Диссоциация воды. Водородный показатель
Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется частичной диссоциацией молекул Н2О на ионы водорода и гидроксид-ионы:
Н2ОН++ ОН–
По величине электропроводности чистой воды можно вычислить концентрацию в ней ионов Н+и ОН–. При 25оС она равна 10-7моль/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 дм3Н2О 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 величинновой константой(илиKW), 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 25оС. Поэтому для указанной температуры:
При увеличении температуры значении возрастает. При 100оС оно достигает 5,5 ∙ 10-13(рис. 34).
Рис. 34. Зависимость константы диссоциации воды Kw от температурыt (°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 10-4моль/дм3, то концентрация ионов ОН–соответственно понизится так, что произведениеостанется равным 10-14. Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет равна 10-14: 10-4= 10-10моль/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 называетсяводородным показателем и обозначается черезрН:
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 лежать.
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 или смертью. 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.