§ 11. Ступінь електролітичної дисоціації. Сильні і слабкі електроліти рН розчину

У водних розчинах одні електроліти розпадаються на йони повністю, а інші — частково, тобто частина їх молекул залишається в розчині недисоційованою. Це перш за все стосується речовин, які мають молекулярну будову. У цьому разі для кількісної оцінки процесу дисоціації використовують величину, яку називають ступенем електролітичної дисоціації.

Ступінь електролітичної дисоціації — це відношення кількості молекул (формульних одиниць) електроліту, які розпались на йони, до загальної кількості його молекул (формульних одиниць), які помістили в розчин.

Позначають грецькою літерою α (читається «альфа») і обчислюють як частку від одиниці або у відсотках. Запишемо формули для обчислення ступеня дисоціації:

або для обчислення ступеня дисоціації у відсотках використаємо таку формулу:

де X — формульна одиниця електроліту;

N (Х)дисоц. — кількість молекул електроліту X, які розпались на йони;

N (Х)загал. — кількість молекул електроліту X, які помістили у воду.

Із формули (І) видно, що α може змінюватися від нуля до одиниці.

У виразах (І) і (II) кількість молекул можна замінити на кількість речовини:

де n(Х)дисоц. — кількість речовини електроліту, яка продисоціювала;

n(Х)загал. — кількість речовини електроліту, використаного для приготування його розчину.

Проаналізуймо зміст α на конкретному прикладі: якщо α(HF) = 30 %, то це означає, що 30 % молекул речовини перебуває в розчині в дисоційованому стані, відповідно 70 % молекул залишаються недисоційованими.

Рис. 11.1. Ступінь дисоціації флуоридної кислоти

Сильні та слабкі електроліти

Залежно від ступеня дисоціації електроліти поділяють на сильні й слабкі.

Сильні електроліти — це такі електроліти, які у водних розчинах повністю (або майже повністю) дисоціюють на йони. Ступінь їх дисоціації практично дорівнює 1 (100 %) і не залежить від концентрації речовини.

До сильних електролітів належать:

• 1) розчинні у воді солі;
• 2) луги;
• 3) низка кислот: HNO₃, H₂SO₄, HBr, HI, HCl, HClO₄, HMnO₄.

Слабкі електроліти — це електроліти, які у водних розчинах дисоціюють на йони не повністю, тобто ступінь їх дисоціації значно менший за 1 (менший за 100 %).

Дисоціація відбувається не повною мірою, а тому в розчині слабкого електроліту містяться не лише йони, а й молекули електроліту.

Багатоосновні кислоти дисоціюють ступінчасто в кілька стадій. Кожна стадія характеризується своїм ступенем дисоціації. Наприклад, для ступінчастої дисоціації H₃AsO₄ можна записати три рівняння дисоціації:

HAsO 2- ₄ ⇄ H + + AsO 3- ₄ (третя стадія).

Позначимо ступінь дисоціації на першій стадії α₁ на другій — α₂, на третій — α₃. Кислота завжди дисоціює за першою стадією повніше, ніж за другою, за другою — повніше, ніж за третьою, тобто α₁ > α₂ > α₃. Це пояснюється тим, що енергія, потрібна для відриву йона Н + від нейтральної молекули, мінімальна і зростає під час дисоціації на кожній наступній стадії.

До слабких електролітів належать:

• 1) слабкі та середньої сили кислоти: Н₂СО₃, H₂S, H₂SO₃, H₂SiO₃, HNO₂ HF;
• 2) нерозчинні й малорозчинні у воді основи (утворені р-, d- і f-елементами), амоній гідроксиду NH₄OH;
• 3) майже всі органічні кислоти;
• 4) вода.

Дисоціація води. Поняття про водневий показник

Дисоціацію води описують рівнянням: Н₂O ⇄ Н + + ОН – .

Вода — дуже слабкий електроліт: за температури 25 °С (стандартні умови) лише одна молекула води з 555 мільйонів розпадається на йони:

Обчислимо кількість речовини води, яка дисоціює:

n(Н₂О) = 1,8 · 10 -9 · 55,56 = 10 -7 моль.

Це означає, що в 1 л води міститься 10 -7 моль йонів Н + і 10 -7 моль йонів ОН – . Про воду кажуть, що вона має нейтральну реакцію.

Розчини, у яких вміст йонів H + і ОН – є однаковим, називають нейтральними.

Якщо до води додати лугу, кількість йонів ОН – збільшиться; кажуть, що розчин став лужним.

