background image

 
 

 

 

Podstawy Chemii Nieorganicznej 

Ćwiczenia laboratoryjne 

 

 

kod kursu:  

CHC012001 l

 

 

 

RÓWNOWAGI W ROZTWORACH ELEKTROLITÓW 

Opracowanie: Teresa Tłaczała, Jerzy Wódka 

 

WPROWADZENIE 

Elektrolitami nazywamy 

substancje, które rozpuszczając się w wodzie lub innych rozpusz-

czalnikach  polarnych  rozpadają  się  na  jony  dodatnie  i  ujemne,  czyli  ulegają  dysocjacji  elektroli-
tycznej. Obecność jonów, cząsteczek naładowanych elektrycznie, powoduje, że roztwory elektroli-
tów przewodzą prąd elektryczny. Roztwory wodne elektrolitów to głownie roztwory kwasów, zasad 
i soli. 

Na właściwości jonów i cząsteczek w roztworze wodnym mają wpływ m.in. temperatura, in-

ne jony lub cząsteczki, ich ładunki i stężenia. Wskutek wzajemnego przyciągania się różnoimien-
nych jonów,  hydratacji oraz  tworzenia się par jonowych elektrolit zachowuje się tak, jakby jego 
stężenie  było  mniejsze  od  rzeczywistego.  To  zmniejszone  efektywne  stężenie  jonów  elektrolitu 
określa się jako aktywność (a). 

Między aktywnością danego jonu (a

i

) a jego stężeniem (c

i

) ist

nieje następująca zależność: 

i

i

i

c

y

a

 

   

y

i

 -  

współczynnik aktywności  

Wartości liczbowe y

i

  (s

ą one przeważnie mniejsze od jedności, a w bardzo rozcieńczonych 

roztworach równe jedności) zależą od stężeń wszystkich jonów obecnych w roztworze i ich ładun-
ków, czyli od tzw. siły (mocy) jonowej roztworu definiowanej zależnością:  

2
i

i

z

c

2

1

I

                                                

c

i

stężenie molowe jonu (mol/dm

3

z

i

 

– ładunek jonu 

Współczynnik aktywności i-tego jonu można obliczyć z równania Debye’a-Hückela: 

o

o

2
i

i

I/c

aB

1

I/c

Az

logy

                                   

A, B - 

stałe empiryczne (w roztworach wodnych dla większości elektrolitów A = 0.51)  

c

0

 

– stężenie standardowe (1 mol/dm

3

– promień jonu 

W roztworach o stałej sile jonowej współczynniki aktywności są stałe.  

background image

 

 

Dysocjacja elektrolityczna 

Elektrolitami  są  substancje  o  budowie  jonowej  oraz  cząsteczki  o  wiązaniach  kowalencyj-

nych spolaryzowanych. Mechanizm dysocjacji cząsteczek o budowie jonowej (większość soli, wo-
dorotle

nki litowców i berylowców) polega na uwalnianiu jonów z sieci krystalicznej pod wpływem 

cząsteczek rozpuszczalnika. W roztworach wodnych substancje o budowie jonowej są całkowicie 
zdysocjowane na jony. W związkach o wiązaniach kowalencyjnych pod wpływem polarnego roz-
puszczalnika następuje wzrost polaryzacji wiązania, a następnie rozrywanie cząsteczki i tworzenie 
się oddzielnych jonów. W roztworach tej grupy związków ustala się określona równowaga pomię-
dzy jonami a cząsteczkami, które nie uległy dysocjacji.  Substancje mające silnie spolaryzowane 
wiązania ulegają dysocjacji całkowicie (np. HCl, HNO

3

), natomiast te, które mają wiązania słabo 

spolaryzowane    (np.  H

2

S,  HCN)  ulegają    rozpadowi  na  jony  tylko  częściowo.  Powstałe  jony  są 

zawsze otoczone dookoła cząsteczkami rozpuszczalnika, czyli ulegają solwatacji. Jeżeli rozpusz-
czalnikiem  jest  woda  proces  ten  nazywany  jest  hydratacją.  W  roztworach  wodnych  jony  metali 
występują  w  postaci  akwakompleksów  Me(H

2

O)

n

q+

.  Jon  wodorowy  z  cząsteczkami  wody  tworzy 

jon oksoniowy H

3

O

+

. W równaniach chemicznych najczęściej zapisywane są jednak uproszczone 

formy jonów: Me

q+ 

(lub Me

q+

aq

) oraz H

+

.  

Równania dysocjacji elektrolitycznej można przedstawić następująco: 

HNO

 H

+

 + NO

3

-

 

HNO

2

  H

+

 + NO

2

-

 

Na

2

SO

4

 

 2Na

+

 + SO

4

2-

 

Kwasy  wieloprot

onowe  i  zasady  wielowodorotlenowe  dysocjują  stopniowo.  Dla  przykładu 

dysocjacja kwasu fosforowego (V) zachodzi zgodnie z równaniami: 

H

3

PO

4

  H

+

 + H

2

PO

4

H

2

PO

4

-

 H

+

 + HPO

4

2-

 

HPO

4

2-

 H

+

 + PO

4

3-

 

Strzałki skierowane w przeciwnych kierunkach oznaczają częściową dysocjację elektrolitu 

słabego lub średniej mocy, natomiast strzałka skierowana w prawo oznacza całkowitą dysocjację 
elektrolitu mocnego. Każdy rodzaj jonów obecnych w roztworze wykazuje swoje charakterystycz-
ne reakcje, niezależnie od tego, jakie jony przeciwnego znaku znajdują się w roztworze. 

Dysocjację elektrolityczną charakteryzują dwie wielkości: stopień dysocjacji α i stała dy-

socjacji K. 

