Номер 1117, страница 176 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1117. Фосфорная кислота в водном растворе диссоциирует ступенчато. На какой ступени диссоциации образуется больше всего ионов водорода? Поясните почему.

Решение

Фосфорная (ортофосфорная) кислота $H_3PO_4$ является трехосновной кислотой средней силы. В водном растворе она диссоциирует ступенчато, то есть отщепляет ионы водорода $H^+$ последовательно, в три стадии.

Первая ступень диссоциации описывается уравнением:

$H_3PO_4 \rightleftharpoons H^+ + H_2PO_4^-$

Константа диссоциации для этой ступени $K_{a1} \approx 7.1 \times 10^{-3}$.

Вторая ступень диссоциации, отщепление протона от дигидрофосфат-иона, происходит в значительно меньшей степени:

$H_2PO_4^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_4^{2-}$

Константа диссоциации для этой ступени $K_{a2} \approx 6.3 \times 10^{-8}$.

Третья ступень диссоциации протекает еще слабее:

$HPO_4^{2-} \rightleftharpoons H^+ + PO_4^{3-}$

Константа диссоциации для этой ступени $K_{a3} \approx 4.5 \times 10^{-13}$.

Сравнивая константы диссоциации, мы видим, что $K_{a1} \gg K_{a2} \gg K_{a3}$. Каждая последующая константа на несколько порядков меньше предыдущей. Это означает, что равновесие на каждой следующей ступени все сильнее смещено влево (в сторону недиссоциированных частиц).

Причина такого резкого уменьшения степени диссоциации заключается в увеличении электростатического притяжения. На первой ступени положительно заряженный протон $H^+$ отрывается от электронейтральной молекулы $H_3PO_4$. На второй ступени протон уже нужно оторвать от отрицательно заряженного аниона $H_2PO_4^-$, что требует больших затрат энергии из-за кулоновского притяжения. На третьей ступени протон отрывается от дважды заряженного аниона $HPO_4^{2-}$, где силы притяжения еще больше.

Таким образом, подавляющее большинство ионов водорода в растворе фосфорной кислоты образуется именно в результате первой ступени диссоциации.

Ответ: Больше всего ионов водорода образуется на первой ступени диссоциации фосфорной кислоты. Это объясняется тем, что константа диссоциации по первой ступени ($K_{a1}$) значительно больше констант диссоциации по второй ($K_{a2}$) и третьей ($K_{a3}$) ступеням. Отрыв протона от нейтральной молекулы $H_3PO_4$ происходит намного легче, чем от отрицательно заряженных анионов $H_2PO_4^-$ и $HPO_4^{2-}$, где протон удерживается силами электростатического притяжения.