2.4. Ионное произведение воды. Водородный показатель

Электростатическое взаимодействие полярных молекул воды приводит к их самоионизации : 2 ⁺ + или в упрощенной форме ⁺ + ;

Константа диссоциации воды весьма мала :

при 25 °С.

Принимая поэтому концентрацию воды величиной практически постоянной, можно записать

К_д = = .

Но концентрация воды равна 1000 / 18 = 55.56 моль , отсюда полу­чаем = 55.56 = = .

Произведение концентраций ионов водорода и ионов гидроксида назы­вается ионным произведением воды ( ). Ионное произведение воды есть ве­личина постоянная при постоянной температуре.

В чистой воде и нейтральных растворах

= = моль .

Математически более удобной характеристикой среды является водород­ный показатель pH, равный десятичному логарифму концентрации водо­родных ионов, взятому с обратным знаком: pH = -lg . Тогда pH различ­ных растворов будут иметь следующие значения:

кислотный pH < 7.

нейтральный pH = 7,

щелочной pH > 7.

Аналогично, отрицательный десятичный логарифм концентрации гидроксо-ионов называется гидроксильным показателем и обозначается рОН.

Следовательно, ; ; pH + рОН = 14.

Пример 1. Вычисление водородного показателя раствора.

Вычислите водородный показатель pH раствора гидроксида натрия, содержащегося в растворе в концентрации 4.2 моль .

Решение. Концентрация ионов в растворе NaOH равна:

4.2 моль .

Исходя из ионного произведения воды Кв, находим концентрацию ионов водорода :

= 0.24 .

Водородный показатель раствора NaOH равен :

pH = - lg( ) = - lg(0.24 ) = 11.62.

Пример 2. Определение концентрации ионов и в раство­рах сильных кислот и оснований.

Определите концентрацию ионов водорода и pH в 0.01 М растворе со­ляной кислоты.

Решение. Соляная кислота - сильный электролит, в растворе полностью диссо­циирует на ионы : НСl + . Концентрация ионов численно равна концентрации HCI. Из 0.01 моль HCI образуется 0.01 моль иона .

Отсюда, = 0.01 = 1 ; pH = -Ig = 2.

Пример 3. Вычисление pH сильного электролита с учетом его ко­эффициента активности.

Найдите водородный показатель раствора , если его молярная концентрация равна 0.178 моль .

Решение. При значительной концентрации сильного электролита его активная концентрация существенно отличается от истинной. Поэтому в таких случаях нужно вводить поправку на активность электролита. Определяем ионную силу раствора :

J = (0.178 + 0.178 ) = 0.356/2 = 0.178.

Далее по вычисленной ионной силе находим коэффициент активности иона : f( ) = 0.838. Тогда активность ионов : a( ) = 0.83 0.178 = 0.148. Водородный показатель раствора равен :

pH = -Ig а( ) = -Ig 0.148 = 0.83.

Пример 4. Определение концентрации ионов и в растворах слабых кислот и оснований.

Концентрации и ионов в растворах слабой кислоты и слабого основания могут быть вычислены, если известны их константы диссоциации.

В общем виде формула для вычисления концентрации в растворе слабой кислоты : = ;

Концентрация ионов и в растворе слабого основания может быть вычислена по формуле :

; ; .

Определите концентрацию , , pH и рОН в 0.03 М растворе муравьи­ной кислоты, если = 2.1 .

Решение.

= = = 2.5 моль ;

pH = -Lg 2.5 ⁼ 3-Lg 2.5 = 3 - 0.4 = 2.6.

= = 4.0 моль/л;

pOH = 14 - pH = 14-2.6 = 11.4.