Stopień dysocjacji ( ) jest to stosunek liczności tej części elektrolitu, która uległa dysocja-

cji (n*) do całkowitej liczności elektrolitu w roztworze (n).  

n

n

α

*

                                  

 (lub inaczej 

c

*

c

α

 gdzie c

*

 

jest stężeniem jonów powstałych w wyniku dysocjacji, a c całkowitym  

(analitycznym) stężeniem elektrolitu)  

α  może  przyjmować  wartości  w  zakresie  0  <  α    1.  Stopień dysocjacji  zależy  od  rodzaju 

elektrolitu, właściwości rozpuszczalnika, stężenia roztworu, obecności innych elektrolitów (szcze-

background image

 

gólnie zawierających jony wspólne z jonami elektrolitu badanego) oraz temperatury. Elektrolity w 
roztworach  wodnych  mogą  ulegać  dysocjacji  całkowicie  (n*=  n)

 

 

lub  częściowo  (n*  <  n);  można 

zatem podzielić je na: mocne, średniej mocy i słabe.  

Elektrolity mocne są w roztworach wodnych, niezależnie od stężenia, całkowicie zdysocjo-

wa

ne na jony, czyli ich stopień dysocjacji jest praktycznie równy jedności. Należą do nich  wszyst-

kie  sole, kwas solny,  kwas bromowodorowy, kwas azotowy(V), kwas  chlorowy(VII),  wodorotlenki 
litowców. Elektrolity, dla których w roztworze wodnym o stężeniu równym 0,1 mol/dm

3

 

stopień dy-

socjacji       

0,03  nazywamy  elektrolitami  słabymi.  Należą  do  nich  między  innymi:  kwas  azoto-

wy(III), kwas węglowy(IV), kwas cyjanowodorowy, kwas octowy, wodny roztwór amoniaku, wodo-
rotlenki metali ciężkich. Pozostałe elektrolity zaliczane są do elektrolitów średniej mocy. Należą do 
nich: kwas flourowodorowy, kwas fosforowy(V), kwas siarkowy(VI). 

Dysocjacja elektrolityczna elektrolitów słabych i średniej mocy w  wodzie  jest reakcją  rów-

nowagową. W roztworze ustala się równowaga między jonami i cząsteczkami niezdysocjowanymi.  

Stała dysocjacji K dla reakcji: 

AB  A

+

 + B

-

 

 

zgodnie z prawem działania mas wyraża stosunek iloczynu aktywności produktów (aktywności 

kationu a

A

 i  anionu a

B

) 

do aktywności niezdysocjowanego elektrolitu a

AB

:  

o

AB

B

A

a

a

a

a

K

                              

a

o

 

– aktywność standardowa równa 1 mol/dm

3

 

 
   

Dla  roztworów  o  ustalonej  sile  jonowej  stała  dysocjacji  określana  jest  przez  stosunek  ilo-

czynu stężeń produktów dysocjacji do stężenia cząsteczek niezdysocjowanych w stanie  równo-
wagi: 

o

AB

B

A

c

c

c

c

[AB]

]

[B

]

[A

K

              

[A

+

], [B

-

], [AB] 

–wartości liczbowe stężeń molowych jonów i cząsteczek niezdysocjowanych w stanie 

równowagi (nawiasy kwadratowe oznaczają stosunek stężenia molowego jonów lub cząsteczek 
niezdysocjowanych w stanie równowagi do stężenia standardowego np.[A

+

]=c

A

/c

o

c

0

 

– stężenie standardowe (1 mol/dm

3

).

 

 

Stała dysocjacji, w odróżnieniu od stopnia dysocjacji, nie zależy od stężenia elektrolitu. Za-

leży  wyłącznie  od  temperatury,  rodzaju  rozpuszczalnika  i  siły  jonowej  roztworu.  Jest  wielkością 
bezwymiarową. Wartość liczbowa stałej określa moc elektrolitu. Elektrolity o stałych dysocjacji K 
rzędu 10

-2

 

– 10

-4

 

nazywa się potocznie elektrolitami średniej mocy, a charakteryzujące się mniej-

s

zymi wartościami – elektrolitami słabymi.  

Znajomość  wartości stałej dysocjacji jest niezbędna do obliczenia stężenia jonów powsta-

łych w wyniku dysocjacji słabych elektrolitów. 

Przykładowo, dla roztworu kwasu octowego dysocjującego zgodnie z równaniem: 

CH

3

COOH  CH

3

COO

-

 + H

+

 

wyrażenie na stałą dysocjacji K

a

 

ma postać: 

background image

 

]

COOH

[CH

]

COO

[CH

]

[H

K

3

3

a

 

Równowagowe stężenia jonów wodorowych i octanowych powstałych w wyniku dysocjacji są so-

bie równe [H

+

] = [CH

3

COO

-

], natomiast równowagowe stężenie cząsteczek niezdysocjowanych  

wynika z różnicy pomiędzy stężeniem całkowitym (analitycznym) kwasu c

a

 i 

stężeniem jonów po-

wstałych w wyniku dysocjacji  : [CH

3

COOH] = c

a

 

– [H

+

]

 

Korzystając z powyższych zależności, wyrażenie na stałą dysocjacji można przedstawić w 

postaci: 

]

[H

c

]

[H

K

a

2

a

 

Przy założeniu, że [H

+

]<< c

(różnica co najmniej 2 rzędów) stężenie jonów powstałych w wyniku 

dysocjacji 

oblicza się z wzoru uproszczonego: 

 

 

 

Jeżeli do roztworu słabego elektrolitu wprowadzi się elektrolit mocny zawierający wspólne 

jon

y ze słabym elektrolitem, to zgodnie z regułą przekory ( reguła Le Chateliera i Browna) nastę-

puje przesunięcie położenia równowagi reakcji dysocjacji słabego elektrolitu w kierunku cząste-
czek  niezdysocjowanych. 

