Урок 17. Реакция нейтрализации

В уроке 17 «Реакция нейтрализации» из курса «Химия для чайников» рассмотрим процесс нейтрализации, а также понятия химический эквивалент вещества и грамм-эквивалент; кроме того научимся вычислять нормальную концентрацию раствора. С реакцией нейтрализации тесно связаны понятия «кислота» и «основание», поэтому настоятельно рекомендую подробно изучить урок 16 «Кислоты и основания»

Нейтрализация

Важным свойством кислот и оснований является их способность образовывать в растворе ионы H+ и OH-, которые могут атаковать другие имеющиеся там молекулы и вызывать химические превращения, с трудом или медленно протекающие в их отсутствии. Когда кислоты и основания реагируют друг с другом, ионы H⁺ и OH^— соединяются, образуя молекулы воды. Этот процесс называется нейтрализацией:

• H⁺ + OH^— → H₂O

Химический эквивалент

С реакцией нейтрализации тесно связано процедура кислотно-основного титрования. Грубо говоря, титрование — это способ определения имеющегося количества кислоты или основания в растворе, путем измерения количества основания или кислоты с заданной концентрацией необходимого для полной нейтрализации имеющегося реагента. При титровании пользуются понятием химический эквивалент.

Химический эквивалент кислоты — количество кислоты, которое при нейтрализации основания высвобождает 1 моль ионов H+.

Химический эквивалент основания — количество основания, которое при нейтрализации основания высвобождает 1 моль ионов OH—.

Полная нейтрализация происходит в том случае, если в реакцию вступают одинаковые количества химических эквивалентов кислоты и основания.

Грамм-эквивалент — это масса кислоты (или основания) в граммах, которая образует 1 моль ионов H⁺ (или OH^—)

Для кислот, способных высвобождать 1 ион H⁺ на молекулу, как, например, HCl или HNO₃, химический эквивалент представляет собой то же самое количество вещества, что и моль, а 1 грамм-эквивалент — то же самое, что и молекулярная масса. Однако поскольку H₂SO₄ способна высвобождать два иона H⁺ на молекулу, 1 молю H₂SO₄ соответствуют два эквивалента, и поэтому в реакциях кислотно-основной нейтрализации грамм-эквивалент серной кислоты равен половине ее молекулярной массы. Грамм-эквивалент фосфорной кислоты H₃PO₄, т.е. такая ее масса в граммах, которая образует 1 моль ионов H⁺, равен 1/3 молекулярной массы этой кислоты. Точно так же для NaOH, KOH и NH₃, молекулярные массы совпадают с грамм-эквивалентами этих веществ, но грамм-эквивалент Ca(OH)₂ равен половине его молекулярной массы.

В удобстве использования понятий химического эквивалента и грамм-эквивалента можно убедиться при рассмотрении нейтрализации фосфорной кислоты гидроксидом магния:

Рассмотрим решение конкретной задачи по химическим эквивалентам и грамм-эквивалентам:

Пример 1. Используя метод эквивалентов, найдите число граммов HNO₃ необходимо для нейтрализации 100,0 г Ba(OH)₂.

Решение:

Первым делом выпишем молекулярные массы и грамм-эквиваленты для HNO3 и Ba(OH)2:

Отлично! Теперь найдем сколько химических эквивалентов гидроксида бария содержится в 100,0 г:

• 100,0 г / 85,67 г/экв = 1,167 экв Ba(OH)₂

В начале урока мы говорили, что полная нейтрализация получается, когда в реакцию вступают одинаковые количества химических эквивалентов кислоты и основания. Поэтому для нейтрализации 1,167 экв Ba(OH)₂ потребуется 1,167 экв HNO₃:

• 1,167 экв × 63,01 г/экв = 73,53 г HNO₃

Ответ получен! Кстати, данную задачу можно решить по другому, используя полное уравнение реакции:

• 2HNO₃ + Ba(OH)₂ → Ba(NO₃)₂ + 2H₂O

Число моль Ba(OH)₂, вступающего в реакцию, равно:

• 100,0 г / 171,3 г/моль = 0,5838 моля Ba(OH)₂

Из полного уравнения реакции следует, что в ней должно принять участие вдвое большее молярное количество азотной кислоты, чем гидроксида бария:

• 0,5838 моля × 2 = 1,167 моля HNO₃

А в граммах это составит:

• 1,167 моля × 63,01 г/моль = 73,53 г HNO₃

Ответы совпадают, т.е оба метода решения верны, однако метод эквивалентов позволяет обойтись без использования полного уравнения реакции.

Нормальная концентрация

Нормальная концентрация, или нормальность раствора (н.) показывает, сколько эквивалентов вещества содержится в 1 л его раствора. Например, по аналогии с молярной концентрацией, 1,00 М раствор H₃PO₄ имеет нормальность 3,00 н, а 0,010 М раствор Mg(OH)₂ имеет нормальность 0,020 н.

Пример 2. Определите молярность и нормальность 500 мл раствора, полученного при растворении в воде 4,00 г NaOH.

Решение:

По таблице Менделеева находим молекулярную массу гидроксида натрия, она равна 40,0 г/моль. В нашем распоряжении ровно 4,00 г NaOH, и в них содержится:

• 4,00 г / 40,0 г/моль = 0,100 моля NaOH

Нам уже известно, что молярная концентрация представляет собой отношение числа моль растворенного вещества на общий объем раствора, следовательно молярность раствора гидроксида натрия равна:

• 0,100 моля NaOH / 0,500 л раствора = 0,200 моль/л, или 0,2 М NaOH

В данном случае молярность раствора совпадает с его нормальностью, поскольку каждый моль гидроксида натрия дает 1 эквивалент OH— ионов. Следовательно нормальность полученного раствора равна также 0,200 н.

Пример 3. В 750 мл раствора содержится 10,0 г серной кислоты H₂SO₄. Определите молярность и нормальность данного раствора.

Решение:

• 10,0 г / 98,1 г/моль = 0,102 моля серной кислоты
• 0,102 моля / 0,750 л = 0,136 М раствор серной кислоты

Поскольку каждый моль серной кислоты высвобождает 2 эквивалента ионов H⁺, полученный раствор серной кислоты имеет нормальность, равную 2·0,136=0,272 н., т.е. представляет собой 0,272 н. раствора H₂SO₄.

Надеюсь урок 17 «Реакция нейтрализации» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.