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

H₂OH⁺ + 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

t°С
K(H2O)	0,4×10-14	1,0×10-14	1,9×10-14	5,6×10-14	74×10-14

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

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

[H⁺] &gt .10^-7&gt . [OH^—] — кислая среда

[H⁺] &lt .10^-7&lt . [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 &lt . 7 кислая среда

рН &gt . 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. NH₄OHNH₄⁺ + 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. НСОOHНСОО^— + H⁺

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

[HCOOH] = .