Реакция нейтрализации. Реакция нейтрализации: определение, примеры, применение

Существующее в неорганической химии понятие “реакция нейтрализации” подразумевает химический процесс, в котором взаимодействуют вещества с кислотными и основными свойствами, в результате чего происходит потеря участниками реакции и тех и других характерных химических свойств. Реакция нейтрализации в микробиологии имеет то же глобальное значение, продукты ее теряют свои биологические свойства. Но, разумеется, это совершенно иной процесс с другими участниками и итогами. И биологическое свойство, о котором идет речь и которое прежде всего интересует врачей и ученых, — это способность микроорганизма вызывать заболевание или гибель восприимчивого животного.

Области применения

Чаще всего этот метод исследования используется для идентификации вирусов, то есть диагностики вирусных заразных болезней. Причем тест может быть направлен как на выявление самого возбудителя, так и антител к нему.

В бактериологии эту методику обычно применяют для выявления антител к ферментам бактерий, таких как антистрептолизины, антистафилолизины, антистрептокиназы.

Каким образом проводится этот тест

Реакция нейтрализации основана на способности антител — особых иммунных белков крови — нейтрализовать антигены — чужеродные агенты, попадающие в организм. Если необходимо обнаружение возбудителя и его идентификация, тогда смешивают стандартную иммунную сыворотку, содержащую антитела, с биологическим материалом. Полученная смесь выдерживается в термостате нужное время и вводится в живую восприимчивую систему.

Таковыми являются лабораторные животные (крысы, мыши), куриные эмбрионы, культуры клеток. При отсутствии биологического действия (болезни или смерти животного) можно сделать вывод о том, что это именно тот вирус, стандартную сыворотку к которому использовали. Так как, как уже было сказано, признаком того, что реакция прошла, является потеря вирусом биосвойств (способности вызывать смерть животного) вследствие взаимодействия антител сыворотки и антигенов вируса. При определении токсических веществ алгоритм действий тот же, но есть варианты.

Если исследуют какой-либо субстрат, содержащий токсин, тогда его смешивают со стандартной сывороткой. В случае изучения последней применяют контрольное токсическое вещество. Чтобы пошла реакция нейтрализации, эта смесь также инкубируется заданное время и вводится восприимчивой системе. Техника оценки результата точно такая же.

В медицинской и ветеринарной практике используемая как диагностический тест реакция нейтрализации вирусов проводится в так называемой методике парных сывороток.

Это способ подтверждения диагноза какого-либо вирусного заболевания. Для его проведения у больного человека или животного берут дважды — в начале заболевания и через 14-21 дней после этого.

Если после проведения теста обнаруживается увеличение количества антител к вирусу в 4 и более раза, то диагноз можно считать подтвержденным.

Взаимодействие кислоты и основания с образованием соли и воды называется реакцией нейтрализации. Обычно подобные реакции протекают с выделением тепла.

Общее описание

Суть нейтрализации состоит в том, что кислота и основание, обмениваясь активными частями, нейтрализуют друг друга. В результате образуется новое вещество (соль) и нейтральная среда (вода).

Простым и наглядным примером реакции нейтрализации является взаимодействие соляной кислоты и гидроксида натрия:

HCl + NaOH → NaCl + H 2 O.

Если опустить лакмусовую бумажку в раствор соляной кислоты и гидроксида натрия, то она окрасится в фиолетовый цвет, т.е. покажет нейтральную реакцию (красный - кислая среда, синий - щелочная среда).

Раствор двух активных соединений превратился в воду за счёт обмена натрием и хлором, поэтому ионное уравнение данной реакции выглядит следующим образом:

H + + OH - → H 2 O.

После нагревания получившегося раствора вода испарится, а в пробирке останется поваренная соль - NaCl.

Рис. 1. Образование соли после выпаривания.

В подобных реакциях вода - обязательный продукт.