W roztworze CH

3

COOH w obecności HCl zachodzą reakcje dysocjacji: 

CH

3

COOH  CH

3

COO

-

 + H

+

 

HCl 

 H

+

 + Cl

-

 

Reakcją równowagową opisywaną przez stałą K

a

 jest reakcja dysocjacji kwasu octowego. W tym 

przypadku  r

ównowagowe  stężenie  jonów  wodorowych  [H

+

jest  stężeniem  sumarycznym  jonów 

wodorowych pochodzących z dysocjacji słabego i mocnego kwasu: 

[H

+

] = [H

+

]

a

 + [H

+

]

HCl

 = [H

+

]

a

 + c

HCl 

 

St

ężenia jonów octanowych oraz niezdysocjowanych cząsteczek kwasu octowego są odpowied-

nio równe: [CH

3

COO

-

] = [H

+

]

a

 i [CH

3

COOH] =c

a

- [H

+

]

Wyrażenie na stałą dysocjacji kwasu octowego w obecności kwasu solnego ma więc postać: 

a

a

HCl

a

a

a

]

H

[

c

)

c

]

H

([

]

H

[

]

COOH

CH

[

]

H

[

]

COO

CH

[

K

3

3

 

Jeżeli stężenie jonów wodorowych pochodzących z dysocjacji kwasu octowego jest dużo mniej-
sze od stężenia kwasu solnego ( [H

+

]

a

 << c

HCl

),  

to sumaryczne stężenie jonów wodorowych w ta-

k

im roztworze jest równe stężeniu kwasu solnego [H

+

] = c

HCl

 

Podobne  zależności  zachodzą  gdy  do  roztworu  słabego  elektrolitu  wprowadzi  się  sól  za-

wierającą wspólne jony ze słabym elektrolitem.  

W  roztworze 

zawierającym  CH

3

COOH  i  CH

3

COONa  następuje  całkowita  dysocjacja  soli  i  czę-

ściowa kwasu: 

 

 CH

3

COOH  CH

3

COO

-

 + H

+

 

CH

3

COONa 

 CH

3

COO

-

 + Na

+

 

background image

 

W stanie równowagi  stężenia  jonów i cząsteczek niezdysocjowanych w tym roztworze opisują 
zależności: 

[H

+

] = [CH

3

COO

-

]

a

  

[CH

3

COO

-

] = [CH

3

COO

-

]

a

 + [CH

3

COO

-

]

s

 =[H

+

]  + c

s

 

[CH

3

COOH] = c

a

 - [H

+

]  

Wyrażenie na stałą dysocjacji kwasu octowego w obecności octanu sodu ma postać: 

]

H

[

c

)

c

]

H

([

]

H

[

]

COOH

CH

[

]

COO

CH

[

]

H

[

K

a

s

a

3

3

 

Przy  założeniu,  że  stężenie  jonów  pochodzących  z  dysocjacji  słabego  elektrolitu  [H

+

]<<c

s

  i 

[H

+

]<<c

a

 

stężenie jonów wodorowych  można obliczyć korzystając 

 

z wzoru uproszczonego: 

a

s

a

c

c

]

[H

K

 

W przypadku kwasów wieloprotonowych i zasad wielowodorotlenowych poszczególne eta-

py dysocjacji charakteryzują kolejne stałe dysocjacji, przy czym K

 K

2  

 K

n

. Przykładowo dla 

kwasu  

węglowego(IV) dysocjującego dwustopniowo: 

H

2

CO

3

  H

+

 + HCO

3

]

CO

[H

]

[HCO

]

[H

K

3

2

3

a1

 

 

HCO

3

-

  H

+

 + CO

3

2- 

]

[HCO

]

[CO

]

[H

K

3

2
3

a2

                      

Wartości stałych dysocjacji roztworów wodnych wybranych kwasów i zasad podano w tabeli 1. 

 

Tabela 1. Stałe dysocjacji wybranych elektrolitów. Podane wartości pK = -logK.

(T = 298K, I = 0)

 

Elektrolit 

Reakcja dysocjacji 

pK

pK

pK

HNO

2

 

HNO

2

  H

+

 + NO

2

-

 

3,15 

 

 

HF 

HF H

+

 + F

-

 

3,18 

 

 

H

2

SO

H

2

SO

4

H

+ HSO

4

HSO

4

-

H

+

+ SO

4

2- 

 

 
1,99 

 

H

3

PO

4

 

H

3

PO

 H

+ H

2

PO

4

-

 

 

H

2

PO

4

 H

+

+ HPO

4

2-

  

HPO

4

2- 

 H

+

+ PO

4

3-

  

2,15 

 
7,18 

 
 
12,38 

HIO

HIO

 H

+ IO

3

0,85 

 

 

H

2

CO

3

 

H

2

CO

 H

+

+ HCO

3

-

  

HCO

3

-

   H

+

+

 

CO

3

2-

  

6,35 

 
10,32 

 

H

2

H

2

S H

+

+ HS

-

  

HS

-

  H

+

 + S

2-

 

6,98 

 
12,6 

 

CH

3

COOH 

CH

3

COOH  CH

3

COO

-

 + H

4,79 

 

 

NH

3

H

2

NH

3

H

2

O  NH

4

+

 

+ OH

4,76 

 

 

Zn(OH)

2

 

Zn(OH)

2

  Zn(OH)

+

 + OH

-

 

Zn(OH)

+

  Zn

2+

 + OH

4,88 

 
6,31 

 

background image

 

 

Zależność między stałą dysocjacji, stopniem dysocjacji i stężeniem elektrolitu opisuje pra-

wo rozcieńczeń Ostwalda. Korzystając z definicji stopnia dysocjacji 

, stężenie produktów dyso-

cjacji  [A

+

],  [  B

-

]  i 

cząsteczek  niezdysocjowanych  [AB]    w  stanie  równowagi  można  wyrazić  jako 

funkcję   i stężenia całkowitego c

AB.

 

 

S

tała dysocjacji K ma wówczas  postać: 

o

AB

2

α)c

(1

c

α

[AB]

]

[B

]

[A

K

                          

Dokładne określenie jak wpływa stężenie elektrolitu na stopień dysocjacji wymaga rozwią-

zania równania kwadratowego: 

0

K

αK

c

c

α

0

AB

2

                                

 

Jednak przy założeniu, że 

1

1

 (     

0.01) można skorzystać z wzoru uproszczonego: 

AB

c

c

K

α

                                          

Oznacza  to,  że  stopień  dysocjacji  słabego  elektrolitu  jest  wprost  proporcjonalny  do  pier-

wiastka kwadratowego ze stałej dysocjacji tego elektrolitu i odwrotnie proporcjonalny do pierwiast-
ka kwadratowego z jego stężenia w roztworze. 

