Ионное произведение воды. Водородный показатель

Вода является практически незаменимым растворителем в экспериментальной и прикладной химии, поэтому необходимо изучение ее свойств. Остановимся на таких понятиях как ионное произведение воды и водородный показатель pH.

Ионное произведение воды

При определенных условиях, вода может вести себя как акцептор протонов (в присутствии кислоты) или как донор протонов (в присутствии основания). Интересной особенностью воды является то, что она может подвергаться процессу самодиссоциации (автоионизации), т.е. быть одновременно донором и акцептором протонов по отношению к самой себе.

2H2O ↔ H3O+ + OH

Эта реакция – самопроизвольная диссоциация, осуществляется в небольшой степени. Ее можно упростить, если H3O+ заменить на H+

H2O ↔ H+ + OH

Запишем выражение для константы равновесия, опираясь на закон действия масс:

K = [H+]·[OH]/[H2O]

Концентрацию воды, принято исключать из данного выражения, вследствие ее практически постоянного значения в разбавленных растворах. Получаем новую константу равновесия KН2О, которая называется ионным произведением воды:

KН2О = [H+]·[OH]

При температуре 25ºС KН2О = 1·10-14 и остается постоянным в водных растворах кислот, щелочей, солей или других соединений.

KН2О = [H+]·[OH] = 1·10-14

При повышении температуры ионное произведение воды сильно возрастает.

Полученное выражение применимо не только к чистой воде, но и к растворам.

Если осуществляется условие [H+] = [OH], то раствор называется нейтральным, но обычно эти величины не совпадают, тогда при увеличении одного показателя, другой должен уменьшаться, так, чтобы их произведение оставалось постоянным (1·10-14)

Водородный показатель pH

Кислотно – основные свойства растворов определяются величиной концентрации ионов водорода или гидроксила. Мы уже знаем, что ионное произведение воды при определенной температуре постоянно, а [H+] и [OH] — переменные, то по их величинам можно говорить о кислотности или щелочности раствора. При нейтральном характере раствора, т.е. [H+] = [OH], получаем следующее:

[H+] = [OH] = (KН2О)1/2 = (1·10-14)1/2 = 10-7 М

Увеличение или уменьшение концентраций иона водорода или гидроксид — иона меняет характер среды. Таким образом, в растворах с различным характером среды, при температуре 25ºС, выполняются следующие условия:

Нейтральная среда[H+] = [OH] = 10-7 М
Кислая среда[H+] > [OH], [H+] > 10-7 М, [OH] ˂ 10-7 М
Щелочная среда[H+] ˂ [OH], [H+] ˂ 10-7 М, [OH] > 10-7 М

Следует помнить, что не зависимо от характера среды, в водных растворах всегда существуют оба иона.

Выражение характера среды данным способом информативно, но сопряжено с некоторыми трудностями в случае выражения небольших значений концентрации иона водорода. Более удобно пользоваться отрицательным логарифмом этой величины, называемой водородным показателем pH:

pH = -lg[H+] = lg (1/[H+])

Отметим, что изменению [H+] в 10 раз соответствует изменение pH всего на 1 единицу.

pOH = -lg[OH] = lg (1/[OH])

pH и pOH нейтрального раствора равен 7:

pH = -lg[H+] = -lg(1·10-7) = 7

Нейтральная средаpH = pOH = 7, pH + pOH = 14
Кислая средаpH ˂ pOH, pH ˂ 7, pH + pOH = 14
Щелочная средаpH > pOH, pH > 7, pH + pOH = 14

На следующем рисунке наглядно показано зависимость характера среды от величины pH

 

шкала pH
шкала pH

Все рассмотренные нами представления об ионном произведении воды справедливы  для случая диссоциации химически чистой воды. Если же равновесные концентрации H+ или ОH составляют большие величины, то ионное произведение воды выражается формулой:

aH+aOH = K`H2O

где  aH+ и aOH — соответственно активности ионов водорода и ионов гидроксила;

K`H2O — истинная константа, значение которой не зависит от величины ионной силы раствора.

Учитывая, что

aH= [H+] · fH+ ,  aOH = [OH] · fOH

преобразуем выражение:

[H+]·[OH] = K`H2O/(fH+· fOH—  )

где fH+· fOH—  — коэффициенты активности

Для определения характера среды раствора существует много методов, самый простой из них – применение индикаторов. Далее приведены некоторые индикаторы и зависимость изменения их окраски от концентрации ионов водорода.

изменение окраски индикатора в зависимости от характера среды
изменение окраски индикатора в зависимости от характера среды