Водородный показатель

Электролитическая диссоциация воды.

Ионное произведение воды. Особая роль воды в химии определяется, в частности, тем, что она широко используется для приготовления растворов и как среда для проведения реакций. Поэтому важное значение имеет собственная диссоциация воды на ионы:

Н₂О Н⁺ + ОН^-.

Константа равновесия этой обратимой реакции называется константой диссоциации (К_д): К_д = .

Так как [H₂O] - величина постоянная ([H₂O] =), и мало отличающаяся от концентрации всех (диссоциировавших и недиссоциировавших) молекул воды, ее включают в константу, которую называют ионным произведением воды (К_в):

K_д·[H₂O] = [H⁺]·[OH^-] = К_в,(6.21)

то есть К_д = К_в/55,56.

Ионные произведения (ИП) отличаются от константы равновесия на постоянную величину и поэтому обладают всеми свойствами константы равновесия. Например, ИП не зависят от концентраций ионов - если концентрация одного из них увеличивается, то другого - уменьшается так, что ИП остается неизменным. При 295 К ИП воды равно 10^-14. Отсюда

[H⁺] = [OH^-] = = 10^-7 моль/л.

Ионное произведение, как и всякую константу равновесия, можно найти по термодинамическим данным (DG⁰_дисс.):

К_д = exp (-DG⁰ дисс / RT). (6.22)

По этой формуле можно рассчитать стандартную энергию Гиббса для диссоциации воды:

lnK_д = - DG⁰ _дисс / RT; DG⁰ _дисс = - lnK_д·RT =

ln (10^-14/55,56)·8,31·298 = 53565 (Дж/моль) = 53,565 кДж/моль.

Пример 18. Какова концентрация ОН^--ионов в 0,01 М растворе НCl.

Решение. В 0,01 М растворе сильного электролита HCl содержится 0,01 моль/л ионов Н⁺. Используя выражение (6.21), получаем:

0,01^.[ОН^-] = 10^-14; отсюда [ОН^-] = (моль/л).

Водородный показатель рН. В соответствии с теорией электролитической диссоциации, ионы H⁺ являются носителями кислотных свойств, а ионы OH^- - основных. Кислотность или щелочность водных растворов может быть охарактеризована концентрацией ионов [Н⁺] или [ОН^-]. Для удобства вместо концентраций используют их отрицательные логарифмы, которые назаваются водородным (рН) и гидрокисльным (рОН) показателями, соответсвенно:

рН = - lg [H⁺] и pOH = - lg [OH^-].

Для чистой воды [Н⁺] = [ОН^-] = 10^-7 и рН = рОН = 7. Это нейтральная среда и нейтральные растворы. Если в растворе [Н⁺] > [ОН^-], то
рН < 7, а рОН > 7 - это кислые растворы; в случае если [Н⁺] < [ОН^-], то рН > 7, а рОН < 7 - это щелочные растворы. Очевидно, что

pН + pOH = 14.

Таким образом, можно сказать, что в шкале рН от 0 до 7 - кислые, а от 7 до 14 - щелочные растворы.

Концентрации ионов Н⁺ и ОН^-, кислотность и щелочность растворов определяют либо с помощью химических индикаторов - органических веществ, которые изменяют свою окраску в определенном интервале рН, либо с помощью специальных приборов - рН-метров. Например, лакмус имеет красную окраску при рН < 5, а синюю - при рН > 8; от 5 до 8 - диапазон перехода рН. В таблице 6.4 приведены характеристики наиболее часто встречающихся индикаторов.

Таблица 8.4

Индикаторы кислотности водных растворов

Индикатор	Интервал пере- хода рН	Окраска в кислой среде в щелочной среде
Лакмус	5 ¸ 8	красная синяя
Фенолфталеин	8,3 ¸ 10,0	бесцветная красная
Метиловый фиолетовый	0 ¸ 3	желто-зеленая фиол-голубая
Метиловый оранжевый	3,1 ¸ 4,4	красная желтая

Пример 19. Определить рН и рОН 0,005 М раствора Ca(OH)₂.

Решение. Так как щелочь двухосновная, то [OH^-] = 2C_щелочи = 0,01 моль/л. Найдем [H⁺] по формуле (6.21):

К_в = [Н⁺]×[ОН^-] = 10^-14, [H⁺] = 10^-12 моль/л.

pH = -lg [H⁺] = -lg10^-12 = 12, рОН = K_в - pH = 14 - 12 = 2.

Или pOH = -lg [ОH^-] = -lg10^-2 = 2. Раствор щелочной.