Условие задачи
Укажите черты сходства и различии в составе растворов фосфата натрия и фосфорной кислоты. Дайте обоснованный ответ.
Решение
Дисциплина, к которой относится данная задача, – неорганическая химия (конкретно – химия растворов, кислотно-основная химия).
Ниже приводится подробное решение с объяснением сходств и различий в составе растворов фосфата натрия и фосфорной кислоты.
1. Исходные вещества и их формулы
• Фосфат натрия имеет формулу Na₃PO₄. При растворении в воде это соль, состоящая из катионов натрия (Na⁺) и аниона фосфата (PO₄³⁻).
• Фосфорная кислота имеет формулу H₃PO₄. Это слабая кислота, которая в водном растворе частично диссоциирует, отдавая протон (H⁺) поэтапно.
2. Диссоциация в водном растворе
• Для раствора соли фосфата натрия действует правило сильных оснований и сильных солей – соль диссоциирует практически полностью:
Na₃PO₄ → 3 Na⁺ + PO₄³⁻.
Таким образом, состав раствора определяется стабильными ионами Na⁺ и PO₄³⁻.
• Для фосфорной кислоты протекает многоступенчатая диссоциация (так как кислота – полипротоновая), но она не происходит полностью:
Первый этап: H₃PO₄ ⇌ H⁺ + H₂PO₄⁻.
Второй этап: H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺ + HPO₄²⁻.
Третий этап: HPO₄²⁻ ⇌ H⁺ + PO₄³⁻.
На практике в растворе преобладают недиссоциированные молекулы H₃PO₄, а также ионы H⁺, H₂PO₄⁻ и HPO₄²⁻ в зависимости от концентрации и pH.
3. Сходства
• Оба раствора содержат фосфор и кислород. В составе каждого присутствует фосфатный фрагмент:
– В растворe Na₃PO₄ непосредственно имеется PO₄³⁻.
– В растворе H₃PO₄, при диссоциации, образуются ионы, содержащие тот же фосфатный «ядро» (H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, а в крайнем случае — PO₄³⁻).
• Оба вещества при растворении в воде участвуют в равновесных процессах, связанных с диссоциацией ионов, что определяет их химическое поведение в растворе.
4. Различия
• Состав раствора:
– Раствор Na₃PO₄ содержит катионы натрия (Na⁺) и фосфат-анионы (PO₄³⁻), что делает его составом чистой соли.
– Раствор H₃PO₄ состоит из недиссоциированных молекул фосфорной кислоты и продуктов её частичной диссоциации (ионы H⁺, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻). При этом ионов натрия в составе раствора фосфорной кислоты нет, если она не содержит примесей.
• Кислотно-основные свойства:
– Раствор фосфата натрия является основным (щелочным), так как анион PO₄³⁻ гидролизует воду:
PO₄³⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + OH⁻.
Образование гидроксид-ионов (OH⁻) повышает pH раствора.
– Раствор фосфорной кислоты характеризуется кислыми свойствами, так как H₃PO₄ (а также её диссоциированные ионы) способствуют увеличению концентрации ионов водорода (H⁺) в растворе, снижая pH.
• Степень диссоциации:
– Соль Na₃PO₄ диссоциирует практически полностью, поэтому состав раствора определяется точным соотношением ионов.
– Фосфорная кислота диссоциирует частично, и равновесные концентрации её ионов зависят от концентрации кислоты и условий раствора (например, pH, температура).
5. Обоснованный вывод
В обоих растворах присутствует фосфатный фрагмент, что является сходством. Однако принципиальное отличие заключается в том, что раствор фосфата натрия является раствором сильной соли, где вещество полностью диссоциирует на ионы натрия (Na⁺) и фосфат (PO₄³⁻), в то время как фосфорная кислота – слабая кислота, которая при растворении частично диссоциирует, создавая систему ионов протонов (H⁺) и различных видов фосфат-анионов (H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻). Это приводит к противоположным кислотно-основным свойствам: раствор Na₃PO₄ щелочной, а раствор H₃PO₄ – кислый.
Таким образом, сходство заключается в наличии фосфатного компонента, а различия – в составе ионов, степени диссоциации и, следовательно, в кислотно-основном поведении растворов.