Ионное произведение воды. Водородный показатель.

Вода - слабый электролит - диссоциирует, образуя ионы H⁺ и OH^-. Эти ионы гидратированы, то есть, соединены с несколькими молекулами воды, но для простоты мы записывали их в негидратированной форме

H₂O H⁺ + OH^-.

Применяя к этому равновесию закон действия масс, имеем:

K = = 1,8×10^-16 (22°С)

Концентрацию молекул воды [H₂O], то есть число моль в 1 л воды можно считать постоянной и равной [H₂O] = 1000 г/л : 18 г/моль = 55,5 моль/л. Получаем

К´[H₂O] = К(H₂O) = [H⁺]×[OH^-] = 10^-14 (22°С)

Произведение концентраций [H⁺] и [OH^-], то есть ионное произведение воды, есть величина постоянная и равная 10^-14 при 22°С: [H⁺]×[OH^-] = 10^-14

Ионное произведение воды увеличивается с увеличением температуры

Соотношение между количеством ионов [H⁺] и [OH^-] определяет характер среды:

[H⁺] =10^-7= [OH^-] - нейтральная среда

[H⁺] >10^-7> [OH^-] - кислая среда

[H⁺] <10^-7< [OH^-] - щелочная среда.

Водородный показатель рН - это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода рН = - lg[H⁺].

Аналогично рOН = - lg[OH^-].

Логарифмируя ионное произведение воды, получаем

pH + pOH = 14

Примеры. Если [H⁺] = 10^-2M, то рН = 2, а [ОH^-]= 10^-12M.

Если [ОH^-] = 10^-4M, то [H⁺]= 10^-10M, а рН = 10.

Если рН = 8, то [H⁺]= 10^-8M, а [ОH^-] = 10^-6M

Если рОН = 5, то рН = 9, а [H⁺]= 10^-9M.

Величина рН характеризует реакцию среды:

рН = 7 нейтральная среда

рН < 7 кислая среда

рН > 7 щелочная среда.

рН раствора можно определить с помощью индикаторов (лакмуса, фенолфталеина., метилоранжа и др.), универсальной индикаторной бумаги или с помощью рН-метра.

Индикатор меняет свою окраску в зависимости от рН раствора в определенном интервале рН: метилоранж в области рН=3,1-4,4; лакмус при рН=5,0-8,0; фенолфталеин в пределах рН=8,0-10,0. Индикатор - это обычно малодиссоциированная кислота или основание, имеющие в нейтральных и ионных формах разные окраски. Так например, лакмус НА - красный, а его анион А^- - синий:

НА Н⁺ + А^-

красный синий

В кислой среде с увеличением [Н+] равновесие сдвигается влево, индикатор имеет красный цвет. В щелочной среде, с уменьшением [Н⁺] равновесие сдвигается вправо, и индикатор имеет синий цвет. В области перехода в интервале рН от 5,0 до 8,0 существуют обе формы, и индикатор имеет фиолетовый цвет.

Пример 1. Найти рН 0,01 М раствора NaOH (a=1)

Решение. NaOH Na⁺ + OH^- a=1

[OH^-] = [NaOH] = 10^-2 M, рОН=2, рН=12.

Пример 2. Найти рН 0,1 М раствора NН₄OH (К=1,8×10^-5)

Решение. NH₄OH NH₄⁺ + OH^-

Так как [NH₄OH] » C(NH₄OH), а [OH^-]=[NH₄⁺], имеем:

[OH-] = = 1,34×10^-3 ; pOH = 2,87, pH = 11,13.

Пример 3. 0,1 М раствор СН₃СООН имеет рН = 3. Найти степень диссоциации a.

Решение. СH₃СОOH СH₃СОО^- + H⁺

С-Сa Сa Сa

Отсюда [H+] = Сa и a = = 1×10^-2, так как при рН=3 [H⁺]=10^-3.

Пример 4. Раствор НСООН (К=1,8×10^-4) имеет рН=1,87. Найти концентрацию кислоты С.

Решение. НСОOH НСОО^- + H⁺

, так как [H⁺] = [HCOO^-] имеем [HCOOH] = , так как рН=1,87, то [H⁺]= 1,34×10^-2.

[HCOOH] = .