Ионное произведение воды. Водородный показатель. Вода – очень слабый электролит, диссоциирующий по схеме:

Вода – очень слабый электролит, диссоциирующий по схеме:

Выражение для константы диссоциации воды

(1)

можно представить в другой форме:

(2)

Так как диссоциирована лишь ничтожная доля молекул воды, то равновесную концентрацию недиссоциированных молекул, равную 55,5 моль/л, можно считать постоянной. Произведение двух постоянных величин K ·[Н₂О] можно представить в виде одной константы:

(3)

Константа К_w, равная произведению концентраций ионов Н⁺ и OH^–, величина постоянная при данной температуре, получила название ионное произведение воды.

Постоянство К_w требует, чтобы изменение концентрации одного из ионов, на которые диссоциирует вода, компенсировалось изменением концентрации другого иона в противоположную сторону. На основании этого, зная концентрацию ионов Н⁺ в каком-то растворе, легко вычислить концентрацию ионов OH^– и, наоборот, зная концентрацию ионов OH^–, легко вычислить концентрацию Н⁺:

(4)

(5)

Отсюда следует, что для характеристики кислотности раствора (кислый, нейтральный, щелочной) достаточно указать концентрацию ионов водорода. В чистой воде при температуре 25 °С концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов равны и составляют 10^-7 моль/л.

Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов равны, называются нейтральными. В кислых растворах концентрация ионов Н⁺ выше, чем ионов OH^–, а в щелочных ‒ концентрация ионов Н⁺ ниже концентрации OH^–. Поскольку концентрация ионов водорода выражается числом 10 в отрицательной степени и оперировать такой малой величиной неудобно, то для характеристики кислотности растворов был введен водородный показатель рН, представляющий собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода с обратным знаком:

(6)

Очевидно, что для чистой воды при комнатной температуре рН = 7. В кислой среде рН < 7, а в щелочной рН > 7. Зная водородный показатель, легко определить при необходимости и гидроксильный показатель рОН. Если , то

Точное значение рН растворов можно определять с помощью специальных приборов – рН-метров. Для приблизительного определения рН служат кислотно-основные индикаторы, которые представляют собой слабые органические кислоты (фенолфталеин) или основания (метилоранж). Действие кислотно-основных индикаторов основано на том, что диссоциированная и недиссоциированная формы индикатора имеют разную окраску. Например, фенолфталеин в недиссоциированной форме – бесцветный, а в анионной форме – малиновый.

В зависимости от окраски молекулярной и ионной форм индикаторы могут быть двухцветными (имеют окраску обе формы), например, метилоранж, лакмус, или одноцветными (одна из форм бесцветна), например, фенолфталеин.

При высокой концентрации ионов водорода, т.е. в кислой среде, равновесие диссоциации индикатора смещено влево, т.е. его диссоциация подавляется, причем в тем большей степени, чем меньше сила кислоты, являющейся индикатором.

Для каждого индикатора существует определенный интервал изменения окраски, в этом интервале концентрации ионизованной и неионизованной форм соизмеримы, и окраска индикатора меняется в зависимости от рН раствора. За пределами этого интервала окраска индикатора остается практически постоянной вне зависимости от рН раствора.

Существуют универсальные индикаторы,представляющие собой смесь нескольких индикаторов, каждый из которых меняет цвет в своей области рН, поэтому цвет универсального индикатора в целом изменяется в гораздо большем интервале рН.