Примеры

Реакция нейтрализации может происходить между сильными и слабыми кислотами и щелочами. Рассмотрим два типа реакций:

необратимые реакции - образованная соль не распадается на составляющие вещества - кислоту и щёлочь (протекают в одну сторону);
обратимые реакции - образованные соединения способны распадаться на изначальные вещества и вновь взаимодействовать (протекают в обе стороны).

Примером первого вида реакций является взаимодействие сильной кислоты с сильным основанием:

H 2 SO 4 + 2KOH → K 2 SO 4 + 2H 2 O;
HNO 3 + KOH → KNO 3 + H 2 O.

Обратимые реакции протекают при нейтрализации слабой кислоты сильным основанием, а также слабого основания слабой кислотой:

H 2 SO 3 + 2NaOH ↔ Na 2 SO 3 + 2H 2 O;
Fe(OH) 3 + H 3 PO 4 ↔ FePO 4 + 3H 2 O.

Слабые нерастворимые или слаборастворимые основания (Fe(OH) 3 , Fe(OH) 2 , Mg(OH) 2 , Zn(OH) 2) также нейтрализуются сильной кислотой. Например, гидроокись меди не растворяется в воде, но при взаимодействии с азотной кислотой образует соль (нитрат меди) и воду:

Cu(OH) 2 + 2HNO 3 ↔ Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O.

Рис. 2. Взаимодействие гидроокиси меди с кислотой.

Реакции нейтрализации экзотермичные, они протекают с выделением тепла.

Использование

Реакции нейтрализации - основа титриметрического анализа или титрования. Это метод количественного анализа концентрации веществ. Метод используется в медицине, например, для определения кислотности желудочного сока, а также в фармакологии.

Рис. 3. Титрование.

Кроме того, важно практическое применение нейтрализации в лаборатории: при проливе кислоты её можно нейтрализовать щёлочью.

Что мы узнали?

Реакция, при которой кислота и основание образуют соль и воду, называется нейтрализацией. Эта реакция возможна между любыми кислотами и основаниями: сильной кислотой и сильной щёлочью, слабой кислотой и слабым основанием, сильным основанием и слабой кислотой, слабым основанием и сильной кислотой. Реакция протекает с выделением тепла. Нейтрализация применяется в медицине и фармакологии.

Реакции нейтрализации (процесс взаимодействия кислоты и основания) сопровождаются тепловым эффектом. В результате получается соль и вода. Реакции нейтрализации протекают необратимо только в случае нейтрализации сильных кислот сильными основаниями.

например:

K + + OH - + H + + Cl - = K + + Cl - + H 2 O

Необратимость таких реакций обусловлена тем, что в образующихся системах единственным и весьма малодиссоциированным соединением является вода. Ионная форма уравнения в этом случае имеет вид.

Н + + ОН - = Н 2 О

Исключение составляют такие реакции, которые сопровождаются кроме воды образованием трудно растворимого соединения, например:

Ва 2+ + 2ОН - + 2Н + + SO 4 2- =  ВаSO 4 + 2H 2 O

При этом, если в реакции участвуют строго эквивалентные количества сильной кислоты и сильной щелочи, то концентрации ионов Н + и ОН - сохраняют значения такие же как и в воде, т.е. среда становится нейтральной. Установлено, что при нейтрализации одного эквивалента сильной кислоты (щелочи) одним эквивалентом сильной щелочи (кислоты) выделяется всегда 57,22 кДж (13,7ккал). Например:

NаОН + НСl -= NаСl + Н 2 О, H= - 13,7 ккал

Это происходит потому, что реакция нейтрализации сильной кислоты (щелочи) сильной щелочью (кислотой) всегда будет сопровождаться реакцией образования воды, а теплота образования одного моля вода из ионов равна 57,22 кДж (13,7 ккал).

При нейтрализации слабой кислоты (щелочи) сильной щелочью (кислотой) будет выделяться больше или меньше,чем 57,22 кДж (13,7 ккал) количества тепла (приложение табл. I).

