Исследование зависимости константы Генри от рН раствора, в котором растворяется газ, обладающий кислотными свойствами. Окислительно-восстановительные элементы и электродные потенциалы. Изучение влияния добавок на окислительно-восстновительные потенциалы.
Закон Генри показывает взаимосвязь между концентрацией газа в растворе и давлением его над поверхностью растворителя. Приводим формулу: , где C - концентрация газа, Кг - константа Генри, p - парциальное давление газа над растворителем. Если мы используем в качестве растворителя водные растворы кислот и щелочей, очевидно, что для газов, обладающих кислотно-основными свойствами: СО2, SO2, NH3, NO2, PH3, Cl2 и т.д., константа Генри будет зависеть от значения РН раствора, в котором растворяется газ. Исследовать теоретически зависимость константы Генри от РН раствора, в котором растворяется газ, обладающий кислотными свойствами. Присутствие таких частиц в растворе обусловлено следующими процессами: Первый процесс характеризуется константой равновесия равной константе диссоциации угольной кислоты по первой ступени: Второй процесс характеризуется константой равновесия численно равный константе диссоциации угольной кислоты по второй ступени: Таким образом, , где [H2CO3] - равновесная концентрация молекул угольной кислоты, [HCO3-]-равновесная концентрация в растворе частиц бикарбоната HCO3-, [CO32-] - равновесная концентрация в растворе частиц карбоната CO32-.При давлении углекислого газа равным 1 атмосфере над поверхностью раствора и значением РН, лежащим в пределах [0, 14], весь растворенный углекислый газ находится в виде молекул, а его концентрация равна константе Генри при постоянной температуре опыта. Здесь действует принцип Ле Шателье - наличие в растворе катион-водорода Н сдвигает щелочную реакцию среды и кислую сторону (РН до 5,5).
Введение
Закон Генри показывает взаимосвязь между концентрацией газа в растворе и давлением его над поверхностью растворителя. Приводим формулу: , где C - концентрация газа, Кг - константа Генри, p - парциальное давление газа над растворителем. В случае, если парциальное давление газа равно 1 атмосфере, концентрация газа в растворе равна константе Генри. Если мы используем в качестве растворителя водные растворы кислот и щелочей, очевидно, что для газов, обладающих кислотно-основными свойствами: СО2, SO2, NH3, NO2, PH3, Cl2 и т.д., константа Генри будет зависеть от значения РН раствора, в котором растворяется газ.
Цель работы
Исследовать теоретически зависимость константы Генри от РН раствора, в котором растворяется газ, обладающий кислотными свойствами.
Выполнение работы
В качестве газа, обладающего кислотными свойствами, выберем СО2. Как было показано выше, константа Генри равняется концентрации СО2, при условии р=1атмосфера. Принимаем, что суммарная концентрация газа в растворе определяется концентрациями следующих частиц: [H2CO3], [HC03-], [CO32-]. Присутствие таких частиц в растворе обусловлено следующими процессами:
Первый процесс характеризуется константой равновесия равной константе диссоциации угольной кислоты по первой ступени:
Второй процесс характеризуется константой равновесия численно равный константе диссоциации угольной кислоты по второй ступени:
Таким образом, ,
где [H2CO3] - равновесная концентрация молекул угольной кислоты, [HCO3-] -равновесная концентрация в растворе частиц бикарбоната HCO3-, [CO32-] - равновесная концентрация в растворе частиц карбоната CO32-.
Выразим концентрацию частиц [HCO3-] и [CO32-] через равновесную концентрацию молекул угольной кислоты.
где К1 и К2 константа диссоциации угольной кислоты по первой и второй ступени соответственно.
Следовательно,
Преобразуем уравнение в следующий вид:
Выразим концентрацию [Н ] через РН.
Очевидно, что при РН стремящимся к нулю последнее произведение стремится к единице поскольку порядок значения К1 составляет 10-7, следовательно при PH=0 константа Генри равна концентрации Н2СО3, обозначим ее через Кг0. (константа Генри при нулевом значении РН). Поскольку для данной системы это постоянная величина, мы переносим ее в левую часть в виде:
Данное уравнение отражает зависимость константы генри от РН при очевидном условии, что Кг0 есть постоянная величина для данной системы.
Зависимость Кг/ Кг0 от РН
РН Кг/ Кг0 Н=10-РН ln(Кг/ Кг0)
0 1,000 1,000000 4,5534
1 1,000 0,100000 4,5132
2 1,000 0,010000 4,4904
3 1,000 0,001000 0,0004
4 1,000 1,000000 4,5187
5 1,004 0,000100 0,0044
6 1,045 0,0000100 0,04401
7 1,450 0,0000010 0,3715
8 5,502 0,0000001 1,7051
Рис. 3.1 Зависимость РН от ln (Кг/ Кг0)
Как видим, на графике присутствуют 2 точки перелома, т.е. на графике присутствуют 3 участка. Такой ход графика объясняется тем, что первый участок ограничивается интервалом РН [0,6], т.е. при этих значениях РН растворенный СО2 присутствует в форме не диссоциируемых молекул уксусной кислоты. На втором участке, т.е. в интервале РН [6,10], весь растворенный СО2 в растворе содержится в виде бикарбонат-иона HCO3-, а концентрация карбонат-ионов CO32- практически равна нулю. На третьем участке, т.е. в интервале значений РН [10,14], весь растворенный СО2 в растворе присутствует в виде карбонат-иона CO32-, а концентрация бикарбонат-ионов HCO3- практически равна нулю.
Для исследования графической зависимости логарифмируем уравнение. газ растворение кислотный
Учитывая все выше сказанное, мы можем записать для первого участка:
Для второго участка:
Для третьего участка:
Как видно, последние уравнения представляют уравнения прямой. Из найденных трех уравнений функции вычислим первые производные. Для первого случая производная равна нулю, для второго - 1, для третьего - 2.
Вывод
При давлении углекислого газа равным 1 атмосфере над поверхностью раствора и значением РН, лежащим в пределах [0, 14], весь растворенный углекислый газ находится в виде молекул, а его концентрация равна константе Генри при постоянной температуре опыта. Баланс между СО2, бикарбонатом и карбонатом зависит от РН. Здесь действует принцип Ле Шателье - наличие в растворе катион-водорода Н сдвигает щелочную реакцию среды и кислую сторону (РН до 5,5). И наоборот, удаление протонов из системы смещает равновесие реакции влево, когда СО2 восполняется из карбоната и бикарбоната. Таким образом, при низком значении РН в системе преобладает СО2, и фактически ни бикарбоната, ни карбоната не образуется, тогда при нейтральном значении РН бикарбонат доминирует над СО2 и Н2СО3. И только при высоких значениях РН преобладает карбонат.
