Ионное произведение воды, водородный показатель (pH)

Вода является слабым электролитом и диссоциирует на ионы в незначительной степени. Процесс диссоциации воды может быть записан уравнением:

HOH ⇄ H⁺ + OH^–.

Константа диссоциации будет равна:

Преобразуем это выражение к следующему виду:

[H⁺][OH^–] = K _дис [H₂O]. (3.11)

Концентрацию молекул воды можно рассчитать, разделив мас-су 1 дм³ на массу 1 моль:

1000 / 18 = 55,5 моль/ дм³; К _дис = 1,8 ∙ 10^–16. Произведение двух постоянных величин есть величина постоянная (К _дис[H₂O] = = const = K _H2O), тогда уравнение (3.11) принимает вид:

[H⁺][OH^–] = K _H2O = 10^–14.

Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при постоянной температуре произведение концентрации ионов водорода и гидроксила есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды.

Таким образом, для чистой воды концентрация ионов при 295 К равна:

[H⁺][OH^–] = 10^–7 моль/дм³.

Если к чистой воде добавить кислоту, то часть ионов Н⁺ кислоты соединится с ионами ОН^– и образует молекулы воды. При этом концентрация Н⁺ возрастает, концентрация ОН^– уменьшается, а произведение этих концентраций будет оставаться постоянным, равным 10^–14. В растворах с различной средой всегда присутствуют ионы Н⁺ и ОН^–, если:

[H⁺] = [OH^–] = 10^–7 – нейтральная среда;

[H⁺] > [OH^–] > 10^–7 – кислая среда;

[H⁺] < [OH^–] < 10^–7 – щелочная среда.

Для характеристики кислотности (щелочности) среды введен специальный параметр − водородный показатель, или рН. Водородным показателем, или рН, называется взятый с обратным знаком десятичный логарифм концентрации ионов водорода в растворе:

pH = –lg[H⁺]. (3.12)

Если [H⁺] = 10^–2моль/дм³, то pH = –lg10^–2 = 2.

Если pH = 7 – нейтральная среда;

pH > 7 – щелочная среда;

pH < 7 – кислая среда.

Пример 1. Вычислите рН следующих растворов: а) НВr с концентрацией вещества, равной 0,02 моль/дм³; б) NaOH с концентрацией вещества, равной 0,2 моль/дм³.

Решение. а) НВr ⇄ Н⁺ + Вr^–, сильный электролит. В разбавленном растворе степень диссоциации a = 1; k = 1 (k – число ионов водорода, образовавшихся при диссоциации одной молекулы НВr).

Для нахождения концентрации ионов водорода воспользуемся формулой (3.7):

с (Н⁺) = 0,02 ∙ 1 ∙ 1 = 0,02моль/дм³ = 2 ∙ 10^–2 моль/дм³.

Полученное значение подставляем в выражение (3.12):

pH = –lg (2 ∙ 10^–2) = 1,7;

б) NaOH ⇄ Na⁺ + ОН^– – сильный электролит. В разбавленном растворе степень диссоциации a = 1.

Для нахождения концентрации гидроксид-ионов воспользуемся формулой (3.7):

с (ОН^–) = 0,2 ∙ 1 ∙ 1 = 0,2 моль/дм³ = 2 ∙ 10^–1моль/дм³.

Подставляем значения:

pОH = –lg (2 ∙ 10^–1) = 0,7; отсюда pH = 14 – 0,7 = 13,3.

Ответ: а) pH = 1,7; б) pH = 13,3.