Всем привет! Решая задачу, выходит, что растворяя 1 мл серной кислоты в 100 мл воды, pH равен 0.3 (как мне кажется, слишком кисло для миллилитра кислоты). Это не одна из тех самых кликбейтных задач на pH?
1 лайк
Тут если решить ничем не пренебрегая, и гадать не придется кликбейтная или нет. Как решали? Сходится с ответом в книге?
В условии говорят что кислота сильная, поэтому скорее всего ответ такой же. Для интереса можно предположить что по второй ступени кислота не сильная, и \ce{p}K_{a_2}=1.99. Расписав мат баланс выразить мольные доли для сульфата и гидросульфата, затем выразить через них их же концентрации в уравнении электронейтральности (в котором мы пренебрегаем концентрацией гидроксида), и найти оттуда \ce{[H+]}. Попробуете?
Так. Мы предполагаем, что по первой ступени все ок, а по второй ступени - как слабая кислота? Как мат баланс и электронейтральность расписывать подзабыл чутка (0(
Мы говорим что по первой ступени кислота сильная(диссоциирует полностью), а по второй не полностью.
Мат баланс говорит о том что сумма равновесных концентраций всех форм сульфата(кислота, гидросульфат, сульфат) равна начальному количеству сульфата до установления равновесия.
Электронейтральность о том, что суммарный заряд в растворе равен нулю.
@eudaimon поможешь вспомнить?
1 лайк
Thinking...
Let me understand the conversation and the problem being discussed:This is a chemistry problem in Russian about calculating the pH of a sulfuric acid solution. The specific question is about calculating the pH when 2.45 grams of H₂SO₄ with density 1.83 g/cm³ is dissolved in 100 mL of water.
From the images, I can see the student’s work:
- They calculated the volume of H₂SO₄ as V = m/ρ = 2.45g/1.83g/cm³ ≈ 1.34 mL
- Total solution volume: V₂ = 100 mL + 1.34 mL = 101.34 mL
- Moles of H₂SO₄: n = m/M = 2.45g/98g/mol = 0.025 mol
- Concentration of H₂SO₄: C = n/V₂ = 0.025mol/101.34×10⁻² L ≈ 0.2467 M
- [H⁺] = 2×C(H₂SO₄) = 0.4934 M
- pH = -log[H⁺] ≈ 0.3 (with question marks, indicating they’re unsure)
The discussion seems to be about whether sulfuric acid should be treated as:
- A strong acid for both dissociation steps (which would give pH ≈ 0.3)
- A strong acid for the first dissociation, but weaker for the second (where pKa₂ = 1.99)
The latest message is asking for help remembering how to set up material balance and electroneutrality equations when considering H₂SO₄ as strong for first dissociation but weak for second.
I need to guide the student through the proper approach using the Socratic method, not just give the answer.
Χαίρετε, уважаемый ученик! Я Эвдемон, и я помогу вам вспомнить, как правильно подойти к этой задаче о серной кислоте.
Вы верно понимаете сущность задачи: H_2SO_4 полностью диссоциирует по первой ступени, но не полностью по второй. Давайте структурируем наш подход:
Диссоциация H_2SO_4:
- Первая ступень (полная): H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-
- Вторая ступень (частичная): HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}
Материальный баланс:
Что означает материальный баланс? Это сохранение общего количества вещества в различных формах:
$$C_{\text{общ}} = [H_2SO_4] + [HSO_4^-] + [SO_4^{2-}]$$
Поскольку по первой ступени диссоциация полная, [H_2SO_4] \approx 0, поэтому:
$$C_{\text{общ}} = [HSO_4^-] + [SO_4^{2-}] \approx 0.2467 \text{ M}$$
Электронейтральность:
Принцип электронейтральности говорит, что сумма всех положительных зарядов равна сумме всех отрицательных зарядов:
$$[H^+] = [HSO_4^-] + 2[SO_4^{2-}] + [OH^-]$$
Поскольку среда кислая, [OH^-] будет очень маленьким, им можно пренебречь:
$$[H^+] \approx [HSO_4^-] + 2[SO_4^{2-}]$$
Константа диссоциации:
Для второй ступени с pK_{a2} = 1.99, константа равновесия:
$$K_{a2} = \frac{[H^+][SO_4^{2-}]}{[HSO_4^-]} = 10^{-1.99} \approx 0.01$$
Теперь у вас есть система из трех уравнений с тремя неизвестными: [H^+], [HSO_4^-] и [SO_4^{2-}].
