"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Константа диссоциации количественно описывает равновесие между молекулами слабого электролита и образовавшимися из них ионами. По её значению можно сравнивать способность электролитов распадаться на ионы и рассчитывать состав раствора. При постоянной температуре константа не меняется при разбавлении, хотя степень диссоциации обычно растёт. Для расчётов важно использовать равновесные концентрации частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Константа диссоциации — количественная характеристика равновесия распада электролита на ионы. Она показывает, насколько равновесный состав раствора смещён в сторону ионов или недиссоциированных частиц. Значение Kд помогает сравнивать электролиты и рассчитывать состав их растворов.
Степень диссоциации α — доля растворённого электролита, которая распалась на ионы. Если из 100 условных частиц распались 5, то α = 0,05, или 5%. Эта величина нужна, чтобы описать долю распавшихся частиц, а не само равновесие как константу.
Для равновесия HA ⇌ H⁺ + A⁻ константу записывают так: Kд = [H⁺][A⁻]/[HA]. Квадратные скобки обозначают равновесные молярные концентрации, а индексы и коэффициенты соответствуют частицам в уравнении. Произведение концентраций продуктов делят на концентрацию исходного вещества, поэтому формула позволяет количественно описать установившийся состав.
В выражение Kд входят концентрации частиц именно в равновесном состоянии, а не сразу после приготовления раствора. Концентрацию растворителя, например воды, в разбавленном водном растворе обычно не записывают, потому что она практически постоянна. Это упрощает расчёт, не меняя описания равновесия растворённых частиц.
Диссоциация слабого электролита обратима: молекулы образуют ионы, а ионы могут соединяться обратно. Сначала скорость прямого процесса обычно больше, поэтому ионов становится больше, а молекул — меньше. По мере изменения состава скорость обратного процесса возрастает, пока скорости обоих процессов не сравняются; тогда устанавливается динамическое равновесие.
Чтобы получить формулу Kд, применяют закон действующих масс: для равновесия отношение произведения концентраций продуктов к произведению концентраций исходных веществ в степенях их коэффициентов постоянно при данной температуре. В уравнении HA ⇌ H⁺ + A⁻ все коэффициенты равны единице, поэтому Kд = [H⁺][A⁻]/[HA]. Если в реакции участвует растворитель в большом избытке, его концентрацию считают практически неизменной и включают в постоянную равновесия.
Значение Kд зависит от природы электролита и температуры, поскольку они влияют на соотношение устойчивости исходных частиц и ионов. При изменении концентрации раствора равновесие устанавливается заново, но при неизменной температуре само значение Kд остаётся прежним. Поэтому нельзя путать изменение состава раствора с изменением константы.
Для одного и того же типа равновесия более высокая Kд обычно означает, что при сопоставимых условиях в растворе относительно больше ионов. Следовательно, электролит диссоциирует заметнее. Такое сравнение требует одинаковой температуры и корректно записанных уравнений: константы разных реакций нельзя сопоставлять без учёта их стехиометрии.
Связь Kд со степенью диссоциации можно вывести для слабой одноосновной кислоты с начальной концентрацией c. Если исходно кислоты было c, то при равновесии [H⁺] = cα, [A⁻] = cα, а [HA] = c(1 − α), поэтому Kд = cα²/(1 − α). Это соотношение называют законом разбавления Оствальда. При малой α знаменатель примерно равен единице, и тогда α ≈ √(Kд/c): разбавление уменьшает c и обычно увеличивает долю распавшихся частиц.
| Электролит и равновесие | Выражение для Kд | Что показывает |
|---|---|---|
| Слабая одноосновная кислота: HA ⇌ H⁺ + A⁻ | Kд = [H⁺][A⁻]/[HA] | Равновесие между кислотой и её ионами |
| Слабое основание: BOH ⇌ B⁺ + OH⁻ | Kд = [B⁺][OH⁻]/[BOH] | Равновесие между основанием и его ионами |
| Слабый электролит общего вида: AₘBₙ ⇌ mAⁿ⁺ + nBᵐ⁻ | Kд = [Aⁿ⁺]ᵐ[Bᵐ⁻]ⁿ/[AₘBₙ] | Равновесие с учётом коэффициентов реакции |
| Зависимость Kд от температуры и концентрации | При постоянной температуре Kд постоянно; от концентрации не зависит | При разбавлении меняется состав и степень диссоциации |
Сначала проверьте уравнение диссоциации, затем возведите концентрации ионов в степени, равные их коэффициентам. Для сравнения электролитов учитывайте температуру и то, одинаково ли записаны равновесия. Последняя строка помогает не смешивать изменение Kд с изменением степени диссоциации.
