Диссоциация воды водородный показатель

Вода – малодиссоциированное вещество. Константа диссоциации воды равна

К = = 1,8 • 10^-16 (при 22 °С).

Молярная концентрация воды [Н₂О] составляет 55,5 моль/л, откуда ионное произведение воды (или постоянная воды)

К_в = [Н⁺][0Н] = 1,8 • 10^-16 • 55,5 = 10^-14 (при 22 °С).

Концентрации ионов Н⁺ и ОН^- в нейтральном растворе равны между собой:

[Н⁺] = [ОН^-] = ^-14 = 10 ^-7 моль/л.

Однако при добавлении к воде кислоты или щелочи ион­ное равновесие будет смещено влево (вспомнить действие одноименного иона на степень диссоциации слабого электро­лита).

Количественно характер среды раствора определяется во­дородным показателем рН, который вычисляется через отри­цательный десятичный логарифм от концентрации ионов во­дорода:

рН = –lg [H⁺].

Для нейтральных растворов рН равен 7, для кислых он меньше 7, а для щелочных – больше 7.

Характер среды раствора приблизительно можно определять с помощью кислотно-основных индикаторов, меняющих свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода или гидроксид-ионов. Каждый индикатор характеризуется определенными интервалами рН раствора, при которых он изменяет свой цвет. В табл. 3 приведены интервалы наиболее употребительных индикаторов.

Таблица 3

Интервалы значений рН основных индикаторов

Название индикатора	Цвет при значениях рН ниже интервала индикатора	Интервал индикатора	Цвет при значениях рН выше интервала индикатора
Метиловый оранжевый	красный	3,1–4,4	желтый
Лакмус	красный	5,0–8,0	синий
Фенолфталеин	бесцветный	8,3–10,3	малиновый

Изменение цвета лакмуса от красного до синего происходит при рН от 5 до 8, метилового оранжевого – от розового до желтого – при рН от 3,1 до 4,4, фенолфталеина – от бесцветного до малинового – при рН от 8,3 до 9,8.

Эти интерва­лы значений рН называются областями перехода индикатора. Для установления рН среды пользуются также универсальным индикатором, составленным из специально подобранных веществ.

Более точно рН раствора измеряется с помощью электрического прибора рН-метра (потенциометра).

Примеры решения типовых задач

Пример 1. Концентрация ионов водорода в растворе равна 10^-3 моль/л. Определите рН раствора.

Решение. рН = –lg[10^-3] = 3.

Пример 2. Определите концентрацию ионов водорода в растворе, рН которого равен 4,6.

Решение. –lg [H⁺] = 4,6; следовательно lg [H⁺] = –4,6; [H⁺]=2,5 ∙10^-5 (расчеты вести, используя калькулятор).

Пример 3. Чему равна концентрация гидроксид-ионов в растворе, рН которого равен 10,80?

Решение. Из соотношения рН + рОН = 14 находим:

рОН = 14 – рН = 14 – 10,80 =3,20 отсюда –lg [ОH^-] =3,20; lg [ОH^-]= –3,20

[ОH^-] =6,31∙ 10^-4 моль/л.

Пример 4. Определите концентрации HCO₃^- и СО₃^2- в 0,04 М растворе угольной кислоты, если рН этого раствора равен 4,18.

Решение. Найдем концентрацию ионов водорода в растворе:

–lg[Н⁺] = 4,18; lg[H⁺] = –4,18; [Н⁺] = 6,61 · 10^-5 моль/л

Теперь, воспользовавшись данными прил. Ж, запи­шем выражение для константы диссоциации угольной кислоты по первой ступени:

K₁ =

Подставляя значения [Н⁺] и [Н₂С0₃], находим:

[НСОз^-]= 4,45 ·10^-7·10^-2/(6,61·10^-5) = 6,73·10^-5 моль/л

Аналогично записываем выражение для константы диссоциаций Н₂С0₃ по второй ступени и находим значение [CO₃^2-]:

K₂ =

[CO₃^2-]= 4,69·10^-11·6,73·10^-5/(6,61·10^-5) = 4,8·10^-11 моль/л.

Контрольные вопросы и задачи для самостоятельной работы

1. Может ли в водном растворе концентрация [Н⁺] или [ОН^-] равняться нулю?

2. Вычислите концентрацию [ОН^-] при рН 4,7.

3. Найдите молярную концентрацию ионов Н⁺ в водных растворах, в которых концентрация гидроксид-ионов ( моль/л) составляет: а) 10^-4; б) 3,2·10^-6; в) 7,4·10^-11.

4. Найдите молярную концентрацию ионов ОН^- в водных растворах, в которых концентрация ионов водорода ( моль/л) равна: а) 10^-3; б) 6,5·10^-8; в) 1,4·10^-12.

5. Вычислите рН растворов, в которых концентра­ция ионов Н⁺ ( моль/л) равна: а) 2·10^-7; б) 8,1·10^-3; в) 2,7·10^-10.

6. Вычислите рН растворов, в которых концентрация ионов ОН^- ( моль/л) равна: а) 4,6·10^-4; б) 5·10^-6; в) 9,3·10^-9.

7. Вычислите рН 0,01 н раствора уксусной кис­лоты, в котором степень диссоциации кислоты равна 0,042.

8. Определите рН раствора, в 1 л которого содер­жится 0,1 г NaOH. Диссоциацию щелочи считать полной.

9. Определите [Н+] и [ОН^-] в растворе, рН которого равен 6,2.

10. Вычислите рН следующих растворов слабых электролитов: а) 0,1М НСN; б) 0,02М NH₄OH; в) 0,05н НСООН; г) 0,01М СН₃СООН.

11. Чему равна концентрация раствора уксусной кислоты, рН которого равен 5,2?

12. Степень диссоциации слабой одноосновной кислоты в 0,2 н растворе равна 0,03. Вычислите значения [Н+], [ОН^-] и pOН для этого раствора.

13. Укажите, какие из рядов перечисленных ниже кислот соответствуют возрастанию рН в растворах оди­наковой молярной концентрации a) HCN, HF, HOC1, НСООН, СН₂С1СООН; б) HN0₃, HN0₂, CH₃COOH, HCN; в) НС1, СН₂С1СООН, HF, Н₃В0₃.

14. В 0,01 н. растворе одноосновной кислоты рН = 4. Какое утверждение о силе этой кислоты правильно: а) кислота слабая; б) кислота сильная?

15. Как изменится кислотность 0,2 н раствора HCN при введении в него 0,5 моль/л KCN: а) возрастет; б) уменьшится; в) не изменится?

16. Как надо изменить концентрацию ионов водо­рода в растворе, чтобы рН раствора увеличился на единицу: а) увеличить в 10 раз; б) увеличить на 1 моль/л; в) уменьшить в 10 раз; г) уменьшить на 1 моль/л?

17. Сколько ионов водорода содержится в 1 мл рас­твора, рН которого равен 13: а) 10¹³; б) 60,2·10¹³; в) 6,02 ·10⁷; г) 6,02·10¹⁰?

18. Как изменится рН воды, если к 10 л ее добавить 10^-2 моль NaOH: а) возрастет на 2; б) возрастет на 3; в) возрастет на 4; г) уменьшится на 4?