Водневий показник. Гідроліз солей

Наявність іонів водню відіграє суттєву роль у багатьох хімічних і біологічних процесах. Активність багатьох ферментів біологічних каталізаторів – залежить від вмісту іонів водню. Наприклад, пепсин шлункового соку діє в сильнокислому середовищі, каталаза крові – в нейтральному. Так, при порушеннях концентрації водневих іонів виникають різні захворювання, оскільки припиняється дія ферментів. Біохімічні процеси, які супроводжують виробництво багатьох продуктів харчування (хліб, чай, сир, тощо), відбуваються при певній реакції середовища. Тому визначення концентрації водневих іонів відіграє велику роль у багатьох галузях хімії, біології, ферментології, сільського господарства.

Прикладом речовини, у якій кількість іонів водню Н⁺ дорівнює кількості гідроксильних груп ОН^-, є вода. Оскільки вода слабкий електроліт, вона частково дисоціює на іони:

НОН = Н⁺ +ОН^-.

Завдяки здатності атома кисню за рахунок неподіленої пари електронів утворювати донорно-акцепторний зв’язок, іон водню у воді існує у вигляді іона гідроксонію Н₃О⁺.

Константа дисоціації води, згідно із законом діючих мас, дорівнює:

.

З цього рівняння знайдемо іонний добуток води:

,

де К = 1,8 10^-16 при 25⁰С.

Концентрація недисоційованих молекул води визначається за співвідношенням

оскільки вода перебуває практично в недисоційованому стані.

Підставивши відомі величини у формулу іонного добутку води, отримаємо:

.

Оскільки концентрація іонів водню у воді дорівнює концентрації гідроксильних груп ОН^-, то з іонного добутку води визначаємо концентрацію іонів водню у воді:

;

.

У кислому і лужному середовищі концентрації іонів водню і гідроксильних груп будуть змінюватись, але спряжено, оскільки іонний добуток величина стала. Отже, якщо концентрація іонів водню дорівнює 10^-7, то й концентрація гідроксильних груп 10^-7. У кислому середовищі концентрація іонів водню більша, а в лужному – відповідно менша. Наприклад, концентрація іонів водню дорівнює 10^-2. Тоді концентрація гідроксильних груп повинна бути 10^-12.

Концентрація іонів водню виражається дуже малими величинами, тому на практиці зручніше користуватися водневим показником рН, який зв’язаний з концентрацією іонів водню такою залежністю:

.

Підставивши в це рівняння значення концентрації іонів водню у воді, дістанемо для неї рН = 7:

тобто, в нейтральному середовищі рН = 7. Значення концентрації іонів водню більше 10^-7 відповідає кислому середовищу, менше 10^-7 –лужному. Так, при концентрації іонів водню 10^-3 рН середовища дорівнює 3, тобто середовище кисле. Якщо концентрація іонів водню дорівнюватиме 10^-10, то рН = 10, тобто середовище лужне.

Отже, значення рН від 1 до 7 відповідає кислому середовищу, рН = 7 – нейтральному і від 7 до 14 – лужному.

Існують спеціальні методи визначення рН: колориметричний та електрометричний.

Колориметричний метод грунтується на зміні забарвлення індикаторів залежно від концентрації в розчині іонів водню і гідроксид-іонів. Забарвлення індикаторів змінюється під впливом іонів водню або гідроксид-іонів, при цьому змінюється співвідношення між дисоційованою і молекулярною формами індикатора, що впливає на його забарвлення.

Найпоширенішими індикаторами є лакмус, фенолфталеїн, метилоранж. Їх використовують для якісного визначення реакції середовища. Для напівкількісного аналізу використовують універсальний індикатор. Це суміш індикаторів, яка випускається у вигляді розчину або фільтрувального паперу, просоченого цією сумішшю. Такий папір змочують розчином, що досліджується, і порівнюють його забарвлення з еталонною шкалою. Кожному кольору шкали відповідає певне значення рН, яке виражається цілим числом.

Для точного визначення рН розчинів використовують спеціальні прилади – рН – метри.

Солі при розчиненні у воді здатні змінювати рН розчину. Це пов’язано з тим, що при розчиненні іони солі вступають у взаємодію з полярними молекулами води, відбувається гідратація іонів. Іони сильних основ і кислот утворюють з водою сильні гідрати і при цьому не спостерігається дисоціація води. Іони слабких основ і кислот здатні розщеплювати молекули води, при цьому катіони взаємодіють з гідроксид-іонами, а аніони – з катіонами водню.

Процес взаємодії солі з водою, при якому змінюється рН середовища називається гідролізом.

Гідроліз може відбуватися ступінчасто. Внаслідок послідовного зменшення зарядів іонів гідроліз найлегше відбувається за першим ступенем.

Якщо сіль утворена сильною основою і слабкою кислотою, то при гідролізі утворюється кисла сіль і основа. Реакція середовища лужна:

КСN + H₂O HCN + KOH;

CN^- + H₂O HCN + OH ^-.

Якщо сіль утворена сильною кислотою і слабкою основою, то при гідролізі утворюється основна сіль і кислота. Реакція середовища кисла:

NН₄Сl + H₂O NH₄OH + HCl,

NH₄⁺ + H₂O NH₄OH + H^+.

Якщо сіль утворена слабкою кислотою і слабкою основою, то при гідроліз відбувається до кінця, утворюється слабка кислота і слабка основа. Реакція середовища слабкокисла або слабколужна (залежно від сили кислоти й основи).

Гідроліз відбувається за катіоном і аніоном:

СН₃СООNH₄ + H₂O CH₃COOH + NH₄OH;

CH₃COO^- + NH₄⁺ + H₂O CH₃COOH + NH₄OH.

Якщо сіль утворена сильною кислотою і сильною основою, то гідроліз не відбувається. Реакція середовища нейтральна. Прикладом таких солей є: NaCl, Na₂SO₄, KNO_3, KCl тощо.