Примеры других типов реакции нейтрализации

слабой кислоты сильным основанием:

СН 3 СООН + КОН  СН 3 СОOK +Н 2 О

СН 3 СООН + ОН -  СН 3 СОO - +Н 2 O

слабого основания сильной кислотой:

NН 4 ОН + НNО 3  NH 4 NО 3 + Н 2 О

NН 4 ОН +Н +  NH 4 + +Н 2 О

3) слабого основания слабой кислотой:

NН 4 OН +СН 3 СООН  СН 3 СООNH 4 +Н 2 O

NН 4 OН +СН 3 СООН  NH 4 + + СН 3 СОО - + Н 2 O

В образующихся системах равновесие сильно смещено вправо, т.е. в сторону образования воды, но не до конца, так как вода в них не единственное малодиссоциированное вещество.

При строго эквивалентных количествах, первая система имеет слабощелочную, вторая - слабокислую, а третья - нейтральную реакции. В последнем случае нейтральность системы не означает, что эта реакция протекает необратимо, а является следствием равенства констант диссоциации NН 4 OН и уксусной кислоты.

Задание

Опыт 1.

Нейтрализация серной кислоты едким натром в две стадии.

1) в калориметр отмерить 50мл одномолярного растворасерной кислоты Н 2 S0 4 ;

2) измерить температуру раствора кислоты t 1 в калориметре;

3) быстро (и без потерь) влить в кислоту 25 мл двумолярного раствора щелочи NaOH из сосуда и осторожно перемешать полученный раствор кислой соли NаHS0 4 (объем V1);

4) определить температуру t 2 раствора после реакции, которая протекает по уравнению:

H 2 SO 4 + NaOH = NaНSO 4 + H 2 O H 1 = ? (1)

где H 1 - теплота реакции;

5) определить разность температур t 1 = t 2 – t 1 и объем V 1 полученного раствора;

6) к полученному раствору NaНSO 4 быстро прилить оставшиеся 25 мл раствора щелочи, перемешать и определить температуру раствора t 3 . В данном случае кислая соль превращается в среднюю по реакции:

NaHSO 4 + NaOH = Na 2 SO 4 + H 2 O H 2 = ? (2)

где H 2 - теплота реакции;

7) определить разность температур t 2 = t 3 – t 2 и объем V 2 полученного раствора;

8) результаты опыта занести в табл. 1;

Таблица 1

________________________________________________________________

| 50 | 25 | t 1 | 1.09 (V1) | 5.02 (V1) | H 1 |

| | 25 | t 2 | 1.12 (V2) | 6.28 (V) | H 2 |

|________________________________________________________________|

Опыт 2.

Нейтрализация серной кислоты едким натром в одну стадию.

Проводить опыт в следующем порядке:

1) в калориметр отмерить 50мл одномолярного растворасерной кислоты Н 2 S0 4 ;

2) измерить температуру раствора кислоты t 4 в калориметре;

3) быстро (и без потерь) влить в кислоту 50 мл двумолярного раствора щелочи NaOH из сосуда и осторожно перемешать полученный раствор средней соли Nа 2 S0 4 ;

4) определить температуру t 5 раствора реакции полной нейтрализации,

H 2 SO 4 + 2 NaOH = Na 2 SO 4 + 2 H 2 O: H 3 (3)

где H 3 - теплота реакции;

5) определить разность температур t 3 = t 5 – t 4 и объем V 3 полученного раствора;

6) результаты опыта занести в табл. 2;

Таблица 2 ___

_____________________________________________________________

|________________________________________________________________|

| 50 | 50 | t 3 | 1.12 | C3 = 6.28 | H 3 |

|________________________________________________________________|

9) вычислить энтальпию (H 1 , H 2 ,H 3) реакции нейтрализации по формуле:

10) вычислить суммарную теплоту H 1 + H 2 реакции нейтрализации;

11) сравнить значение суммарной теплоты реакции H 1 + H 2 со значением H 3 и сделать соответствующие выводы;

12) вычислить абсолютную и относительную ошибки определения теплоты реакции (3);

13) записать уравнение реакции (1, 2 и 3) в виде термохимических уравнений.

