4.2.2. Дисоціація води. Водневий показник
Вода як слабкий електроліт незначною мірою дисоціює на йони Н+ і ОНֿ, що перебувають у рівновазі з недисоційованими молекулами:
Н2О ↔ Н+ + ОНֿ.
Концентрацію йонів звичайно виражають у молях йонів в 1 л. Як видно з рівняння дисоціації води, у ній величини [Н+] і [ОНֿ] однакові. Експериментально встановлено, що в одному літрі води при кімнатній температурі (22º С) дисоціації піддається лише 10-7 моль води і при цьому утворюється 10-7 моль/л йонів Н+ і 10-7 моль/л йонів ОНֿ.
Добуток концентрації йонів Гідрогену і гідроксид-іонів у воді називається йонним добутком води (позначається КВ). При певній температурі КВ – величина стала, чисельно дорівнює при 22º С 10-14:
КВ = [Н+] [ОНֿ] = 10-7 · 10-7 = 10-14.
Сталість добутку [Н+] [ОНֿ] означає, що в будь-якому водному розчині ні концентрація йонів Гідрогену, ні концентрація гідроксид-іонів не може дорівнювати нулю. Іншими словами, будь-який водний розчин кислоти, основи або солі містить як Н+, так і ОНֿ – іони. Дійсно, для чистої води [Н+] = [ОНֿ] = 10-7 моль/л. Якщо у воду добавити кислоту, то [Н+] стане більшою, ніж 10-7, а [ОНֿ] – меншою, ніж 10-7 моль/л. І навпаки, якщо у воду добавити луг, то [Н+] стане меншою, ніж 10-7, а [ОНֿ] – більшою, ніж 10-7 моль/л.
Із сталості добутку [Н+] [ОНֿ] випливає, що при збільшенні концентрації одного з йонів води відповідно зменшується концентрація іншого йона. Це дозволяє обчислити концентрацію Н+– іонів, якщо відома концентрація ОНֿ– іонів, і навпаки. Наприклад, якщо у водному розчині [Н+] = 10-3 моль/л, то [ОНֿ] визначатиметься так:
[ОНֿ] = КВ / [Н+] = 10-14 / 10-3 = 10-11 моль/л.
Отже, кислотність і основність розчину можна виражати через концентрацію або йонів Н+, або йонів ОНֿ. На практиці користуються першим способом. Тоді для нейтрального розчину [Н+] = 10-7, для кислого [Н+] > 10-7, для лужного [Н+] < 10-7 моль/л.
Щоб уникнути незручностей, зв’язаних із застосуванням чисел з від’ємними показниками ступеня, концентрацію йонів Гідрогену прийнято виражати через водневий показник, що позначається символом рН (читається «пе-аш»).
Водневим показником рН називається десятковий логарифм концентрації йонів Гідрогену, взятий з протилежним знаком:
рН = – lg [Н+]
або
[Н+] = 10– рН,
де [Н+] – концентрація йонів Гідрогену, моль/л.
Поняття «водневий показник» було введене датським хіміком Серенсеном у 1909 р.: буква «р» – початкова буква датського слова роtеnz – математичний ступінь, буква «Н» – символ Гідрогену.
За допомогою рН реакція розчинів характеризується так: нейтральна – рН = 7, кисла – рН < 7, лужна – рН > 7. Наочно реакцію розчинів можна виразити схематично у вигляді шкали рН.
З усього цього можна зробити висновок, що, чим менший рН, тим більша концентрація йонів Н+, тобто вища кислотність середовища; і навпаки, чим більший рН, тим менша концентрація йонів Н+, тобто вища основність середовища.
Наведемо значення рН деяких найбільш відомих розчинів і зазначимо відповідну їм реакцію середовища: шлунковий сік – рН = 1,7 (сильнокисла реакція), торф’яна вода – рН = 4 (слабкокисла), дощова вода – рН = 6 (слабкокисла), водопровідна вода – рН = 7,5 (слабколужна), кров – рН = 7,4 (слабколужна), слина – рН = 6,9 (слабкокисла), сльози – рН = 7 (нейтральна).
Винятково велика роль рН у найрізноманітніших явищах і процесах – і в природі, і в техніці. Багато виробничих процесів у хімічній, харчовій, текстильній та інших галузях промисловості відбуваються лише при певній реакції середовища.
Приблизне визначення рН у водних розчинах проводять за допомогою хімічних індикаторів, які змінюють свій колір у певному інтервалі значень рН.