5.4. Ионное произведение воды. Водородный показатель

Вода является слабым электролитом и в незначительной степени диссоциирует:

Н₂О = Н⁺ + ОН^–.

Константа равновесия этого процесса при 22 °С:

К=[Н⁺][ОН^–]/[Н₂О]=1,810^-16.

Молярная концентрация воды [Н₂О] вследствие незначительной диссоциации практически равна общей концентрации воды в 1 л:

[Н₂О] = 1000/18 = 55,56 моль/л.

Тогда [Н⁺][ОН^–]= К[Н₂O] = 1,810^-1655,56 = 10^-14 – эта постоянная величина называется ионным произведением воды.

Обозначается К_воды= [Н⁺][ОН^–].

В нейтральном растворе концентрации ионов Н⁺ и ОН^– равны между собой:

[Н⁺] = [ОН^–] = 10^-7 моль/л.

Однако только в разбавленных растворах можно пользоваться истинными концентрациями Н⁺ и ОН^–. В концентрированных растворах нужно пользоваться активными концентрациями.

Водородный показатель рН является количественной характеристикой среды раствора и вычисляется через отрицательный десятичный логарифм от концентрации ионов Н⁺:

pН = -lg[Н⁺].

Для нейтральных растворов [Н⁺] = [ОН^–] = 10^–7, рН = 7; для кислых – [Н⁺] > 10^–7, рН < 7; для щелочных [Н⁺] < 10^-7, рН > 7.

Гидиоксильный показатель рОН можно определить как

рОН = -lg [ОН^–].

Логарифмируя соотношение [Н⁺][ОН^-] = 10^-7 и меняя знаки на обратные, получим

рН + рОН = 14 при 22 °С.

Примеры составления задач и их решения

Задача 754

Вычислить рН 0,1М раствора циановодородной кислоты по величине ее константы диссоциации.

Решение:

Находим степень диссоциации кислоты

.

Отсюда [Н⁺]= С_м ·  = 0,1·7· 10^-5 =7·10^-6 моль/л. Водородный показатель раствора HСN

рН = - lg[Н⁺] = -lg (7·10^-6) =5,15.

Задачу можно решить и другим способом:

[Н⁺]=· С_м= . Тогда [Н⁺] = .

Задача 766

Вычислить рН 0,175 М раствора азотной кислоты.

Решение:

Азотная кислота – сильный электролит, ее активная концентрация будет отличаться от истинной. Поэтому в таких случаях надо вносить поправку на активность электролита.

Находим предварительно ионную силу раствора HNO₃:

.

В табл. 6 прил. находим коэффициент активности иона Н⁺ для вы­численной ионной силы раствора f_H+ = 0,838. Определяем активность ионов водорода:

а_H+ =f·С_м=0,838·0,175=0,147.

Вычисляем водородный показатель:

pH = -lg а_H+ = - lg 0,147 = = –(–1 + 0,1673) = 0,8327;

pH = 0,83.

При выполнении заданий рекомендуется использовать методические указания [8] и табл. 6,7 приложения.

В задачах 754–765 вычислить рН 0,1М растворов слабых электролитов по величине их констант диссоциации (табл. 7 приложения)

№ задачи	Электролит	№ задачи	электролит	№ задачи	Электролит
754 755 756 757	НСN H2S Н2СO3 NН4ОН	758 759 760 761	СН3СООН HNO2 H2О2 Н2SO3	762 763 764 765	НСООН Н2С2O4 Al(OH)3 Cu(OH)2

В задачах 766–775 вычислить рН растворов сильных электролитов с учетом их коэффициентов активности

№ задачи	электролит	Концентрация, моль/л
766 767 768 769 770 771 772 773 774 775	HNO3 HClO4 HCI НI Н2SO4 KOH NaOH LiOH Ва(ОН)2 RbOH	0,175 0,150 0,205 0,100 0,100 0,130 0,100 0150 0.100 0.200