Вывод значения ионного произведения воды
Вода, хотя и является слабым электролитом, в небольшой степени диссоциирует:
Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле:
где:
[H+] — концентрация ионов гидроксония (протонов);
[OH−] — концентрация гидроксид-ионов;
[H2O] — концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;
Концентрация воды в воде, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,56 моль/л.
При 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8·10−16моль/л. Уравнение (1) можно переписать как:
Обозначим произведение K·[H2O] = Kв = 1,8·10−16 моль/л·55,56 моль/л = 10−14моль²/л² = [H+]·[OH−] (при 25 °C).
Константа Kв, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды. Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и Kв, при понижении температуры — наоборот.
Водородный
показатель (рН) величина,
характеризующая активность или
концентрацию ионов водорода в растворах.
Водородный показатель обозначается
рН.
Водородный показатель численно
равен отрицательному десятичному
логарифму активности или концентрации
ионов водорода, выраженной в молях на
литр:
pH=-lg[ H+ ]
В
воде концентрация ионов водорода
определяется электролитической
диссоциацией воды по
уравнению
H2O=H++OH-
Константа
диссоциации при 22° С составляет
Пренебрегая
незначительной долей распавшихся
молекул, можно концентрацию
недиссоциированной части воды принять
равной обшей концентрации воды, которая
составляет: С[H2O
]=1000/18=55,55моль/л.
Тогда:
C[
H+ ]
·C[ OH- ]=K·C[H2O]=1,8·10-16·55,55=10-14
Для
воды и ее растворов произведение
концентраций ионов Н+ и ОН- величина
постоянная при данной температуре. Она
называется ионным произведением воды
КВ и
при 25° С составляет 10-14.
Постоянство
ионного произведения воды дает возможность
вычислить концентрацию ионов H+если
известна концентрация ионов OH-
и
наоборот: 
.
Понятия
кислая, нейтральная и щелочная среда
приобретают количественный смысл.
В
случае, если [ H+ ]
=[ OH- ]эти
концентрации (каждая из них) равны 
моль/л,
т.е [ H+ ]
=[ OH-]=10-7моль/л
и среда нейтральная, в этих растворах
pH=-lg[
H+ ]=7 и
рОН=-lg[ OH-]=7
Если [ H+ ]>10-7моль/л,
[ OH-]<10-7моль/л
-среда кислая; рН<7.
Если [
H+ ]<10-7 моль/л,
[ OH-]>10-7моль/л
-среда щелочная; рН>7.
В любом
водном растворе рН + рОН =14, где рОН=-lg[
OH-]
Величина рН имеет большое
значение для биохимических процессов,
для различных производственных процессов,
при изучении свойств природных вод и
возможности их применения и т.д.
Строение молекулы воды
Поведение воды "нелогично". Получается, что переходы воды из твёрдого состояния в жидкое и газообразное происходит при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Этим аномалиям найдено объяснение. Молекула воды H2О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород – водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле H2О, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H2О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H2О. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему, кстати, так велика теплоёмкость воды.
Принято делить все электролиты на две группы: слабые и сильные. Вода относится к слабым электролитам, диссоциация воды характеризуется небольшим количеством диссоциированных молекул, так как они достаточно стойкие и практически не распадаются на ионы. Чистая (без примесей) вода слабо проводит электрический ток. Это обусловлено химической природой самой молекулы, когда положительно поляризованные атомы водорода внедрены в электронную оболочку сравнительно небольшого атома кислорода, который поляризован отрицательно.
Приближённо реакцию раствора можно определить с помощью специальных реакторов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространены метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин и лакмус.