 

Iloczyn jonowy wody 

D

o elektrolitów bardzo słabych należy woda dysocjująca według równania: 

2 H

2

O H

3

O

+

 + OH

-

  

 (dla uproszczenia piszemy H

2

O  H

+

 + OH

-

), 

Stała równowagi reakcji dysocjacji wody ma postać: 

O]

[H

]

[OH

]

[H

K

2

                              

S

tężenie [H

2

O] w czystej wodzie i w roztworach rozcieńczonych można przyjąć za wielkość stałą 

 (

O

H

2

c

= 55,4 mol/dm

3

). Ponieważ iloczyn K[H

2

O] dla ustalonej siły jonowej jest wielkością stałą, 

iloczyn stężeń jonów [H

+

]

∙[OH

-

] definiowany jest  jako iloczyn jonowy wody K

w

K

= [H

+

] [OH

-

Logarytmując  obustronnie  zależność  K

w

  =  [H

+

] [OH

-

]  i  korzystając  z  definicji  pH  i  pOH 

otrzymuje się wyrażenie na iloczyn jonowy wody w postaci: 

pK

w

 = pH + pOH                        

Wartość pK

w

 = -log K

w

 przy sile jonowej I = 0 w temperaturze 298K = 14,00. 

Wartości pK

w

 

są zbli-

żone do 14,00 ale zmieniają się dla różnych temperatur i sił jonowych. 

Jeżeli jony H

+

 i OH

-

 

powstają wyłącznie z dysocjacji wody to [H

+

] = [OH

-

] = 10

-7

, czyli  pH= 

pOH = 7,  co oznacza, że roztwór  jest obojętny. Wprowadzenie  roztworu  kwasu,  zasady lub soli 
hydrolizującej powoduje zmianę położenia równowagi reakcji dysocjacji wody przy nie zmienionej 
wartości iloczynu jonowego wody.  Przykładowo jeżeli analizujemy stężenie jonów wodorowych i 
wodorotlenowych    w  roztworze  wodnym  HCl, 

wówczas  równowagowe  stężenie  jonów  wodoro-

wych w roztworze będzie stężeniem sumarycznym:  

background image

 

[H

+

] = [H

+

]

HCl

 + [H

+

]

H2O 

Ponieważ stężenie jonów [H

+

]

HCl

 

pochodzących z kwasu jest dużo większe od stężenie jo-

nów [H

+

]

H2O

 

pochodzących z dysocjacji wody w wyrażeniu na iloczyn jonowy wody uwzględniamy 

tylko jony wodorowe pochodzące z dysocjacji HCl. W tym roztworze [H

+

] = [H

+

]

HCl

 natomiast st

ę-

żenie [OH

-

] = K

w

/[H

+

], czyli pOH = pK

w

 - pH 

Roztwory

, w których stężenie jonów wodorowych [H

+

jest większe od stężenia jonów wo-

dorotlenowych  są kwaśne (pH < 7); w roztworach zasadowych [OH

-

] > [H

+

] czyli  pH >7.  

  

Do  najczęściej  stosowanych  metod  określania  pH  należą  metoda  potencjometryczna  i 

wskaźnikowa.  W  metodzie  potencjometrycznej  wykorzystuje  się  zależność  między  potencjałem 
odpowiednich  elektrod  a  stężeniem  kationów  wodorowych  w  roztworze.  Do  pomiaru  pH  stosuje 
się  przyrządy  zwane  pehametrami.  Ze  wskazań  pehametru  odczytuje  się  bezpośrednio  wartość 
pH  roztworu.  W  metodzie  wskaźnikowej  wykorzystuje  się  zmiany  barwy  roztworów  wskaźników 
kwasowo-

zasadowych lub papierków wskaźnikowych. 

Wskaźnikami pH (indykatorami) są związki organiczne, o charakterze słabych kwasów lub 

zasad, których jony posiadają inne zabarwienie niż cząsteczki niezdysocjowane. Po wprowadze-
niu wskaźnika do roztworu  wodnego następuje jego częściowa dysocjacja i ustala się stan rów-
nowagi  między jonami i cząsteczkami niezdysocjowanymi. Dysocjację wskaźnika o charakterze 
kwasu (HInd) lub zasady (IndOH) wyrażają równania: 

HInd  H

+

 + Ind

-

 

IndOH  Ind

+

 + OH

-

 

W  przypadku  wskaźnika  kwasowego  HInd  wzrost  stężenia  jonów  wodorowych  przesuwa 

równowagę reakcji w lewą stronę, zmniejszając stężenie jonów Ind

-

, natomiast dodatek jonów OH

przesuwa równowagę w prawo, zmniejszając stężenia cząsteczek niezdysocjowanych.   

Stała dysocjacji wskaźnika HInd  wyrażona jest równaniem: 

[HInd]

]

[Ind

]

[H

K

a

                          

 

Barwa  roztworu  zależy  od  stosunku    stężeń  formy  zdysocjowanej  i  niezdysocjowanej 

wskaźnika.  Stosunek  ten  jest  ściśle  związany  ze  stężeniem  jonów  wodorowych.  Jeżeli  stężenie 
jonów wodorowych [H

+

] jest równe K

HInd

, połowa wskaźnika uległa dysocjacji; roztwór ma barwę 

pośrednią  między  barwami  formy  zdysocjowanej  i  niezdysocjowanej,  Gdy  stosunek  stężeń  
[Ind

-

]/[HInd]>10 widoczna 

jest tylko barwa jonów wskaźnika, natomiast gdy [Ind

-

]/[HInd] < 0,1 za-

barwienie roztworu odpowiada  niezdysocjowanej formie wskaźnika.  

Każdy  wskaźnik  ma  określony  przedział  pH  (zakres  czułości  wskaźnika  δ),  w  którym  za-

chodzą  widoczne  zmiany  barwy  roztworu.  Zakres  ten  zależy  od  jego  stałej  dysocjacji.  Zakres 
zmiany barwy obejmuje najczęściej ok.  2 jednostek pH. W tabeli 2  podano przykładowo  barwy 
częściej stosowanych wskaźników.  

Tabela 2. Zakres zmiany barwy niektórych wskaźników. 

