Константа воды (ионное произведение воды). Водородный показатель

Вода, будучи очень слабым электролитом, диссоциирует в незначительной степени, образуя ионы водорода и гидроксид-ионы:

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^–.

Этому процессу соответствует константа диссоциации:

= 1,8·10^–16 (при 22 ^оС).

Поскольку степень диссоциации воды чрезвычайно мала, то равновесная концентрация ее недиссоциированных молекул с_недисс(Н₂О) практически равна общей концентрации воды: с_недис(Н₂О) = с_общ(Н₂О) = 55,55 моль/дм³ (поскольку 1000 г : 18 г/моль = 55,55 моль). Тогда выражение константы диссоциации воды можно преобразовать следующим образом:

с(Н⁺) · с(ОН^– ) = K_дисс · с_общ(Н₂О) = 1,8 · 10^–16 · 55,55 = 10^–14 = K_w,

Константа K_w называется константой воды или ионным произведением воды. Ее физический смысл заключается в том, что в чистой воде или в любом водном растворе при 22 ^оС произведение молярных концентраций ионов Н⁺ и ОН^– равно 10^–14.

Диссоциация воды – эндотермический процесс, поэтому при увеличении температуры диссоциация молекул Н₂О усиливается и значение K_w возрастает:

T, ^oC 10 22 30 50 100

K_w ∙ 10^–14 0,36 1,00 1,89 5,60 74,00

В чистой воде концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы и при 22 ^оС составляют 10^–7 моль/дм³.

Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами. В нейтральных растворах при 22 ^оС с(Н⁺) = с(ОН^–) = 10^–7 моль/дм³.

В кислых растворах концентрация ионов водорода выше концентрации гидроксид-ионов:

с(Н⁺) > с(ОН^–) и с(Н⁺) > 10^–7 моль/дм³ (при 22 ^оС).

В щелочных растворах концентрации ионов водорода ниже концентрации гидроксид-ионов:

с(Н⁺) < с(ОН^–) и с(Н⁺) < 10^–7 моль/дм³ (при 22 ^оС).

Вместо концентраций ионов Н⁺ и ОН^- удобнее пользоваться их отрицательными десятичными логарифмами; эти величины обозначаются символами pH и pOH и называются соответственно водородным и гидроксидным показателями:

pH = – lg c(H⁺); pOH = – lg c(OH^–).

С учетом этого для чистой воды и любого нейтрального раствора при 22 ^оС:

рН = – lg10^–7 = 7; pOH = – lg10^–7 = 7.

Таким образом, при 22 ^оС для чистой воды и нейтральных растворов pH = pOH = 7, а сумма pH + pOH = 14; для кислых растворов рН<7, а для щелочных растворов pH > 7.

Пример 1.6.3. Определите pH и рОН водного раствора серной кислоты, если ее молярная концентрация равна 0,020 моль/дм³.

Решение.

1. Найдем концентрацию ионов H⁺ в растворе:

Поскольку серная кислота – сильный электролит, то в разбавленном растворе она диссоциирует полностью: H₂SO₄  2H⁺ + . Из этого уравнения видно, что концентрация ионов водорода в 2 раза больше концентрации кислоты:

с(Н⁺) = 2 с(H₂SO₄) = 2 · 0,02 = 0,040 моль/дм³.

2. Найдем рН раствора:

pH = – lg с(H⁺) = – lg 0,04 = 1,4.

3. Из равенства pH + pOH = 14 следует, что:

pOH = 14 – 1,4 = 12,6.

Пример 1.6.4. Рассчитайте молярную концентрацию хлороводорода в растворе, если его водородный показатель равен 1,85.

Решение.

1. Зная рН раствора, найдем концентрацию ионов водорода в нем:

с(Н⁺) = 10^{– рН} = 10^–1,85 = 1,4 ∙ 10^–2 моль/дм³.

2. Найдем концентрацию хлороводорода.

Поскольку хлороводород диссоциирует в растворе полностью по схеме:

HCl → H⁺ + Cl^–,

то его концентрация равна концентрации ионов водорода. Поэтому:

с(HCl) = с(Н⁺) = 1,4 ∙ 10^–2 моль/дм³.