Розчини, у яких вміст йонів Н + менший, ніж вміст гідроксид-іонів, називають лужними.

Якщо до води додати кислоти, кількість йонів Н + збільшиться; кажуть, що розчин став кислотним.

Розчини, у яких вміст йонів H + перевищує вміст гідроксид-іонів ОН – , називають кислотними.

Лабораторний дослід 2

Установлення приблизного значення pH води, лужних і кислих розчинів (натрій гідроксиду, хлоридної кислоти).

Останніми роками до складу косметичних кремів уводять різні речовини, що впливають на кислотність кремів. Кислі й лужні креми мають негативний вплив на шкіру. В емульсійних косметичних кремах типу олія/вода вміст води, що є дисперсійним середовищем, становить 70-90 %. Кількість жирної фази (олії чи жироподібної речовини) обмежена 10-30 %. Такі засоби не залишають жирного сліду на шкірі, легко видаляються, змиваються водою. Дослідіть зразок крему, шампуню, який видав вам учитель, за допомогою універсального індикаторного папірця.

Лабораторний дослід 3

Дослідження pH харчової і косметичної продукції (кефіру, яблучного соку, крему для рук, шампуню).

У пробірках міститься невелика кількість води, розчину натрій гідроксиду, хлоридної кислоти.

1. За допомогою скляної палички нанесіть краплю рідини з кожної пробірки на смужку універсального індикаторного папірця. Що спостерігаєте?

2. Нанесіть на смужку універсального індикаторного папірця невелику кількість кефіру, яблучного соку, крему для рук чи шампуню. Що спостерігаєте?

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

У хімії часто використовують молярну концентрацію (С), яка визначається відношенням кількості речовини розчиненої сполуки в 1 л розчину і вимірюється в моль/л. За рівнянням дисоціації води обчислимо молярну концентрацію йонів Н + та ОН – у воді: С(Н + ) = С(ОН – ) = 10 -7 : 1 = 10 -7 (моль/л).

Концентрація йонів Гідрогену [Н + ] в розчині є мірою кислотності середовища. У чистій воді й нейтральних розчинах за температури 25 °С концентрація становить 10 -7 моль/л. Для зручності її виражають через водневий показник pH; читається «пе аш» (від лат. potentia hydrogeni — сила водню).

Якщо концентрація йонів Н + в розчині становить 10 -1 моль/л, тобто 0,1 моль/л, то рН = 1. У нейтральних розчинах рН = 7, у кислотних — рН < 7,улужних — рН >7. Кислотність розчинів можна визначати приблизно за допомогою кислотно-лужних індикаторів або точно — за допомогою приладу рН-метра.

Індикаторний метод ґрунтується на тому, що деякі індикатори (органічні речовини-барвники) змінюють своє забарвлення за різних значень pH.

Наведені індикатори змінюють своє забарвлення в малому інтервалі pH, який називають інтервалом переходу pH:

Табл. 11.1. Концентрації іонів Н + і значення pH

Є універсальні індикатори, за допомогою яких можна встановити значення pH в широкому діапазоні (1-12) з точністю до 1. Для кожного універсального індикатора характерна своя еталонна кольорова шкала. Під час дослідження смужку універсального індикаторного паперу змочують у досліджуваному розчині і, поклавши на білу поверхню, що не вбирає вологи, швидко порівнюють колір смужки з еталонною шкалою.

Універсальні індикатори — слабкі органічні кислоти або основи, що становлять супряжену пару, кислотна та основна форма яких розрізняється за кольором. Зміна забарвлення цих індикаторів пов’язана зі зміною структури їх молекул у зв’язку з віддачею чи приєднанням іонів Н + .

Визначення кислотності середовища має важливе практичне значення в хімії, біології, медицині, харчовій промисловості, сільському господарстві.

Рис. 11.2. Приклад еталонної кольорової шкали універсального індикатора

Так, ґрунтознавцям обов’язково потрібно знати pH ґрунтів, щоб правильно здійснювати комплекс агрохімічних заходів для вирощування високих урожаїв. Фізіологам іноді важливо знати pH крові, шлункового соку, інших біологічних рідин і тканин. Зазвичай більшість промислових, хімічних і біологічних процесів відбувається за певних значень pH розчину.