Wskaźnik 

pK 

Zakres czułości 
wskaźnika δ 

Zabarwienie w roztworze o pH 

pH < δ 

pH = δ 

pH > δ 

Błękit tymolowy 

1,65 

1,2 - 2,8 

czerwone 

pomarańczowe  żółte 

Oranż metylowy 

3,4 

3,1 - 4,4 

czerwone 

pomarańczowe  żółte 

background image

 

Czerwień metylowa 

5,0 

4,2 - 6,2 

czerwone 

pomarańczowe  żółte 

Błękit bromotymolowy 

7,1 

6,6 - 7,6 

żółte 

zielone 

niebieskie 

Lakmus 

6,0 

5,0 - 8,0 

czerwone 

fioletowe 

niebieskie 

Czerwień krezolowa 

8,1 

7,2 - 8,8 

żółte 

pomarańczowe  czerwone 

Fenoloftaleina 

9,4 

8,3 - 10,0 

bezbarwne 

różowe 

purpurowo-
czerwone 

Oprócz roztworów wskaźników, do określania pH, można stosować papierki wskaźnikowe, 

czyli paski bibuły nasyconej odpowiednimi wskaźnikami. Mogą zawierać one jeden wskaźnik, jak 
np. papierki lakmusowe lub być nasycone mieszaniną wskaźników tak dobranych, że  barwa pa-
pierków  zmienia  się  przechodząc  przez  różne  zabarwienia  w  szerokim  zakresie  pH.  Papierki 
wskaźnikowe  mogą  być  stosowane  tylko  razem  z  załączoną  wzorcową  skalą  barw.  Porównując 
zabarwienie,  zwilżonego  badanym  roztworem,  papierka  wskaźnikowego  ze  skalą  barw  odczytu-
jemy orientacyjne wartości pH. 

 

Hydroliza 

Jony powstające podczas dysocjacji soli pochodzących od słabych zasad i mocnych kwa-

sów, mocnych zasad i słabych kwasów oraz słabych zasad i słabych kwasów  reagują z cząstecz-
kami wody 

tworząc cząsteczki słabych zasad lub słabych kwasów, czyli ulegają hydrolizie. Proces 

ten powoduje, że roztwory tych soli mają odczyn kwaśny lub zasadowy, zależnie od tego, z któ-
rym  z  wymienionych  rodzajów  soli  mamy  do  czynienia.  Hydrolizie  nie  ulegają    aniony  mocnych 
kwasów i kationy mocnych zasad. 

Hydroliza soli słabych zasad i mocnych kwasów oraz  soli słabych kwasów i mocnych za-
sad typu NH

4

Cl, CH

3

COONa. 

 

Po rozpuszczeniu w wodzie sole te ulegają dysocjacji: 

CH

3

COONa → CH

3

COO

-

 + Na

+

            lub  

 

 

NH

4

Cl →NH

4

+

 + Cl

  

 

a następnie anion słabego kwasu lub kation słabej zasady hydrolizuje według reakcji: 

CH

3

COO

-

  +  H

2

O

 

   CH

3

COOH  +  OH

-

 

lub 

 

NH

4

+

   +  H

2

O  NH

4

OH  +  H

+

    

Jak wynika z powyższych równań roztwór soli słabej zasady i mocnego kwasu będzie miał odczyn 
kwaśny, natomiast roztwór wodny soli słabego kwasu i mocnej zasady będzie miał odczyn zasa-
dowy.  

Stałe równowagi reakcji hydrolizy  (stałe hydrolizy) anionu słabego kwasu lub kationu słabej zasa-
dy 

wyrażone są przez stosunek iloczynu stężeń jonów i cząsteczek powstałych w wyniku hydrolizy 

do stężenia jonów ulegających hydrolizie. 

]

COO

CH

[

]

OH

][

COOH

CH

[

K

3

3

h

a

 

 

]

NH

[

]

H

][

OH

NH

[

K

4

4

h

b

 

background image

 

Stałe hydrolizy zależą od temperatury i siły jonowej roztworu. Ich wartości nie są stabelaryzowa-
ne, gdyż związane są ze stałymi dysocjacji słabego elektrolitu i iloczynem jonowym wody. 

Jeżeli pomnożymy stałą hydrolizy kationu 

4

4

h

NH

]

OH][H

[NH

K

b

 przez 

]

[OH

]

[OH

1

 to otrzymamy za-

leżność:

b

w

h

K

K

K

b

 

, podobnie mnożąc stałą hydrolizy anionu przez 

]

[H

]

[H

1

 

otrzymamy, że 

a

w

h

K

K

K

a

Wartości  pH  roztworów  wodnych  soli  słabych  kwasów  i  silnych  zasad  oraz  soli  słabych  zasad  i 
silnych kwasów obliczamy przekształcając odpowiednio powyższe równania.  

Ponieważ w  stanie równowagi reakcji hydrolizy jonów octanowych: 

[OH

-

] = [CH

3

COOH] ,      [CH

3

COO

-

] = 

COO

CH

3

c

 

– [OH

-

]                           

gdzie 

COO

CH

3

c

  

oznacza stężenie analityczne soli. 

stałą hydrolizy można wyrazić przez stężenie jonów wodorotlenowych i stężenie analityczne jo-
nów ulegających hydrolizie: 

]

OH

[

c

]

OH

[

K

COO

CH

2

h

3

a

 

Jeśli 

COO

CH

3

c

  

jest dużo większe od [OH

-

] , (dwa rzędy) to powyższe równanie  upraszcza się 

do postaci: 

COO

CH

2

h

3

a

c

]

OH

[

K

 

 
Podobnie , uwzględniając, że w stanie równowagi : 

[H

+

] = [NH

4

OH] , oraz  [NH

+

4

]  = 

4

NH

c

 

– [H

+

] , otrzymujemy: 

]

H

[

c

]

H

[

K

4

b

NH

2

h

 

J

eśli  

4

NH

c

>>od [H

+

]  : 

4

b

NH

2

h

c

]

H

[

K

 

Często do opisu ilościowego hydrolizy stosowany jest stopień hydrolizy (β), zdefiniowany 

jako stosunek liczności (stężenia) jonów, które powstały w wyniku hydrolizy do liczności (stężenia) 
jonów ulegających hydrolizie powstałych w wyniku dysocjacji soli. 

