Водородный показатель

Химически чистая вода является очень слабым электролитом, и лишь в незначительной степени диссоциирует на ионы в соответствии с уравнением:

Н₂О ⇄Н⁺+ OH^–

Процесс электролитической диссоциации воды, как и любого слабого электролита, может быть охарактеризован константой диссоциации:

Столь малое значение константы диссоциации воды свидетельствует о ничтожно малой концентрации водородных ионов и гидроксид-ионов в воде, т. е. о том, что вода является очень слабым электролитом. По данным измерения электропроводности химически чистой воды концентрация продиссоциировавших молекул воды составляет 10^-7моль/л. Пренебрегая этой величиной, можно считать концентрацию недиссоциированных молекул воды величиной постоянной и равной моль/л.

Таким образом, произведение концентраций водородных ионов и гидроксид-ионов также является величиной постоянной и называется ионным произведением воды (Кн₂о);

моль²/л²

Указанные значения константы диссоциации и ионного произведения воды соответствуют температуре 22° С. Так как процесс диссоциации воды является эндотермическим, то при повышении температуры равновесие реакции смещается вправо, т. е. в сторону образования ионов, и, следовательно, константа диссоциации и ионное произведение воды с повышением температуры увеличиваются. Так, при 100°С ионное произведение воды имеет значение .

Таким образом, в любых водных растворах концентрации ионов Н⁺ и OH^–связаны между собой значением Кн₂о.

Согласно теории электролитической диссоциации ионы Н⁺являются носителями кислотных свойств, а ионы ОН^- основных свойств. Поэтому раствор будет нейтральным, когда их концентрации будут равны, а именно:

моль/л.

Если концентрация водородных ионов больше концентрации гидроксид-ионов, т. е. и моль/л, то реакция среды кислая. Для щелочных растворов концентрация водородных ионов меньше концентрации гидроксид-ионов, т. е. и моль/л.

Таким образом, величина концентрации водородных ионов указывает на характер среды:

моль/л нейтральная среда;

моль/л кислая среда;

моль/л щелочная среда.

Обычно кислотность или щелочность раствора выражают не концентрацией водородных ионов, а величиной ее отрицательного десятичного логарифма. Эта величина называется водородным показателем раствора (рН):

В зависимости от кислотно-основного характера раствора водородный показатель имеет следующие значения:

нейтральная среда - ;

кислая среда - ;

щелочная среда - .

Чем меньше значение рН, тем больше кислотность среды; чем больше значение рН, тем больше щелочность среды.

В некоторых случаях пользуются гидроксидным показателем

Логарифмируя выражение получают зависимость между водородным и гидроксидным показателями:

Зная молярную концентрацию раствора кислоты или основания, т. е. концентрации водородных и гидроксид-ионов соответственно, можно вычислить водородный показатель раствора и, наоборот, по значению рН вычислить концентрацию ионов Н⁺ или OH^–.

Пример 1. Вычислить значение рН 0,1 молярного раствора НСl. Определить среду.

Для данного раствора кислоты концентрация ионов водорода также равна 0,1 моль/л (10^‒1 моль/л). Следовательно, водородный показатель данного раствора

Среда кислая.

Пример 2. Вычислить водородный показатель 0,1 молярного раствора NaOH. Определить среду.

Для данного раствора

[OH^–] = 0,1 моль/л (10^–1 моль/л), следовательно,

моль/л,

а значение

Среда щелочная.

Водородный показатель имеет важное значение для понимания химических и биологических процессов, протекающих в природных водах. От величины рН зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, степень агрессивности воды по отношению к металлам, бетону. Значение рН морской воды изменяется в пределах от 7,7 до 8,4.

Для приблизительного определения рН пользуются индикаторами, т.е. веществами, изменяющими окраску раствора в зависимости от кислотности среды. Наиболее распространенные индикаторы - лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый. Изменение окраски индикаторов происходит при определенных значениях рН. Для установления кислотности среды в широком диапазоне изменения рН пользуются универсальным индикатором.

Для более точного определения используют приборы рН–метры. Использование специального прибора — pH–метра — позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов.

Контрольные вопросы

1. Что такое растворы? Приведите примеры истинных растворов.

2. Какой компонент раствора является растворителем?

3. При какой температуре замерзает раствор, полученный при растворении 9,2 г глицерина С₃Н₈О₃ в 100 г воды?

4. В чем заключается второй закон Рауля? Для растворов каких веществ он выполняется и почему?

5. Что такое давление насыщенного пара раствора?

6. Что такое осмос, приведите примеры осмотических ячеек.

7. Какие вещества называются электролитами? Приведите примеры.

8. В чем заключается механизм электролитической диссоциации?

9. Закончите уравнения реакций в молекулярном виде, напишите ионные уравнения этих реакций:

а) NH₄NO₃+ KOH®

б) AgNO₃ + AlBr₃®