Табл. 11.2. Значення кислотності розчинів деяких речовин і природних рідин

Рідина (тканина) людського організму, речовина

Сірий пацюк

Миші і щурі – стародавні супутники людини. У міфах Стародавнього Єгипту (2000 років до н.е.) їм відведено не останнє місце. Справа в тому, що головним багатством древніх єгиптян було зерно, в основному пшениця, яку вони зберігали у великих зерносховищах, а від ненажерливих пацюків і мишей, його не врятує навіть грізна охорона. Від голоду єгиптян врятували кішки, які винищили гризунів. Саме завдяки мишам, кішку єгиптяни стали вважати священною твариною. Про щурів і мишей згадували у творах античної культури і Стародавнього Риму (Аристотель, Гомер, Плутарх, Горацій, Гіппократ та ін.). Незважаючи на погану славу гризунів, стародавні греки і римляни вірили в їх здатність виліковувати людські хвороби. Середньовічні лікарі використовували кров мишей для лікування катаракти, бородавок. Якщо до мишей далеко не всі відчувають неприязні почуття, то важко знайти іншу тварину, до якої б люди, практично одностайно, ставилися з такою огидою, як до щурів. Таке ставлення сформувалося «на генетичному» рівні, тому що в давнину поява щурів часто супроводжувалося епідеміями «чорної смерті» – чуми, перед якою, в той час, людство було безсильне. Перші публікації в європейській літературі зі згадуванням щурів припадають на кінець XVII століття. Швидше за все, мова йшла про чорного щура. А перші дані, саме про сірого щура, датовані 1736 роком. Сірий пацюк, або Пасюк (Rattus norvegicus) – один з найбільших представників сімейства мишачих (Muridae) загону гризунів (Rodentia). Довжина тіла дорослої особини становить не більше 250 мм, хвоста – не більше 120 мм (хвіст завжди коротше тіла), маса – може досягати 500 г і більше. Статура щільна, голова широка, тупа. Хутро жорстке з довгими остевими волосками. Біля основи волоски забарвлені в сірий колір, вершинка – в чорний, середня частина – в рудувато-жовтий, що в сукупності дає коричнево-сіре забарвлення зверху тіла тварини. Тон забарвлення щурів залежить від стадії росту волосків, тому молоді особини сіріші ніж дорослі і в міру зростання починають становитися рудими. Черевце має брудно-біле забарвлення, межа між спинною і черевневою частиною тварини помітна, хоча й не дуже чітка. Хвіст голий, покритий лускатими кільцями з рідкісними волосками між ними. Існує хибна думка, що забарвлення чорного пацюка (Rattus rattus), якого так успішно з європейського континенту витіснив сірий щур, дійсно чорне. Це не так. Хоча в забарвленні чорного пацюка коричневих тонів помітно менше і присутній «металевий» відтінок, але тільки за кольоровими характеристиками, з 100% -ою впевненістю, ці види розрізнити неможливо. Чорний щур менше сірого, мордочка подовжена і більш витягнута, хвіст більше довжини тіла. І головна відмінна риса – відігнуте вперед вухо досягає краю очей (у сірого щура не досягає). Залежно від місця проживання, сірих щурів можна розділити на 2 екологічні форми: екзоантропні («дикі»), що мешкають круглий рік у відкритих стаціях і синантропні, що населяють будинки людини і споруди, в тій чи іншій мірі пов’язані з його діяльністю. У природі щури заселяють навколоводні біотопи: берегову лінію водойм (ставків, річок, озер), заплавні ділянки річок, малих річок, струмків. На відміну від своїх синантропних побратимів «дикі» сірі пацюки не розмножуються в холодну пору року, поводяться як дрібні хижаки, хоча частка рослинних кормів в їх раціоні займає досить велике місце. Тривалість життя їх коротша, а «вгодовані», великі особини відсутні. Синантропні щури заселяють абсолютно все! Житлові будинки (будь-то одно- або багатоповерхові), підприємства харчової промисловості та громадського харчування, тваринницькі ферми, річкові та морські порти, суди, звалища, системи каналізації та багато, багато іншого. Сірим щурам, в більшості випадків, властиво жити групами або кланами. Кожен клан займає певну ділянку території, на якій є всі умови для існування: їжа, вода, місця для побудови розгалуженої мережі нір. Клан складається з домінантного самця, 2-3 дорослих самців і 5-8 самок, 10-15 молодих тваринок і 20-30 щурят. Домінантний самець мітить межі території своєї групи і захищає її від зазіхань інших кланів. Сірі пацюки всеїдні. Причому продукти тваринного походження займають чільне місце в їх раціоні. Дрібні