Ионное произведение воды. Водородный показатель.

Согласно протолитической теории Брэнстеда и Лоури, вода не нейтральный растворитель. Ее молекула может быть донором и акцептором протонов, т.е. является амфолитом. Явление, когда молекулы одного и того же вещества одновременно выступают в качестве кислоты и основания, называются автопротолизом. Сокращенно автопротолиз воды можно записать как процесс ее диссоциации на ионы.

Н₂О Н⁺+ОН^-

Применяя закон действующих масс, запишем константу диссоциации воды, значение которой можно вычислить по данным измерения электрической проводимости воды.

К_д= =1,8·10^-16 (при 22ºС)

В знаменателе дроби - концентрация недиссоциированных молекул воды, которую можно считать постоянной и определить в 1 л, приняв массу 1л воды за 1000г.

[Н₂О]= =55,56 молей,

тогда

К_д= =1,8·10^-16

Или [Н⁺]·[ОН^-]=1·10^-14 моль-ион/л (ионное произведение воды или константа автопротолиза).

Ионное произведение воды - произведение равновесных концентраций катионов водорода и гидроксид ионов, величина постоянная и равна 10^-14 моль-ион/л.

Таким образом, ионное произведение воды позволяет для любого водного раствора найти концентрацию ОН^- по известной концентрации Н⁺, и наоборот.

Кислотность растворов обычно выражают через концентрацию ионов Н⁺. В нейтральных растворах [Н⁺]=[ОН^-]=√10^-14=10^-7моль-ион/л. В кислых растворах [Н⁺]>10^-7моль-ион/л, в щелочных [Н⁺]<10^-7моль-ион/л.

Чтобы не писать числа с показателем степени, кислотность раствора выражают через отрицательный логарифм концентрации ионов водорода, называя эту величину водородным показателем и обозначая ее рН.

рН=-lg[Н⁺], рОН=-lg[ОН^-], рН+рОН=14

Величина рН впервые была введена датским химиком С. Серенсоном. Буква «р» - начальная от датского слова potenz (степень), «Н»- символ водорода.

В кислых растворах рН <7, в нейтральных =7, в щелочных >7.

В обычной лабораторной практике рН измеряют с погрешностью 0,02. По этой причине не следует приводить значение рН раствора более чем с двумя цифрами после запятой.

В растворах слабых кислот НА кислотно-основное равновесие имеет вид

НА+Н₂О Н₃О⁺+А^- или

НА Н⁺+А^-

Константа кислотной диссоциации (константа кислотности) К_а равна:

К_а=[Н⁺]· [А^-]/[НА]

В растворе слабых оснований В кислотно-основное равновесие имеет вид

В+ Н₂О ВН⁺+ОН^-

Где В-основание, а ВН⁺ - сопряженная В кислота. Константа кислотно-основного равновесия в этом случае в соответствии с законом действующих масс равна:

К_b=[BН⁺]· [ОН^-]/[В]

Константу К_b называют константой диссоциации основания В или константой основности.

Величины К_а и К_b для сопряженной кислотно-основной пары связаны также простым соотношением.

К_а К_b=10^-14 или рК_а+рК_b=14, рК_b=14-рК_а

Таким образом, сила кислот и оснований может быть выражена в общей шкале рК_а, подобно тому, как реакция среды характеризуется водородным показателем рН.