0

*

0

*

c

c

n

n

β

                                             

np. dla roztworów soli typu NH

4

Cl i CH

3

COONa : 

 

β = [H

+

] / 

4

NH

c

,         β = [OH

-

] / 

_

3

COO

CH

c

                   

background image

 

10 

Podstawiając do wzorów  na stałą hydrolizy K

h

 

stężenia jonów wyrażone przez stopień hydrolizy 

otrzymujemy: 

β

1

β

c

K

2

COO

CH

h

3

a

 

 

 

 

β

1

β

c

K

2

NH

h

4

b

 

Jeśli β jest mniejsze od 0,01 można korzystać z wzorów uproszczonych: 

 

 

2

COO

CH

h

β

c

K

3

a

 

 

 

 

2

NH

h

β

c

K

4

b

 

 

Z  otrzymanych  zależności  wynika,  że  stopień  hydrolizy  soli  słabej  zasady  i  mocnego  kwasu 

oraz soli słabego kwasu i mocnej zasady maleje ze wzrostem stężenia soli i rośnie ze wzrostem 
rozcieńczenia soli. 

 

 

Hydroliza soli typu AlCl

3

, Na

2

CO

Hydroliza jonów o ładunku różnym od ±1 przebiega wieloetapowo. Stałe hydrolizy określa 

się  dla każdego etapu. 

Np. kation Al

3+

 

pochodzący z dysocjacji wodnego roztworu AlCl

3

 

hydrolizuje następująco: 

Al

3+ 

 +  H

2

O     Al (OH)

2+  

 +  H

+

 

Al (OH)

2+

  +  H

2

O    Al (OH)

2

+

  +  H

+

 

Al(OH)

2

+

  +  H

2

O    Al(OH)

3

    +  H

+

 

Zapis równania hydrolizy jonu Al

3+ 

 w postaci:  Al

3+

  + 3H

2

O  

  Al(OH)

3

  +  3H

+

  

jest błędny. 

Jony CO

3

2-

 

pochodzące z dysocjacji wodnego roztworu np. węglanu sodu hydrolizują według re-

akcji: 

CO

3

2-

  +  H

2

O     HCO

-

3   

 +  OH

-

 

HCO

3

-

  +  H

2

O    H

2

CO

3

   +  OH

-

Stałe hydrolizy anionu węglanowego mają postać: 

a2

K

w

K

]

2
3

[CO

]

][OH

3

[HCO

h1

K

                      

a1

K

w

K

]

3

[HCO

]

][OH

3

CO

2

[H

h2

K

                      

Hydroliza soli z wydzieleniem osadu 

 

Rozpuszczalne  w  wodzie  związki  chemiczne  bizmutu(III),  antymonu(III),  antymonu(V),  cy-

ny(II) hydrolizują z wydzieleniem osadów. W przypadku chlorku bizmutu(III) zachodzą następują-
ce reakcje: 

Bi

3+   

+

   

H

2

O  Bi(OH)

2+

   +  H

+

Bi(OH)

2+

    +   H

2

O  Bi(OH)

2

+

   +  H

+

Bi(OH)

2

+

  +  Cl

-   

 BiOCl      +  H

2

O. 

background image

 

11 

W wyniku reakcji powstaje osad chlorku tlenku bizmutu(III). 

Podobnie zachodzi hydroliza jonów Sb

3+

.  Natomiast  jony Sb

5+

 

hydrolizują z wydzieleniem osadu 

SbO

2

Cl.  Kationy Sn

2+

, w wodnych roztworach chlorków, w wyniku hydrolizy tworzą osad SnOHCl. 

 

Przez dodanie  d

o tak wytrąconego osadu mocnego kwasu następuje roztworzenie osadu w 

wyniku  silnego  wzrostu  stężenia  jonów  wodorowych  przesuwających  równowagę    dwóch  pierw-
szych  etapów  hydrolizy  w  lewo.  Fakt  ten  wykorzystujemy  w  chemii  do  sporządzania  roztworów 
wodnych zwi

ązków cyny, bizmutu i antymonu. Do przygotowanych roztworów soli tych metali do-

daje się mocnego kwasu ( kwasu solnego, azotowego lub siarkowego, zależnie od rodzaju soli) co 
zapobiega hydrolizie jonów tych metali i przeciwdziała wytrącaniu się osadów. 

 

 

 

 

LITERATURA: 

1. 

A.Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, PWN, Warszawa 2002. 

2.  I.Barycka, K.Skudlarski, Podstawy chemii, 

Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wro-

cław  2001. 

3.  T.Lipiec, Z.S.Szmal, Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej, PZWL, Warsza-

wa 1996. 

4. 

Jabłoński, T.Palewski, L.Pawlak, W.Walkowiak, B.Wróbel, B.Ziółek, W.Żyrnicki, Obliczenia w che-
mii nieorganicznej
, 

Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002. 

5.  Ch.Suzuki - J.Chem. Educ., 68, 588 (1991). 

6.  R.D. Curtright, J.A.Rynearson, J. Markowell - J.Chem. Educ.,71, 682  (1994). 

 

Pytania kontrolne: 

1. 

Podać wzory substancji, które rozpuszczone w wodzie dysocjują na następujące jony: 
a)  Al

3+

, Cl

-

 b) K

+

, HSO

3

-

, H

+

, SO

3

2-

 c) Mg

2+

, Cl

-

2. 

Zdefiniować stałą dysocjacji elektrolitu  i podać od jakich czynników zależy jej wartość. 

3. 

Podać równania dysocjacji kwasu siarkowodorowego oraz wyrażenia na kolejne stałe dysocjacji,  
uszeregować występujące w roztworze jony, według malejących wartości ich stężeń. 

4. 

Jakie są doświadczalne dowody na występowanie jonów w roztworach elektrolitów? 

5. 

Jak zmieni się stopień dysocjacji mocnego i słabego elektrolitu po 100-krotnym rozcieńczeniu? 

6. 