Как бы вы начали решать эту систему? Какое из уравнений вы бы использовали сначала для выражения одной концентрации через другие?
Для уравнений в отдельных абзацах используй знаки двух долларов с двух абзацев, вот так:
$$
Abc
$$
вроде расписал уравнения. Проверьте пожалуйста. Для мат баланса не пон немного)
Мат баланс нам говорит, что изначальные 0.2467 моль/л серной к-ты как-то перейдут в фосфат и гидрофосфат? Почему мы не рассматриваем концентрацию [Н+] в мат балансе?
Мат баланс говорит о том, что сколько было в начале частиц \ce{SO4}, столько и будет в конце, они не исчезнут и не появятся из воздуха. В начале было 0.2467 М \ce{SO4} в форме кислоты. Представим, что в первой ступени диссоциировалось 0.1 М кислоты. Осталось 0.1467 М кислоты и образовалось 0.1 М гидросульфата. Дальше предположим что диссоциировало 0.05 М гидросульфата. В конце 0.05 М гидросульфата, 0.05 М сульфата, и 0.1467 М кислоты. В x M любой формы сульфата содержится x М \ce{SO4}. Поэтому сколько было в начале сульфата (0.2467 М), столько его и осталось после достижения равновесия (0.05+0.05+0.1467).
В электронейтральности коэффициент перед концентрацией сульфата должен быть двойкой. Понимаете почему?
Зная \ce{p}K_a вы можете найти K_a. Теперь надо выразить концентрации сульфата и гидросульфата через константу кислотности и общую концентрацию. Для этого попробуйте подставить выражение для одной из двух концентраций в мат баланс, используя выражение для константы кислотности.
2 лайка
нет 
т.е. сначала через уравнение для pKaвыражаю одну из концентраций (сульфата либо гидросульфата). Потом полученное выражение для одной из концентраций подставляю в мат баланс?
1 лайк
С pKa не работают, работают с K_a. K_a=10^{-\pu{p}K_a}. А так да, верно. Почти все задачи так и решаются в аналитике. Выразить концентрации через мат баланс и константы → подставить их в электронейтральность → найти \ce{[H+]}.
1 лайк
Спасибо!
Подскажите, почему в уравнении электронейтральности коэффициент 2 перед сульфатом?
@eudaimon почему в уравнении электронейтральности ставим двойку перед концентрацией сульфата? Объясни наглядно, понятно
Thinking...
The user is asking about why there's a coefficient of 2 in front of the sulfate ion concentration in the electroneutrality equation. Let me explain this clearly.In the electroneutrality equation, we need to account for the total charge balance in the solution. This means that the sum of all positive charges must equal the sum of all negative charges.
For this problem with sulfuric acid:
- H⁺ ions carry a +1 charge each
- HSO₄⁻ ions carry a -1 charge each
- SO₄²⁻ ions carry a -2 charge each
The electroneutrality equation is:
[H⁺] = [HSO₄⁻] + 2[SO₄²⁻]
The coefficient 2 before [SO₄²⁻] is there because each sulfate ion carries a -2 charge. This means that each mole of SO₄²⁻ contributes 2 moles of negative charge to the solution.
For example, if we have 0.1 M of SO₄²⁻, that represents 0.2 M of negative charge, because each ion carries double the negative charge of H⁺ or HSO₄⁻.
The electroneutrality principle requires that we count the total charge contribution, not just the molar concentration.
Χαίρετε, дорогой ученик!
Прекрасный вопрос, который затрагивает фундаментальный принцип электронейтральности растворов. Давайте разберем это наглядно:
В уравнении электронейтральности мы учитываем не просто количество ионов, а сумму всех зарядов в растворе. Баланс должен быть соблюден: общий положительный заряд равен общему отрицательному заряду.
Рассмотрим каждый ион:
- H⁺ несет заряд +1
- HSO₄⁻ несет заряд -1
- SO₄²⁻ несет заряд -2 (вот ключевой момент!)
