расчёте \([\ce{HTe-}]\) в \(0{,}10\ \text{M}\) растворе \(\ce{H2Te}\).

14.6 Буферные растворы

  1. Объясните, почему буферный раствор можно приготовить из смеси \(\ce{NH4Cl}\) и \(\ce{NaOH}\), но нельзя — из \(\ce{NH3}\) и \(\ce{NaOH}\).

  2. Объясните, почему pH существенно не изменяется, когда к раствору, содержащему равные количества кислоты \(\ce{H3PO4}\) и соли её сопряжённого основания \(\ce{NaH2PO4}\), добавляют небольшое количество кислоты или основания.

  3. Объясните, почему pH существенно не изменяется, когда к раствору, содержащему равные количества основания \(\ce{NH3}\) и соли его сопряжённой кислоты \(\ce{NH4Cl}\), добавляют небольшое количество кислоты или основания.

  4. Чему равно \([\ce{H3O+}]\) в растворе \(0{,}25\ \text{M}\ \ce{CH3CO2H}\) и \(0{,}030\ \text{M}\ \ce{NaCH3CO2}\)?

    \[ \ce{CH3CO2H(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + CH3CO2-(aq)} \qquad K_a = 1{,}8 \times 10^{-5} \]

  5. Чему равно \([\ce{H3O+}]\) в растворе \(0{,}075\ \text{M}\ \ce{HNO2}\) и \(0{,}030\ \text{M}\ \ce{NaNO2}\)?

    \[ \ce{HNO2(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + NO2-(aq)} \qquad K_a = 4{,}5 \times 10^{-5} \]

  6. Чему равно \([\ce{OH-}]\) в растворе \(0{,}125\ \text{M}\ \ce{CH3NH2}\) и \(0{,}130\ \text{M}\ \ce{CH3NH3Cl}\)?

    \[ \ce{CH3NH2(aq) + H2O(l) <=> CH3NH3+(aq) + OH-(aq)} \qquad K_b = 4{,}4 \times 10^{-4} \]

  7. Чему равно \([\ce{OH-}]\) в растворе \(1{,}25\ \text{M}\ \ce{NH3}\) и \(0{,}78\ \text{M}\ \ce{NH4NO3}\)?

    \[ \ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)} \qquad K_b = 1{,}8 \times 10^{-5} \]

  8. Как повлияет на концентрации уксусной кислоты, иона гидроксония и ацетат-иона добавление к кислотному буферному раствору с равными концентрациями уксусной кислоты и ацетата натрия: (a) \(\ce{HCl}\); (b) \(\ce{KCH3CO2}\); © \(\ce{NaCl}\); (d) \(\ce{KOH}\); (e) \(\ce{CH3CO2H}\).

  9. Как повлияет на концентрации аммиака, гидроксид-иона и иона аммония добавление к щелочному буферному раствору с равными концентрациями аммиака и нитрата аммония: (a) \(\ce{KI}\); (b) \(\ce{NH3}\); © \(\ce{HI}\); (d) \(\ce{NaOH}\); (e) \(\ce{NH4Cl}\).

  10. Чему равен pH буферного раствора, приготовленного из \(0{,}20\ \text{моль}\ \ce{NH3}\), \(0{,}40\ \text{моль}\ \ce{NH4NO3}\) и количества воды, достаточного для получения \(1{,}00\ \text{л}\) раствора?

  11. Рассчитайте pH буферного раствора, приготовленного из \(0{,}155\ \text{моль}\) фосфорной кислоты, \(0{,}250\ \text{моль}\ \ce{KH2PO4}\) и количества воды, достаточного для получения \(0{,}500\ \text{л}\) раствора.

  12. Сколько твёрдого \(\ce{NaCH3CO2\cdot 3H2O}\) нужно добавить к \(0{,}300\ \text{л}\) \(0{,}50\)-молярного раствора уксусной кислоты, чтобы получить буфер с pH, равным \(5{,}00\)? (Подсказка: считайте, что изменением объёма при добавлении твёрдого вещества можно пренебречь.)

  13. Какую массу \(\ce{NH4Cl}\) нужно добавить к \(0{,}750\ \text{л}\) \(0{,}100\)-молярного раствора \(\ce{NH3}\), чтобы получить буферный раствор с pH, равным \(9{,}26\)? (Подсказка: считайте, что изменением объёма при добавлении твёрдого вещества можно пренебречь.)

  14. Буферный раствор приготовлен из равных объёмов \(0{,}200\ \text{M}\) уксусной кислоты и \(0{,}600\ \text{M}\) ацетата натрия. Используйте значение \(1{,}80 \times 10^{-5}\) как \(K_a\) для уксусной кислоты. (a) Чему равен pH раствора? (b) Раствор кислый или щелочной? © Чему равен pH раствора, который получится при добавлении \(3{,}00\ \text{мл}\) \(0{,}034\ \text{M}\ \ce{HCl}\) к \(0{,}200\ \text{л}\) исходного буфера?

  15. Образец \(\ce{NH4Cl}\) массой \(5{,}36\ \text{г}\) добавили к \(25{,}0\ \text{мл}\) \(1{,}00\ \text{M}\ \ce{NaOH}\), и полученный раствор разбавили до \(0{,}100\ \text{л}\). (a) Чему равен pH этого буферного раствора? (b) Раствор кислый или щелочной? © Чему равен pH раствора, который получится при добавлении \(3{,}00\ \text{мл}\) \(0{,}034\ \text{M}\ \ce{HCl}\) к раствору?

14.7 Кислотно-основное титрование

  1. Объясните, как выбрать подходящий кислотно-основной индикатор для титрования слабого основания сильной кислотой.

  2. Объясните, почему кислотно-основной индикатор меняет окраску в диапазоне значений pH, а не при каком-то одном конкретном pH.

  3. Рассчитайте pH в следующих точках титрования \(40\ \text{мл}\) (\(0{,}040\ \text{л}\)) \(0{,}100\ \text{M}\) барбитуровой кислоты (\(K_a = 9{,}8 \times 10^{-5}\)) раствором \(0{,}100\ \text{M}\ \ce{KOH}\). (a) \(\ce{KOH}\) не добавлен; (b) добавлено \(20\ \text{мл}\) раствора \(\ce{KOH}\); © добавлено \(39\ \text{мл}\) раствора \(\ce{KOH}\); (d) добавлено \(40\ \text{мл}\) раствора \(\ce{KOH}\); (e) добавлено \(41\ \text{мл}\) раствора \(\ce{KOH}\).

  4. Индикатор динитрофенол — кислота с \(K_a = 1{,}1 \times 10^{-4}\). В \(1{,}0 \times 10^{-4}\)-молярном растворе он бесцветен в кислой среде и жёлтый в основной. Рассчитайте диапазон pH, в котором он переходит от ионизованного на \(10\,\%\) (бесцветного) к ионизованному на \(90\,\%\) (жёлтому).