Obliczyć stopień dysocjacji roztworu CH

3

COOH o stężeniu 1,7 M. (pK

a

= 4,55) 

7. 

Przy jakim stężeniu roztworu stopień dysocjacji kwasu azotowego(III) będzie równy 0,10. (pK

a

 = 

2,87) 

8. 

Dwa roztwory: roztwór HCl i roztwór HCN mają taką samą wartość pH = 4,26. Obliczyć pH tych 
roztworów po ich 25-krotnym rozcieńczeniu. (pK

a

= 8,52) 

9. 

Obliczyć pH roztworu amoniaku (NH

3

) o 

stężeniu 2,7%. Gęstość roztworu jest równa 1,22g/cm

3

(pK

w

=13,97 pK

b

=4,40)

                                       

10. 

Omówić wpływ wspólnych jonów na dysocjację słabych elektrolitów. 

11. 

Obliczyć zmianę pH roztworu kwasu octowego stężeniu 1,00 mol/dm

3

 po dodaniu do 200 cm

3   

tego  

roztworu 1,0 cm

3

 

kwasu solnego o stężeniu 0,60 mol/dm

3

. (pK

= 4,55)  

12. 

Obliczyć zmianę pH 0,300 M roztworu CH

3

COOH po dodaniu do 150 cm

3  

tego roztworu 750 cm

 

background image

 

12 

roztworu NaOH o stężeniu 2,50∙10

-3

 M. (pK

a

 = 4,55) 

13.  Oblicz

yć masę chlorku amonu, który należy  dodać do 6,0 cm

3

 0,10 M roztworu  amoniaku, aby 

stężenie jonów wodorotlenowych zmalało dwukrotnie. (pK

= 4,33) 

14. 

Wskazać, które z wymienionych substancji są elektrolitami i podać równania ich dysocjacji:  
Na

3

PO

4

,  NaOH, CH

3

COOH, FeCl

3

, Cu(NO

3

)

2

, NH

∙H

2

O, HNO

3

, H

2

SO

4

, H

3

PO

4

,

  

C

6

H

6

, C

6

H

12

O

6

CH

3

COONH

4

,   (NH

4

)

2

SO

4

15. 

Wymienić najczęściej stosowane wskaźniki pH. Podać mechanizm ich działania. 

16.  Co to jest iloczyn jonowy wody i pH roztworu? 

17. 

Obliczyć stężenie jonów wodorowych w roztworze, w którym stężenie jonów wodorotlenowych  
 wynosi 3,16 10

-4

, a pK

w

 = 14,17. 

18.  Ustal

ić jakie zabarwienie występuje w roztworze a) kwasu, b) zasady po dodaniu wskaźnika typu 

HInd,  którego dysocjacja związana jest z następującymi barwami: (barwa żółta) HInd = H

+

 + Ind

(barwa niebieska). 

19. 

Jaki będzie odczyn następujących roztworów soli: 

a) CH

3

COONH

4

,

 

p

 

K

a

=4,33  , pK

b

 = 4,75  b) Na

3

PO

4

,  c) NaNO

2

 ,   d) (NH

4

)

2

SO

4. 

            

Podać, który jon ulega hydrolizie i napisać odpowiednie reakcje hydrolizy. 

15. Oblicz

yć pH i stopień hydrolizy następujących roztworów: 

          a) 0,5 M NH

4

Cl ,  b) 0,0001 M NH

4

Cl,   pK

b

= 4,75,  pK

w

 = 14,2 

    c) 0,4M CH

3

COONa,  d) 0,0002M CH

3

COONa  ,  pK

a

=4,55,  pK

w

= 14,2 

16. 

Za pomocą jakiego związku chemicznego można cofnąć hydrolizę następujących jonów: 

    a) NO

-

2

  ,  b) Ni

2+

  , c)  HPO

2-

4

,   d)Sb

3+  

,  e)CN

-  

, f) NH

4

+

17. 

Jak zmieni się równowaga reakcji hydrolizy odpowiednich jonów po dodaniu roztworu NaOH do 
wodnego roztworu następujących soli: 

a)  KNO

2

 ,  b) CH

3

COONa,  c) KCN  d) SnCl

2

18. 

Jak zmieni się równowaga reakcji hydrolizy odpowiednich jonów po dodaniu roztworu  kwasu sol-
nego do roztworu wodnego następujących soli: 

a)  SnCl

2

 ,  b) Na

3

PO

4

 , c) KNO

2

 , d) K

2

SO

3

19. 

Rozpuszczono w wodzie stały BiCl

3

. Wytrącił się biały osad . W jaki sposób można zapobiec two-

rzeniu 

się osadu? Napisać odpowiednie reakcje. 

 

background image

 

13 

 

WYKONANIE DOŚWIADCZEŃ 

 

Doświadczenie 1.  Sprawdzanie odczynu roztworów papierkami  

wskaźnikowymi 

Odczynniki: 0,10 M kwas solny (HCl); 0,10 M kwas octowy (CH

3

COOH); 0,10 M wodny roz-

twór amoniaku (NH

3

H

2

O); 0,10 M wodorotlenek sodu (NaOH);  0,10 M chlorek sodu 

(NaCl); 0,10 M chlorek amonu (NH

4

Cl); 0,10 M octan sodu (CH

3

COONa);  0,10 M  w

ę-

glan potasu (K

2

CO

3

);  papierki wskaźnikowe. 

  W 

dziewięciu ponumerowanych wgłębieniach płytki porcelanowej umieścić skrawki pa-

pierka wskaźnikowego według typu podanego w tabeli. Na skrawki papierków wskaźni-
kowych nanieść po jednej kropli badanych roztworów: 0,10 M HCl;  0,10 M CH

3

COOH; 

0,10 M NaCl; H

2

O (destylowana); 0,10 M NH

∙H

2

O; 0,10 M NaOH; 0,10 M NH

4

Cl; 0,10 

M CH

3

COONa; 0,10 M  K

2

CO

3

.  

Po upływie 0,5 -1 minuty porównać zabarwienie papier-

ka wskaźnikowego z odpowiednia skalą i odczytać wartość pH. 