гризуни, жаби, риба, молюски, комахи, пташині яйця, м’ясні і молочні продукти – щури поїдають все, що тільки можуть зловити або дістати! Не нехтують вони й різними корнеплодами, зерном, крупами. В експерименті на протязі 3-х тижнів одну групу сірих щурів годували виключно продуктами рослинного походження. У підсумку, гризуни помітно втрачали у вазі, а частина загинула. А ті гризуни, яких годували тільки сирим столовим буряком, гинули від голоду на 3-4 добу. Другу групу годували відвареним м’ясом. Тут спостерігалася протилежна картина: звірята жиріли, додавали у вазі і відчували себе чудово. Коли ж сірих щурів замінили на чорних, зоологи були злегка здивовані: втрачали у вазі щури, що харчувалися м’ясом, а «ті, що сиділи на рослинній дієті» виглядали вгодованими і абсолютно здоровими! Дивує здатність щурів «пити» з пляшок. Як вони це роблять? Опускають хвіст в горлишко пляшки, а далі злизують з нього рідину (молоко, кефір і т.д.). Таким нехитрим методом один гризун може «випити» півпляшки молока. Навіть у зоологів немає однозначної відповіді на питання: чи роблять щури кормові запаси? На мою думку – роблять! Але не всі і не завжди … Інколи, але зустрічаються нори «диких» щурів з 5-7 кг пшениці, вівса, 2-3 кг моркви. Не кажучи вже про притулки їх синантропних побратимів. Наприклад, при ремонті в одному з приватних будинків, господарі зірвали стару дерев’яну підлогу, з метою замінити на нову … і були злегка шоковані! Під підлогою вони виявили: 4 відра картоплі, 15 кг моркви, 36 курячих яєць і 3 (!) кг колись морожених пельменів! Сірі пацюки, як і всі гризуни, відзначаються високою плодючістю. При сприятливих температурних показниках і наявності достатньої кількості корму, здатні до розмноження протягом цілого року. Протягом 12 місяців одна самка приносить від 2 до 8 приплодів з 6-12 дитинчатами в кожному. Проста математика і що ми маємо? До 800 «нових» щурів в рік тільки від 1 самки! Хоча в реальних умовах ця цифра значно нижче. Вагітність у щурів триває близько 3 тижнів. Щурята народжуються голими і сліпими, на 10-й день обростають шерстю, на 15 відкриваються очі, а на 25-30 день вже починають жити самостійним життям. В тримісячному віці щури вже готові до розмноження. Тривалість життя «диких» щурів становить 1,5-2,5 року, синантропних – до 4 років. Сірий пацюк – наймасовіший за чисельністю синантропний вид гризунів в світі! Тому і економічний збиток для людства вони приносять найбільший. Вчені підрахували: один щур за рік з’їдає до 22 кг зернових продуктів або до 10 кг м’ясних. Втрати сировини м’ясокомбінатів, хлібозаводів і інших підприємств харчової промисловості, від діяльності щурів, можуть досягати дуже великих розмірів. А для тваринницьких ферм, птахофабрик, щури – справжнє лихо! У щурів, як і у всіх гризунів, різці ростуть протягом всього життя, тому звір змушений щось постійно гризти, для їх сточування. З цього випливає наступна «щуряча» проблема: псування різних матеріалів. Вони гризуть буквально все! Нерідкі випадки виникнення пожеж, внаслідок «короткого» замикання проводів, перегризенних щурами. Епідемічне значення щурів також велике. Вони є переносниками і природним резервуаром таких інфекцій: чума, лептоспіроз, туляремія, сказ, іезсініоз, еризипелоїд, бруцельоз, лістеріоз, сальмонельоз, трихінельоз та ін. В більшості випадків хвора тварина своїми випорожненнями «заражає» продукти харчування, воду, при контакті з якими людина може інфікуватися. Позбутися від щурів нам допоможе дератизація (дослівно «знищення щурів»), яка включає в себе весь спектр винищувальних заходів: капкани, пастки, в тому числі і електричні, хімічні отрути і ін. Але не варто забувати і про профілактичні роботи. По можливості потрібно захистити свій будинок від проникнення гризунів. Щільно закривати вхідні двері, замазувати щілини, бетонувати або цементувати підлогу, встановлювати металеві сітки в шахтах системи вентиляції – все ці заходи зроблять ваше житло більш «щуронепроникним». Належну увагу потрібно приділити прибиранню прибудинкової території: не повинно бути скупчень сміття і непотрібного мотлоху, які щури можуть використовувати як притулок. Незважаючи на наш час стрімкого розвитку технологій, повністю позбутися від сірих щурів людству не під силу. Та й не потрібно це. А ось знизити чисельність гризунів до «комфортного» співіснування ми можемо! Біолог ПП «Дезснаб» Євген Чеботок