Задача 1. Для равновесия HA ⇌ H⁺ + A⁻ равновесные концентрации равны [H⁺] = 0,02 моль/л, [A⁻] = 0,02 моль/л и [HA] = 0,18 моль/л. Найдём Kд, подставив данные в выражение для одноосновной кислоты. Важно использовать именно равновесные значения.
Ответ: Kд ≈ 2,2 · 10⁻³ моль/л. Единицы приведены для концентрационной формы выражения.
Задача 2. Слабая кислота HA имеет начальную концентрацию c = 0,10 моль/л и степень диссоциации α = 0,05. Требуется определить равновесные концентрации частиц и Kд. Одна молекула кислоты образует по одному иону H⁺ и A⁻, поэтому их концентрации одинаковы.
Ответ: [H⁺] = [A⁻] = 0,005 моль/л, [HA] = 0,095 моль/л; Kд ≈ 2,6 · 10⁻⁴ моль/л. Равновесная концентрация кислоты меньше начальной, потому что часть её частиц распалась.
Задача 3. Для слабого электролита известны Kд = 1,0 · 10⁻⁵ моль/л и начальная концентрация c = 0,10 моль/л. Оценим степень диссоциации с помощью закона разбавления Оствальда. Предположим, что электролит одноосновный, а степень диссоциации мала.
Ответ: α ≈ 0,01, или 1%. При такой оценке предположение о малой степени диссоциации согласуется с результатом, поэтому приближение допустимо.
Подстановка начальных концентраций вместо равновесных даёт неверную Kд, потому что часть электролита уже распалась, а состав раствора изменился. Ошибку допускают, если не отслеживают количество образовавшихся ионов и оставшихся молекул. Проверка: составьте таблицу «начало — изменение — равновесие» и убедитесь, что сумма частиц учитывает диссоциацию.
Концентрацию растворителя иногда включают в выражение Kд, следуя формальной записи закона действующих масс. В разбавленном растворе её обычно считают постоянной и объединяют с константой равновесия. Проверка: выясните, является ли вещество растворителем в большом избытке, и используйте принятую для раствора запись константы.
Утверждение, что Kд растёт при разбавлении, смешивает константу со степенью диссоциации. При постоянной температуре константа не меняется, хотя равновесная доля ионов может увеличиваться. Проверка: отдельно укажите, что именно рассчитано — Kд или α, и уточните, изменилась ли температура.
Сравнение Kд без учёта температуры и стехиометрии может привести к неверному выводу о силе электролитов. Константы относятся к конкретно записанным равновесиям, а температура влияет на положение равновесия. Проверка: приведите уравнения к сопоставимому виду и убедитесь, что сравниваете значения при одинаковой температуре.
Для понимания Kд нужны знания об обратимых реакциях, химическом равновесии, законе действующих масс и молярной концентрации. Эти понятия помогают составить выражение константы и правильно подставить концентрации частиц. Связь Kд со степенью диссоциации применяют при расчёте pH слабых кислот и оснований, гидролиза солей и состава растворов.
Чем константа диссоциации отличается от степени диссоциации?
Константа диссоциации Kд характеризует равновесие и при заданной температуре не зависит от концентрации раствора. Степень диссоциации α показывает долю растворённого электролита, распавшуюся на ионы, и при разбавлении может меняться.
Почему концентрацию воды не включают в выражение Kд?
В разбавленном водном растворе концентрация воды почти не меняется. Её постоянное значение объединяют с константой равновесия, поэтому в выражении Kд остаются концентрации растворённых частиц.
Меняется ли константа диссоциации при разбавлении раствора?
При постоянной температуре Kд не меняется. Меняется равновесный состав раствора и обычно возрастает степень диссоциации.
Как по величине Kд оценить силу слабого электролита?
Для одного и того же типа равновесия при одинаковой температуре большее Kд обычно означает более заметную диссоциацию при сопоставимых условиях. Сравнивать следует константы, записанные для корректно сопоставимых реакций.
Когда можно пользоваться законом разбавления Оствальда?
Его применяют к растворам слабых электролитов, когда диссоциация обратима, а концентрации частиц можно описывать законом действующих масс. При малой степени диссоциации используют приближение 1 − α ≈ 1.
§ 25. Константа диссоциации
