Страница 87 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Лабораторный опыт. Определение реакции среды универсальным индикатором

Вам выданы пробирки с растворами следующих веществ: $HCl$, $CH_3COOH$, $NaCl$, $Na_2CO_3$, $NaOH$. Исследуйте среду каждого раствора: в каждую пробирку (по очереди) опустите стеклянную палочку (предварительно палочку промывайте водой), затем прикоснитесь ею к полоске индикаторной бумаги и сравните полученную окраску со шкалой. Запишите в тетрадь значение $pH$.

• Какие из растворов являются нейтральными, кислыми, щелочными?

• Сверьте полученные данные со справочными (см. табл. 4).

Решение

Для определения реакции среды каждого раствора необходимо проанализировать природу каждого вещества и его поведение в воде. Реакция среды определяется концентрацией ионов водорода $H^+$ (или гидроксония $H_3O^+$) и гидроксид-ионов $OH^-$ и выражается через водородный показатель $pH$.

• При $pH < 7$ среда кислая (избыток ионов $H^+$).

• При $pH = 7$ среда нейтральная (концентрации ионов $H^+$ и $OH^-$ равны).

• При $pH > 7$ среда щелочная (избыток ионов $OH^-$).

Проанализируем каждый раствор:

1. Раствор соляной кислоты ($HCl$)
   Соляная кислота — это сильная кислота. В водном растворе она полностью диссоциирует на ионы, создавая высокую концентрацию ионов водорода:
   $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$
   Следовательно, раствор будет иметь сильнокислую среду ($pH \ll 7$). Универсальный индикатор окрасится в красный цвет.

2. Раствор уксусной кислоты ($CH_3COOH$)
   Уксусная кислота — это слабая кислота. В водном растворе она диссоциирует обратимо, создавая небольшую избыточную концентрацию ионов водорода:
   $CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$
   Среда раствора будет кислой, но менее кислой, чем у соляной кислоты ($pH < 7$, но выше, чем у $HCl$ при той же концентрации). Индикатор окрасится в оранжевый или желто-оранжевый цвет.

3. Раствор хлорида натрия ($NaCl$)
   Хлорид натрия — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и сильной кислотой ($HCl$). В водном растворе эта соль полностью диссоциирует на ионы $Na^+$ и $Cl^-$. Ни один из этих ионов не подвергается гидролизу (не взаимодействует с водой с образованием $H^+$ или $OH^-$), поэтому соотношение концентраций ионов $H^+$ и $OH^-$ в воде не изменяется.
   Среда раствора будет нейтральной ($pH \approx 7$). Индикатор окрасится в зеленый цвет.

4. Раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$)
   Карбонат натрия — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой (угольной, $H_2CO_3$). В растворе происходит гидролиз по аниону ($CO_3^{2-}$):
   $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$
   В результате реакции в растворе накапливаются гидроксид-ионы $OH^-$, что создает щелочную среду ($pH > 7$). Индикатор окрасится в синий или сине-зеленый цвет.

5. Раствор гидроксида натрия ($NaOH$)
   Гидроксид натрия — это сильное основание (щелочь). В водном растворе он полностью диссоциирует на ионы, создавая высокую концентрацию гидроксид-ионов:
   $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$
   Раствор будет иметь сильнощелочную среду ($pH \gg 7$). Индикатор окрасится в темно-синий или фиолетовый цвет.

Какие из растворов являются нейтральными, кислыми, щелочными?

На основе теоретического анализа можно классифицировать растворы следующим образом:

• Кислые растворы (pH < 7): раствор соляной кислоты ($HCl$) и раствор уксусной кислоты ($CH_3COOH$).

• Нейтральный раствор (pH = 7): раствор хлорида натрия ($NaCl$).

• Щелочные растворы (pH > 7): раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$) и раствор гидроксида натрия ($NaOH$).

Ответ: Кислые среды в растворах $HCl$ и $CH_3COOH$, нейтральная – в растворе $NaCl$, щелочные – в растворах $Na_2CO_3$ и $NaOH$.

Сверьте полученные данные со справочными (см. табл. 4).

Сравним наши теоретические выводы с типичными справочными значениями pH для 0,1 М растворов данных веществ.

• $HCl$ (0,1 М): $pH = 1$. Это сильнокислая среда, что соответствует нашему выводу.

• $CH_3COOH$ (0,1 М): $pH \approx 2,9$. Это слабокислая среда, что соответствует нашему выводу.

• $NaCl$ (0,1 М): $pH = 7$. Это нейтральная среда, что соответствует нашему выводу.

• $Na_2CO_3$ (0,1 М): $pH \approx 11,6$. Это сильнощелочная среда, что соответствует нашему выводу о гидролизе.

• $NaOH$ (0,1 М): $pH = 13$. Это сильнощелочная среда, что соответствует нашему выводу.

Таким образом, результаты, которые должны быть получены в ходе лабораторного опыта, полностью согласуются со справочными данными и теоретическими представлениями о диссоциации и гидролизе.

Ответ: Теоретические прогнозы и результаты эксперимента полностью соответствуют справочным данным: $HCl$ и $CH_3COOH$ создают кислую среду; $NaCl$ – нейтральную; $Na_2CO_3$ и $NaOH$ – щелочную. При этом среды в растворах сильных кислот и оснований ($HCl$, $NaOH$) являются более выраженными (имеют более крайние значения pH), чем в растворах слабой кислоты ($CH_3COOH$) или соли, подвергающейся гидролизу ($Na_2CO_3$).