Диссоциация воды. Водородный показатель

Чистая вода плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется частичной диссоциацией молекул Н₂О на ионы водорода и гидроксид-ионы:

Н₂О Н⁺ + ОН^–

 

По величине электропроводности чистой воды можно вычислить концентрацию в ней ионов Н⁺ и ОН^–. При 25^оС она равна 10^–7 моль/л.

Константа диссоциации Н₂О рассчитывается следующим образом:

 

Перепишем это уравнение:

 

 

Следует подчеркнуть, что данная формула содержит равновесные концентрации молекул Н₂О, ионов Н⁺ и ОН^–, которые установились на момент наступления равновесия в реакции диссоциации Н₂О.

Но, поскольку степень диссоциации Н₂О очень мала, можно считать, что концентрация недиссоциированных молекул Н₂О в момент наступления равновесия практически равна общей начальной концентрации воды, т.е. 55,56 моль/дм³ (1 дм³ Н₂О содержит 1000 г Н₂О или 1000 : 18 ≈ 55,56 (молей). В разбавленных водных растворах можно считать, что концентрация Н₂О будет такой же. Поэтому, заменив в уравнении (42) произведение двух постоянных величин новой константой (или K_W), будем иметь:

 

 

Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение молярных концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Она называется иначе ионным произведением воды.

В чистой воде при 25^оС .
Поэтому для указанной температуры:

 

 

При увеличении температуры значении возрастает. При 100^оС оно достигает 5,5 ∙ 10^–13 (рис. 34).

 

 

Рис. 34. Зависимость константы диссоциации воды K_w
от температуры t(°С)

 

Растворы, в которых концентрации ионов Н⁺ и ОН^– одинаковы, называются нейтральными растворами. В кислых растворах больше содержится ионов водорода, а в щелочных – гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция среды в растворе, произведение молярных концентраций ионов Н⁺ и ОН^– останется постоянным.

Если, например, к чистой Н₂О добавить некоторое количество кислоты и концентрация ионов Н⁺ при этом увеличится до 10^-4 моль/дм³, то концентрация ионов ОН^–, соответственно, понизится так, что произведение останется равным 10^-14. Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет равна 10^-14 : 10^-4 = 10^-10 моль/дм³. Этот пример показывает, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому реакцию раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов Н⁺:

нейтральный раствор ®

кислый раствор ®

щелочной раствор ®

 

На практике для количественной характеристики кислотности или щёлочности раствора используют не молярную концентрацию в нём ионов Н⁺, а её отрицательный десятичный логарифм. Эта величина называется водородным показателем и обозначается через рН:

рН = –lg [H⁺]

 

Например, если , то рН = 2; если , то рН = 10. В нейтральном растворе рН = 7. В кислых растворах рН < 7 (и тем меньше, чем «кислее» раствор, т.е., чем больше в нём концентрация ионов Н⁺). В щёлочных растворах рН > 7 (и тем больше, чем «щелочнее» раствор, т.е., чем меньше в нём концентрация ионов Н⁺).

Для измерения рН раствора существуют различные методы. Очень удобно приблизительно оценивать реакцию раствора с помощью специальных реактивов, называемых кислотно-основными индикаторами. Окраска этих веществ в растворе меняется в зависимости от концентрации в нём ионов Н⁺. Характеристика некоторых наиболее распространённых индикаторов представлена в таблице 12.

 

Таблица 12. Важнейшие кислотно-основные индикаторы

 

Название индикатора	Цвет индикатора в различных средах
в кислой	в нейтральной	в щелочной
Метиловый красный	красный рН < 4,2	оранжевый 4,2 < рН < 6,3	жёлтый рН > 6,3
Фенолфталеин	бесцветный рН < 7	бесцветный 7 < pH < 8	малиновый рН > 8
Лакмус	красный рН < 5	фиолетовый 5< pH < 8	синий рН > 8

 

Из таблицы 12 следует, что с помощью индикаторов мы можем определить не точное значение рН раствора, а тот интервал, внутри которого это значение может находиться.

Существует также универсальный индикатор, с помощью которого можно определить приблизительное значение (с точностью до единицы) рН раствора в широком интервале от 0 до 14.

Для многих химических и биологических процессов величина рН раствора имеет большое значение. Так, рН крови человека имеет строго постоянное значение 7,36±0,04. Отклонение от него в ту или иную сторону даже на незначительную величину приводит к развитию в организме различных патологических (болезненных) процессов, которые могут завершиться летальным исходом. Растения нормально произрастают, если значение рН почвенного раствора лежит в определённом интервале, характерном для данного вида растения. От величины рН зависят и свойства природных вод, в частности, их коррозионная активность.

 

Теория кислот и оснований.
Буферные растворы