   

Roztwór 

Zakres 

wskaźnikowy 

papierka 

Zabarwienie papierka 

wskaźnikowego 

Wartość pH od-

czytana ze skali 

0,10 M HCl 

1 -10 

 

 

0,10 M CH

3

COOH 

1 - 10 

 

 

0,10 M NaCl 

4,6 - 6,8 

 

 

H

2

O (destylowana) 

4,6 - 6,8 

 

 

0,10 M NH

∙H

2

9 - 13 

 

 

0,10 M NaOH 

9 - 13 

 

 

0,10 M NH

4

Cl 

4,6 - 6,8 

 

 

0,10 M CH

3

COONa 

1 -10 

 

 

0,10 M K

2

CO

3

 

9 - 13 

 

 

 

 

Napisać zachodzące w roztworach reakcje.  

 

Obliczyć  stężenia  wszystkich  jonów  i  cząsteczek  niezdysocjowanych  dla  rozpatrywa-

nych roztworów. Podać obliczoną wartość pH dla każdego roztworu. Wyniki przedstawić 
w formie tabelki zamieszczonej w sprawozdaniu. 

 

Doświadczenie 2. Dysocjacja elektrolitów słabych w obecności mocnych 

kwasów lub zasad 

Odczynniki:  0,10 

M roztwór amoniaku (NH

∙H

2

O); 0,10 

M roztwór kwasu solnego (HCl); 0,10 

M roztwór wodorotlenku sodu (NaOH); 0,10 M roztwór kwasu octowego (CH

3

COOH);  

a) 

Do trzech probówek wprowadzić po 2 cm

3

 0,10 M roztworu NH

3

∙H

2

O

. Do jednej z probówek 

dodać 1 cm

3

 H

2

O, do drugiej 1 cm

3

 0,10 M roztworu HCl a do trzeciej 1 cm

3

 0,10 M roztworu 

NaOH.  Po  wymieszaniu  zawartości  z  każdej  z  probówek  pobrać  kroplę  roztworu  i  zwilżyć 

background image

 

14 

papierek wskaźnikowy. Użyć papierków wskaźnikowych pH o zakresie 9-13. 

 

Porównać  obserwowane  barwy  papierków  wskaźnikowych  ze  skalą  pH.  Określić  pH 
badanych roztworów. 

 

Napisać zachodzące w roztworach reakcje. 

 

Obliczyć pH roztworów w każdej z probówek przyjmując pK

b

= 4,76, pK

w

= 14.00. 

 

b) 

Do  trzech probówek wprowadzić po 2 cm

3

 0,10 M roztworu CH

3

COOH. Do jednej z prob

ó-

wek dodać 1 cm

3

 H

2

O,  do drugiej 1 cm

3

 0,10 M roztworu HCl, a do trzeciej 1 cm

3   

0,10 M 

roztworu NaOH.  Po wymieszaniu zawartości z każdej z probówek pobrać kroplę roztworu i 
zwilżyć papierek wskaźnikowy. Użyć uniwersalnych papierków wskaźnikowych o zakresie 1-
10.  

 

Określić pH badanych roztworów za pomocą papierków wskaźnikowych. 

 

Napisać zachodzące w roztworach reakcje. 

 

Obliczyć  pH  roztworu  wyjściowego  oraz  roztworów  w  każdej  z  probówek  przyjmując 
pK

a

= 4,79.  

Doświadczenie 3. Hydroliza z wydzieleniem osadu 

Odczynniki : 0,3 M azotan(V) bizmutu(III) (Bi(NO

3

)

3

, nasycony roztwór chlorku sodu (NaCl), 

2 M kwas solny (HCl). 

Do probówki wprowadzić około 0,5 cm

3

 roztworu 0,3 M Bi(NO

3

)

3

, dodać 5 cm

3

 wody desty-

lowanej i 1-2 kropli nasycon

ego roztworu NaCl*. Do otrzymanego w ten sposób roztworu z 

osadem dodawać kroplami 2 M roztwór HCl aż do całkowitego roztworzenia osadu. Otrzy-
many klarowny roztwór rozcieńczyć 2-3 -krotnie wodą destylowaną.  

 

Wyjaśnić przyczynę powstawania osadu i roztworzenie się jego  po dodaniu kwasu sol-

nego.  

 

Napisać  jonowo  równania reakcji. 

       

Roztwór po wykonaniu ćwiczenia wylać do pojemnika na metale ciężkie. 

*Dodanie chlorku sodowego do r-ru Bi(NO

3

)

3

 

powoduje zwiększenie stopnia hydrolizy. 

 

 

Doświadczenie 4. Hydroliza jonów NO

2

-

 

w obecności  jonów Al

3+

Odczynniki: 3,5 M azotan(III) potasu(KNO

2

), 2,0 M kwas siarkowy(VI) (H

2

SO

4

), 0,50 M 

chlorek glinu(III) (AlCl

3

). 

a) 

Sprawdzić odczyn roztworów azotanu(III) potasu i chlorku glinu (III).  

b)  Do 

dwóch  probówek wprowadzić, za pomocą pipetki około 0.5 cm

3

 

3,5M roztworu azo-

tanu(III) potasu. Do 

każdej probówki dodać po 0,5 cm

3

 

wody destylowanej. 

Następnie 

do 

jednej z probówek  wkraplać ostrożnie pipetką ok. 1 cm

3

 2,0 M kwasu siarkowe-

go(VI),  a do drugiej 

probówki dodawać kroplami ok. 1,0 cm

3

 

0,5 M roztwór chlorku gli-

nu. P

robówki umieścić w łaźni wodnej.  

  Jaki jest odczyn 3,5 M KNO

2

 oraz 0,5 M AlCl

3

 

background image

 

15 

 

Jakie reakcje zachodzą w probówce zawierającej azotan(III) potasu i kwas siarkowy(VI). 

 

Za pomocą odpowiednich reakcji chemicznych wyjaśnij wydzielanie się brunatnego ga-
zu i wytrącanie białego osadu w probówce zawierającej azotan(III) potasu i chlorek glinu 
(III). 

    

Po wykonaniu doświadczenia  zawartość probówek wylać do pojemnika na metale.