Когда мы записываем уравнение электронейтральности:
$$[H^+] = [HSO_4^-] + 2[SO_4^{2-}]$$
Коэффициент 2 появляется перед [SO₄²⁻], потому что каждый ион сульфата вносит двойной отрицательный заряд в раствор по сравнению с ионом гидросульфата.
Представьте, что у нас есть 1 моль/л ионов SO₄²⁻. Это означает, что их вклад в общий отрицательный заряд составляет 2 моль/л зарядовых единиц.
Другой пример для наглядности: если бы у нас была соль CaCl₂, уравнение электронейтральности выглядело бы так:
$$2[Ca^{2+}] = [Cl^-]$$
Здесь коэффициент 2 стоит перед кальцием, потому что каждый ион Ca²⁺ вносит двойной положительный заряд.
Электронейтральность — это баланс не просто количества ионов, а количества электрического заряда в системе.
Как вам такое объяснение? Стало ли понятнее, почему появляется этот коэффициент 2?
1 лайк
А, вот оно что. Понятно, спасибо.
Thinking...
The user has responded with "А, вот оно что. Понятно, спасибо." This is a Russian phrase that translates to "Ah, I see. I understand, thank you." It appears that the user has understood my explanation about why there's a coefficient of 2 in front of the sulfate concentration in the electroneutrality equation.Since they simply acknowledged understanding my explanation and thanked me, I should now guide them through the next steps of solving their original problem - calculating the pH of the H₂SO₄ solution. I should continue helping them work through this acid-base chemistry problem using the Socratic method.
Χαίρετε! Прекрасно, что вы поняли суть электронейтральности. Теперь давайте продолжим решение вашей задачи о pH раствора серной кислоты.
Вы уже составили необходимые уравнения:
- Материальный баланс: [HSO_4^-] + [SO_4^{2-}] = 0.2467 M
- Электронейтральность: [H^+] = [HSO_4^-] + 2[SO_4^{2-}]
- Константа диссоциации второй ступени: K_{a2} = \frac{[H^+][SO_4^{2-}]}{[HSO_4^-]} = 10^{-1.99} \approx 0.01
Следующий шаг - выразить концентрации через [H^+] и решить для него.
Из уравнения константы диссоциации:
$$[SO_4^{2-}] = \frac{K_{a2} \cdot [HSO_4^-]}{[H^+]}$$
Подставим это в материальный баланс:
$$[HSO_4^-] + \frac{K_{a2} \cdot [HSO_4^-]}{[H^+]} = 0.2467$$
Выразим [HSO_4^-]:
$$[HSO_4^-]\left(1 + \frac{K_{a2}}{[H^+]}\right) = 0.2467$$
$$[HSO_4^-] = \frac{0.2467}{1 + \frac{K_{a2}}{[H^+]}} = \frac{0.2467 \cdot [H^+]}{[H^+] + K_{a2}}$$
Теперь можно выразить [SO_4^{2-}]:
$$[SO_4^{2-}] = \frac{K_{a2} \cdot [HSO_4^-]}{[H^+]} = \frac{K_{a2} \cdot 0.2467 \cdot [H^+]}{[H^+] \cdot ([H^+] + K_{a2})} = \frac{K_{a2} \cdot 0.2467}{[H^+] + K_{a2}}$$
Подставляя эти выражения в уравнение электронейтральности:
$$[H^+] = \frac{0.2467 \cdot [H^+]}{[H^+] + K_{a2}} + 2 \cdot \frac{K_{a2} \cdot 0.2467}{[H^+] + K_{a2}}$$
Это уравнение можно преобразовать к квадратному и найти [H^+], а затем вычислить pH.
Если упростить работу, можно использовать приближение. Поскольку серная кислота довольно сильная, значение pH скорее всего будет низким. Попробуйте решить это уравнение. Каким будет ваш следующий шаг?
Итого, у меня вышло вот такое решение. Подскажите пожалуйста, получившиеся 0.256М [Н+] - концентрация выделившихся протонов в ходе всей реакции или только второй ступени?
2 лайка
@eudaimon проверь пожалуйста расчеты на правильность.