4.3.2 Произведение растворимости. Водородный показатель

Растворение твердых электролитов*прекращается, когда образуетсянасыщенный раствор, в котором устанавливаетсягетерогенноеравновесие между твердой фазой и перешедшими в растворионами. Например:

CaSO₄ (т) Ca²⁺(р-р) + SO₄^2–(р-р)

В выражение константыэтого гетерогенного равновесия не входит концентрация твердой фазы (см.особенности закона действия масс для гетерогенных процессов):

K= [Ca²⁺][SO₄^2–]

В насыщенном растворе твердого электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная при данной температуре. Она называетсяпроизведением растворимости.

ПР(CaSO₄) = [Ca²⁺][SO₄^2–]

Если молекула электролита содержит несколько одинаковых ионов, то концентрации этих ионов, согласно закону действия масс*, должны быть возведены в соответствующие степени. Например:

PbI₂Pb²⁺+ 2 I^–

ПР(PbI₂) = [Pb²⁺][I^–]²

Зная произведения растворимости, можно решать вопросы, связанные с образованием или растворением осадков при химических реакциях. Например, пусть диссоциациясоли АВ происходит на два иона:

АВА⁺+ В^–

Обозначив растворимость через s(моль/л), получим [A⁺]=[B^–]=s, ПР=[A⁺][B^–]=s². На практике чаще возникает обратная задача определения растворимости. Для соли, диссоциирующей на два иона,. Значения ПР можно найти вхимических справочниках. Например, ПР(AgCl)=1,8·10^–10, ПР(AgBr)=6·10^–13, ПР(BaSO₄)=1,1·10^–10, ПР(HgS)=10^–52. Если соль имеет общую формулу AB₂, то она диссоциирует по уравнению:

AB₂A²⁺+ 2B^–

В этом случае [A²⁺]=s, [B^–]=2s, ПР=[A²⁺][B^–]²=s·(2s)²=4s³, .

Если фактическое произведение концентраций (ПС) ионов в некотором растворе превышает значение произведения растворимости, т.е. ПС>ПР, то раствор является пересыщенным*, и из него выпадает осадок. Условие растворения осадка (ненасыщенности раствора): ПС<ПР. Оба процесса идут с одинаковой скоростью, и система приходит всостояние равновесияпри ПС=ПР (насыщенный раствор).

Чистаяводаобладает незначительнойэлектрической проводимостью, которая объясняется небольшойдиссоциациейводы на ионы водорода и гидроксид-ионы:

H₂OH⁺+ OH^–

Такой процесс называется автопротолизом(самодиссоциацией). По величине электропроводности чистой воды можно вычислить концентрации ионов H⁺и OH^–. При 25С  они равны по 10^–7моль/л.

Выражение дляконстанты диссоциации*воды имеет вид:

,

откуда  [H⁺][OH^–]=K[H₂O]=K_w  .

В воде и разбавленных водных растворах концентрацию воды можно считать постоянной: [H₂O]=55,5 моль/лЭта величина получается как масса одного литра воды (1000 г/л), деленная на молярную массу воды (18 г/моль)., поэтомуK_w– константа. Выражение, полученное дляK_w, показывает, что в воде и разбавленных водных растворах при постоянной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Она называетсяионным произведением воды. При 25СK_w=10^–14.

В кислых растворах больше концентрация ионов водорода, в щелочных – концентрация ионов OH^–. Однако произведение этихмолярныхконцентраций всегда остается постоянным. Если, например, к чистой воде добавить столько кислоты, чтобы концентрация ионов водорода повысилась до 10^–3моль/л, то концентрация гидроксид-ионов станет равной 10^–11моль/л. Следовательно, если известна величина [H⁺], то однозначно определяется величина [OH^–]. Поэтому степень кислотности или щелочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:

Нейтральный раствор       [H⁺]=10^–7моль/л;

кислый раствор                  [H⁺]>10^–7моль/л;

щелочной раствор              [H⁺]<10^–7моль/л.

Наиболее часто используют не концентрацию [H⁺], а ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком:

pH= –lg [H⁺]

Эта величина называется водородным показателем. Например, если [H⁺]=10^–5моль/л, то pH=5; если [H⁺]=10^–9моль/л, то pH=9. Отсюда следует, что в нейтральном растворе pH=7, в кислом растворе pH<7, в щелочном растворе pH>7. Иногда пользуются значением гидроксидного показателя pOH= –lg[OH^–]. При 25С выполняется равенство: pH+pOH=14.

Для многих процессов величина pH очень важна (для жизнедеятельности растений и животных– pHкрови, почвенного раствора).Свойства природных вод, в частности их коррозионная активность, сильно зависят от pH.