12.9. Неводні амфіпротні розчинники

У підрозд. 12.1 було розглянуто автопротоліз амфіпротної речовини — води. Кожний розчинник, молекули якого у зовнішніх оболонках містять один або кілька протонів і одну або кілька неподілених пар електронів, може діяти як амфіпротний розчинник. Одна з молекул такого розчинника може віддавати протон досить сильній основі або приймати протон від досить сильної кислоти. Так, перхлоратна кислота, будучи розчиненою в чистій сульфатній кислоті, зазнає такого перетворення, у якому H₂SO₄ виступає як основа

HClO₄ + H₂SO₄ ⇔ H₃SO₄⁺ + ClO₄^- 

Можна передбачити ймовірну поведінку тієї чи іншої речовини в амфіпротному розчиннику; для цього треба порівняти кислотну константу цієї речовини при розчиненні її у воді з кислотною константою самого розчинника також при розчиненні його у воді. Перхлоратна кислота, наприклад, майже в 105 разів сильніша за сульфатну кислоту. Ймовірно, дуже висока протонодонорна здатність перхлоратної кислоти проявиться також і в тому випадку, коли розчинником буде сульфатна кислота.

Ортофосфатна ж кислота у водному розчині слабша за сульфатну і, будучи розчиненою в чистій сульфатній кислоті, поводиться як основа

H₂SO₄ + H₃PO₄ ⇔ H₄PO₄⁺ + HSO₄^- 

Сульфатна кислота також зазнає автопротолізу

2H₂SO₄ ⇔ H₃SO₄⁺+ HSO₄^-

Значення констант автопротолізу сульфатної кислоти та деяких інших амфіпротних розчинників наведено в табл. 12.1; ці значення розраховано за даними вимірювань електропровідності самого розчинника та деяких його розчинів.

Значення констант автопротолізу

12.1. Дайте три означення кислот і основ у порядку зростання узагальненості цих понять.

12.2. Сформулюйте відмінні ознаки сильної та слабкої кислоти.

12.3. Що таке автопротоліз? Напишіть рівняння автопротолізу води. Чому дорівнює концентрація H₃O⁺ і OH^- у чистій воді за 25 °C, за 0 °C, за 100 °C?

12.4. Які з наведених нижче оксидів утворюють із водою кислоти, а які основи? Напишіть рівняння реакції з водою для кожної з наведених сполук.

P₂O₃ N₂O₅ Na₂O Mn₂O₇

Cl₂O B₂O₃ I₂O₅ SO₂

Cl₂O7₃ CO₂ SO₃

12.5. Накресліть графік, що виражає залежність між значенням pH і концентрацією H₃O⁺ та OH^- у воді й розбавлених розчинах.

12.6. Дайте означення K_In і pK кислотно-основного індикатора.

12.7. Опишіть три методи вимірювання pH розчину із зазначенням їхньої очікуваної точності.

12.8. Чому дорівнює (з точністю до одиниці pH) pH 1 н. розчину HCl; 0,1 н. HCl; 10 н. HCl; 0,1 н. NaOH; 10 н. NaOH?

12.9. Чому дорівнює нормальність розчину сильної кислоти, якщо для нейтралізації 25,00 мл його знадобилося 28,75 мл 0,1063 н. розчину NaOH?

12.10. Отруйні мікроорганізми botulinus не можуть жити в консервованих овочах, якщо pH менше 4,5. Деякі дослідники [J. Chem. Educ., 22, 409 (1945)] рекомендують при домашньому консервуванні некислих продуктів, наприклад при консервуванні квасолі без закупорювання консервних банок під тиском, додавати деяку кількість хлоридної кислоти. Рекомендована кількість хлоридної кислоти становить 25 мл 0,5 н. розчину HCl на банку (об'ємом 0,5 л). Розрахуйте pH утвореного розчину, виходячи з припущення, що спочатку цей розчин був нейтральним, і нехтуючи буферною дією органічних сполук. Підрахуйте також кількість питної соди (NaHCO₃), виміряну в чайних ложках, яка знадобиться для нейтралізації кислоти після відкриття банки консервів. Одна чайна ложка вміщує 4 г питної соди.

12.11. Обчисліть концентрацію іона Гідрогену в таких розчинах:

а) 1 М HC₂H₃O₂ (K = 1,8×10^-5) б) 0,06 М HNO₂ (K = 0,45×10^-3)

в) 0,004 М NH₄OH (K_b = 1,8×10^-5) г) 0,1 М HF (K = 6,7×10^-4)

Чому дорівнює pH наведених розчинів?

12.12. Обчисліть концентрацію різних іонів і молекул у розчині, який одержують при змішуванні рівних об'ємів 1 н. NaOH і 0,5 н. NH₄OH.

12.13. Обчисліть pH розчину, який має концентрацію 0,1 М за HNO₂ і 0,1 М за HCl.

