Расчёт pH в растворах кислот и оснований. Расчёт концентраций кислот и оснований по pH

В курсе общей химии студенты знакомятся с основами расчётов pH в растворах электролитов. В курсе неорганической химии биогенных элементов предлагается более глубокое изучение данного вопроса. Задание №8 (таблица 6.1) состоит из двух частей. В части «а» предлагается рассчитать pH раствора по заданной концентрации электролита, в части «б» – решить обратную задачу: рассчитать концентрацию кислоты или основания по известной величине pH раствора. Ниже кратко рассматриваются необходимые для решения этих задач теоретические сведения и типовые примеры.

Водородный показатель pH – величина, с помощью которой характеризуют кислотность или щёлочность водных растворов; эта величина рассчитывается по формуле:

pH = –lg C(H⁺)

По аналогии с понятием «водородный показатель» (pH) вводится понятие «гидроксильный» показатель (pOH):

pOH = –lg C(OH^–)

Водородный и гидроксильный показатели связаны соотношением:

pH + pOH = 14

Гидроксильный показатель используется для расчёта pH в щелочных растворах.

Для решения обратной задачи (расчёт концентраций ионов по известной величине pH) применяются формулы:

C(H⁺) = 10^–pH

C(OH^–) = 10^–pOH

Эти задачи решаются по-разному для сильных и слабых электролитов. Поэтому прежде чем начинать решение необходимо выяснить, о каком электролите идёт речь в условии задачи: о сильном или слабом.

Примеры задач на сильные электролиты

Пример 6.1. Рассчитайте pH 0,02 М раствора серной кислоты.

Серная кислота – сильный электролит, который в разбавленных растворах диссоциирует полностью и необратимо в соответствии со схемой:

H₂SO₄ ® 2H⁺ + SO₄^2–.

Из уравнения диссоциации видно, что число моль ионов водорода в растворе после диссоциации кислоты будет в два раза больше, чем число моль молекул H₂SO₄. Следовательно, молярная концентрация ионов H⁺ также будет в два раза больше молярной концентрации H₂SO₄: C(H⁺) = 2×C(H₂SO₄) = 2·0,02 моль/л = 0,04 моль/л.

pH = –lg C(H⁺) = –lg 0,04 = 1,398.

Пример 6.2. Рассчитайте массовую долю NaOH в растворе, pH которого равен 13. Плотность раствора – 1 г/мл.

NaOH ® Na⁺ + OH^–

pOH = 14 – pH = 14 – 13 = 1

C(OH^–) = 10^–pOH = 10^–1 = 0,1 моль/л = C(NaOH), поскольку гидроксид натрия – сильный электролит.

Молярная концентрация раствора 0,1 моль/л означает, что в 1 л раствора содержится 0,1 моль NaOH. Следовательно,

m(NaOH) = n(NaOH) · M(NaOH) = 0,1 моль · 40 г/моль = 4 г.

m_{раствора} = V_{раствора} · ρ_{раствора} = 1000 мл · 1 г/мл = 1000 г.

ω(NaOH) = m(NaOH) / m_{раствора} = 4 г / 1000 г = 0,004 (0,4%)