Результаты работы

Проведем опыт нейтрализации серной кислоты едким натром в две стадии

Таблица 1

Проведем опыт нейтрализации серной кислоты едким натром в одну стадию

по схеме описанной выше, а результаты измерений занесем в таблицу.

Таблица 2

Вычислим энтальпию (H 1 , H 2 ,H 3) реакции нейтрализации по формуле:

H = V * d * C * t * 10 * 0.001,

где H - соответствующая теплота реакции; V - объем полученного раствора соли, мл; d - плотность данного раствора, г/см 3 ; С - удельная теплоемкость раствора, Дж(ккал); t - соответствующая разность наблюдаемых температур до реакции и после реакции, °С; 10 - коэффициент пересчета теплоты реакции на один эквивалент, взятой для нейтрализации кислоты; 0,001 - коэффициент пересчета, кДж (ккал);

H 1 = 75 * 1.09 * 5.02 * * 10 * 0.001 = 40.92 кДж

H 2 = 100 * 1.12 * 6.28 * * 10 * 0.001 = 19.06 кДж

H 3 = 100 * 1.12 * 6.28 * * 10 * 0.001 = 60.77 кДж

Вычислим суммарную теплоту H 1 + H 2 реакции нейтрализации:

H 1 H 2 = 59.98 кДж

Сравнивая значение суммарной теплоты реакции H 1 + H 2 со значением H 3 видим, что они практически равны. Этот говорит о том, что тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении или при постоянном объеме, не зависит от пути реакции, а зависит только от природы исходных и конечных веществ и их состояния (закон Гесса).

Вычислим абсолютную и относительную ошибки определения теплоты реакции (3).

Стандартная теплота образования моля воды составляет H 0 = 57,22 кДж.

Абсолютная погрешность определения теплоты реакции:

|H 3 -H 0 | = |60,77 – 57,22| = 3,55 кДж.

Относительная погрешность определения теплоты реакции:

|H 3 -H 0 | /H 0 = 3,55/57,22 = 6,2 %

Запишем уравнения реакций (1, 2 и 3) в виде термохимических уравнений:

H 2 SO 4 + NaOH = NaНSO 4 + H 2 O, H 1 = 41 кДж;

NaHSO 4 + NaOH = Na 2 SO 4 + H 2 O, H 2 = 19 кДж;

H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2H 2 O, H 3 = 61 кДж.

Вывод по работе

Основной принцип, на котором основываются все термохимические расчеты, установлен в 1840г русским химиком, академиком Г И Гессом. Этот принцип, известный под названием закона Гесса и являющейся частным случаем закона сохранения энергии, можно сформулировать так «Тепловой эффект реакции за- висит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. И это мы доказали при приготовлении раствора сульфата натрия из растворов серной кислоты гидроксида натрия двумя способами.

Итог:

Согласно закону Гесса, тепловой эффект в обоих случаях один и тот же.

В уроке 17 «» 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»

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 — → H 2 O

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 HNO 3 , 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 H 2 SO 4 способна высвобождать два иона H + на молекулу, 1 молю H 2 SO 4 соответствуют два эквивалента, и поэтому в реакциях кислотно-основной нейтрализации грамм-эквивалент серной кислоты равен половине ее молекулярной массы. Грамм-эквивалент фосфорной кислоты H 3 PO 4 , 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 NH 3 , 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 HNO 3 необходимо для нейтрализации 100,0 г Ba(OH) 2 .

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 HNO 3:

1,167 экв × 63,01 г/экв = 73,53 г HNO 3

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

2HNO 3 + Ba(OH) 2 → Ba(NO 3) 2 + 2H 2 O

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 HNO 3

А в граммах это составит:

1,167 моля × 63,01 г/моль = 73,53 г HNO 3

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

Или нормальность раствора (н. ) показывает, сколько эквивалентов вещества содержится в 1 л его раствора. Например, по аналогии с молярной концентрацией, 1,00 М раствор H 3 PO 4 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.

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 H 2 SO 4 . Определите молярность и нормальность данного раствора.

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 H 2 SO 4 .

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