12.14. Обчисліть концентрацію різних іонів і молекул у таких розчинах:

а) 0,1 М H₂Se (K₁ = 1,7×10^-4; K₂ = 1×10^-11 )

б) 0,01 М H₂CO₃ (K₁ = 4,5×10^-7; K₂ = 6×10^-11 )

в) 1 М H₂CrO₄ (K₁ = 0,18; K₂ = 3,2×10^-7 )

г) 0,5 М H₃PO₄ (K₁ = 7,5×10^-3; K₂ =0,6×10^-7; K₃ = 1×10^-12 )

д) 1 М H₂SO₄ (K₂ =1,20×10^-2 )

е) 0,01 М H₂SO₄

12.15. Борна кислота втрачає лише один іон Гідрогену. У 0,1 М H₃BO₃ [H⁺] = 1,05×10^-5. Обчисліть константу дисоціації борної кислоти.

12.16. Патентований американський засіб від шлункових захворювань містить 2,1 г Al(OH)₃ на 100 мл. Якою мірою помилковим є напис на етикетці, що стверджує, ніби цей препарат «здатний сполучатися з об'ємом 0,1 н. HCl, у 16 разів більшим за об'єм прийнятого ліки»?

12.17. Які з наведених нижче речовин утворюють кислі, нейтральні й основні розчини? Напишіть рівняння реакцій, внаслідок яких утворюються іони H⁺ або OH^-:

NaCl (NH₄)₂SO₄ CuSO₄·5H₂O

NaCN NaHSO₄ FeCl₂

Na₃PO₄ NaH₂PO₄ KAl(SO₄)₂·12H₂O

NH₄Cl Na₂HPO₄ Zn(ClO₄)₂

NH₄CN KClO₄ BaO

12.18. Яку приблизно кількість оцтової кислоти треба додати до 0,1 н. розчину натрій ацетату, щоб розчин став нейтральним (pH 7)?

12.19. Якими індикаторами слід користуватися при титруванні наведених нижче кислот?

HNO₂  K_a = 4,5×10^-4

H₂S (перший атом Гідрогену) K_a = 1,1×10^-7

HCN K_a = 4×10^-10

Якими індикаторами слід користуватися при роздільному титруванні HCl і HC₂H₃O₂ у розчині, що містить обидві ці кислоти?

12.20. Обчисліть pH таких розчинів:

а) 0,1 М за NH₄Cl, 0,1 М за NH₄OH;

б) 0,05 М за NH₄Cl, 0,15 М за NH₄OH;

в) 1,0 М за HC₂H₃O₂, 0,3 М за NaC₂H₃O₂;

г) розчину, приготовленого змішуванням 10 мл 1 М HC₂H₃O₂ і 90 мл? 0,05 М NaOH.

12.21. Обчисліть pH розчину, приготовленого з:

а) 10 мл 1 М HCN, 10 мл 1 М NaOH;

б) 10 мл 1 М NH₄OH, 10 мл 1 М HCl;

в) 10 мл 1 М NH₄OH, 10 мл 1 М NH₄Cl.

12.22. Обчисліть концентрації різних іонів і молекул у таких розчинах:

а) 0,4 М NH₄Cl;

б) 0,1 М NH₄C₂H₃O₂;

в) 0,1 М NaHCO₃;

г) 0,1 М Na₂CO₃.

12.23. Обчисліть концентрації різних іонів і молекул у таких розчинах:

а) 0,3 М за HCl і 0,1 М за H₂S;

б) буферного розчину при pH 4 і 0,1 М за H₂S;

в) 0,2 М за KHS;

г) 0,2 М за K₂S.

12.24. У яких пропорціях за масою слід узяти KH₂PO₄ і Na₂HPO₄·2H₂O, щоб одержати буферний розчин з pH 6,0?

12.25. Карбон(IV) оксид, що утворюється внаслідок окиснення речовин у тканинах організму, переноситься кров'ю до легень. Частково він перебуває в розчині у вигляді карбонатної кислоти, а частково у вигляді іона HCO₃^-. Якщо pH крові дорівнює 7,4, то яка частка карбонатної кислоти перебуває у вигляді іона HCO₃^- ? 

12.26. Для H₂S K₁ = 1,1×10^-7. Чому дорівнює відношення [H₂S]/[HS^-] при pH 8? Якщо в кислому розчині гідроген сульфід при тиску 1 атм утворює 0,1 М розчин, то чому дорівнює його розчинність при pH 8?

12.27. Як поводитиметься вода — як кислота чи як основа — при розчиненні її в рідкому гідроген сульфіді H₂S? Як поводитиметься H₂Se за тих самих умов?

12.28. Гідроген ціанід $H-C\equiv N:$ виявляє амфіпротні властивості. Що є його спряженою кислотою? Спряженою основою?

12.29. Яку реакцію можна очікувати при розчиненні HCN у чистій сульфатній кислоті?

12.30. Яка концентрація катіона H₃SO₄⁺ у чистій сульфатній кислоті? Яка концентрація аніона HSO^- ? (Див. табл. 12.1) [Відповідь: 0,014 моль·л^-1; 0,014 моль·л^-1.]

12.31. Яка концентрація катіона H₂C₂H₃O₂⁺ у чистій оцтовій кислоті? Яка концентрація аніона C₂H₃O₂^-?

12.32. Поясніть, чому гідроксид металу, скажімо Fe(OH)₃, значно більше розчинний у кислому розчині, ніж у лужному.

12.33. Користуючись уявленнями теорії кислот і основ, висунутої Льюїсом, розгляньте реакцію F^- + BF₃ → BF^- .