Водородный показатель

Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электрической проводимостью, которая и объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы: H₂O=H⁺+OH^-. По величине электрической проводимости чистой воды можно вычислить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде. При 25 °С она равна 10^-7 моль/л. Напишем выражение для константы диссоциации воды:

К=[H⁺][OH^-]/[H₂O]

Перепишем это уравнение следующим образом:

К[H₂O] =[H⁺][OH^-]

Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленых водных растворов при неизменной температуре произведение концентрата иона водорода и гидроксид-ионоз есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. В чистой воде при 25 °С [Н⁺] = [ОН^-] = 1*10^-7 моль/л. Поэтому для указанной температуры

К_H20=10^-7*10^-7=10^-14

Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами.

Если, например, к чистой воде добавить столько кислоты, чтобы концентрация ионов водорода повысилась до 10^-3 моль/л, то концентрация гидроксид-ионоз понизится так, что произведение [Н⁺] [ОН^-] останется равным 10^-14. Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет: [ОН^-] =10^-11 моль/л

Наоборот, если добавить к воде щелочи и тем повысить концентрацию гидроксид-ионов, например, до 10^-5 моль/л, то концентрация ионов водорода составит:

[ОН^-] =10^-9 моль/л.

Нейтральный раствор [Н⁺]=10^-7 моль/л

Кислый раствор [Н⁺]>10^-7 моль/л

Щелочной раствор [Н⁺]<10^-7 моль/л

Кислотность или щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем

и обозначается через pH: РН = - lg [Н⁺]. Например, если [Н⁺] =10^-5 моль/л, то pH = 5; если [Н⁺] = 10^-9 моль/л, то pH = 9. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе ([ Н ⁺] = 1 0^-7 моль/л) pH = 7. В кислых растворах pH < 7, и тем меньше, чем кислее раствор. Наоборот, в щелочных растворах pH > 7, и тем больше, чем больше щелочность раствора.

Для измерения pH существуют различные методы. Приближенно реакцию раствора можно определить с помощью специальных реактивов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространенные индикаторы — метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин.

Для многих процессов значение pH играет важную роль. Так, pH крови человека и животных имеет строго постоянное значение. Растения могут нормально произрастать лишь при значениях pH почвенного раствора, лежащих в определенном интервале, характерном для данного вида растения. Свойства природных вод, в частности их коррозионная активность, сильно зависят отих pH.

Гидролиз солей

Взаимодействие солей с водой, в результате которого образуются кислота (или кислая соль) и основание (или основная соль), называется гидролизом солей.

. Примером гидролиза может служить взаимодействие хлорида фосфора(III) РСl₃ с водой. В результате этой реакции образуются фосфористая кислота Н₃PO₃

и соляная кислота: РСl₃ + ЗН₂O= Н₃PO₃ + ЗНСl

В реакции гидролиза вступают соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием, или слабой кислотой и сильным основанием, или слабым основанием и сильной кислотой. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются; нейтрализация в этом случае сводится к процессу H⁺+OH^-=H₂O,а обратная реакция — диссоциация молекулы воды на ионы протекает в ничтожно малой степени.

Рассмотрим гидролиз соли, образованной одноосновной кислотой и одновалентным металлом. В качестве примера возьмем ацетат натрия — соль слабой кислоты и сильного основания. Уравнение гидролиза этой соли имеет вид CH₃COONa+H₂O=CH₃COOH+NaOH

CH₃COO^-+ H₂O= CH₃COOH+OH^-. Уравнение показывает, что в данном случае гидролизу подвергается анион соли и что реакция сопровождается образованием ионов ОН^-. Следовательно, растворы солей, образованных слабой кислотой и сильным основанием, имеют щелочную реакцию.

Аналогично в случае соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, гидролизу подвергается катион соли и реакция сопровождается образованием нонов Н⁺, например

NH₄Cl+H₂O=NH₄OH+HCl

NH₄⁺+ H₂O= NH₄OH+H⁺

Накопление ионов Н⁺ приводит к уменьшению концентрации ионов ОН^-. Таким образом, растворы солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой, имеют кислую реакцию.

Запишем уравнение гидролиза в общем виде. Пусть НА — киcлота, МОН — основание, МА — образованная ими соль. Тогда уравнение гидролиза будет иметь вид: М А + H₂O=Н А + М О Н

Этому равновесию отвечает константа: K=[HA][MOH]/[MA][ H₂O]. Величина К называется константой гидролиза соли. Ее значение характеризует способность данной соли подвергаться гидролизу; чем больше К, тем в большей степень (при одинаковых температуре и концентрации соли) протекает гидролиз.

Рассмотрим теперь гидролиз солей, образованных слабой многоосновной кислотой или слабым основанием многовалентного металла. Гидролиз таких солей протекает ступенчато. Так, первая

ступень гидролиза карбоната натрия протекает согласно уравнению

Na₂CO₃+ H₂O= NaHCO₃+NaOH

CO₃^2- + H₂O=H₂CO₃^- +OH

Образовавшаяся кислая соль в свою очередь подвергается гидролизу (вторая ступень гидролиза)

NaHCO₃+ H₂O= H₂CO₃+NaOH

HCO₃^- + H₂O= H₂CO₃ +OH^-

Аналогично проходит гидролиз солей, образованных слабым основанием многовалентного металла.

Например, гидролиз хлорида меди(II) протекает по первой ступени с образованием хлорида гидроксомеди

СиCl₂+ H₂O = CuOHCl + HCl

Cu²⁺ + H₂O = СиОН⁺ + Н⁺

Гидролиз по второй ступени происходит в ничтожно малой степени:

CuOHCl+ H₂O =(CuOH)₂+HCl

СиОН⁺ + H₂O =(CuOH)₂+H⁺

Итак, при гидролизе катиона образуются ионы Н+, а при гидролизе аниона — ионы О Н -.