7.4. Электролитическая диссоциация и ионное произведение воды

Вода является очень слабым электролитом. Ее электролити­ческая диссоциация выражается равновесием:

Константа последнего равновесия при 22 °С равна:

Это означает, что из 5,6 • 10⁸ молекул воды диссоциирована на ионы только одна. Следовательно, равновесную концентрацию недиссоциированной воды можно считать равной ее исходной молярной концентрации, т. е. числу молей Н₂0 в 1 л воды: [Н₂0] = 1000/18 = 55,56 моль/л = const. Объединив две посто­янные величины К_а и [Н₂0], получим новую постоянную, кото­рая называется ионным произведением воды Kн₂о

Ионное произведение воды Kн₂о - величина постоян­ная (при данной температуре) для воды и любых вод­ных растворов, равная произведению концентрации ио­нов водорода [Н⁺] и гидроксид-ионов [ОН^-].

При 22 °С

Постоянство ионного произведения воды означает, что в лю­бом водном растворе - нейтральном, кислом или щелочном -имеются и водородные ионы, и гидроксид-ионы, причем произ­ведение концентраций этих ионов всегда равно величине Kн₂о при данной температуре. Это позволяет рассчитать концентра­цию ионов Н⁺ и ОН- в любых водных растворах, используя следующие уравнения:

Значения Kн₂о возрастают при увеличении температуры:

В чистой воде концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, и при 22 °С их значения равны:

Характер водной среды определяется тем ионом (Н⁺ или ОН-), концентрация которого преобладает. Для характеристики кислотности водных сред принято использовать величину мо­лярной концентрации ионов водорода [Н⁺] в этих средах.

На практике реакцию среды в водных растворах принято характеризовать не молярной концентрацией ионов водорода, а водородным показателем.

7.5. Водородный и гидроксильный показатели (рН и рОн)

Для удобства оценки характера водной среды используют безразмерную величину - водородный показатель рН.

В одородный показатель - количественная характеристика кислотности среды, равная отрицательному десятичному лога­рифму концентрации свободных ионов водорода в растворе:

Иногда для характеристикиводной среды наряду с водород­ным показателем используют гидроксильный показатель рОН:

В любом водном растворе [Н⁺][ОН-] = 1,0 • 10^-14 (при 22 °С). Ло­гарифмируя это выражение, получаем:

В нейтральной среде водородный показатель равен:

В кислой среде [Н] > 10^-7, следовательно, рН < 7,0, и чем больше кислотность среды, тем меньше значение рН.

В щелочной среде [Н+] <10^-7, следовательно, рН > 7,0, и чем больше основность среды, тем больше значение рН.

В разбавленных водных растворах различных веществ ве­личина рН изменяется от 0 до 14 (см. табл. 7.2).

В водных растворах кислот и оснований рН среды зависит от природы и концентрации растворенного вещества. При вы­числении рН раствора сильной кислоты или сильного основа­ния необходимо знать молярную концентрацию эквивалента данного вещества и коэффициент активности соответствующего иона (у(Н⁺) или у(ОН^-)) в заданном растворе. Для расчетов ис­пользуют следующие уравнения:

При вычислении рН раствора слабой кислоты или слабого основания необходимо знать молярную концентрацию данного вещества и константу его диссоциации:

В одородный показатель рН широко используется для харак­теристики кислотно-основных свойств различных биологических сред. Значение рН среды оказывает влияние на физико-химичес­кие свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот. Определение рН растворов имеет чрезвычайно важное значение для биологии и сельского хозяйства.

Методы определения рН растворов. Для определения рН растворов используют индикаторный или ионометрический ме тод. Индикаторный метод применяется в том случае, когда не­обходимо быстро и приблизительно оценить рН исследуемого раствора. Индикаторным методом нельзя определить рН мутных и окрашенных растворов. Ионометрический метод позволяет определить этот показатель с большей точностью (0,01 ед. рН). С помощью этого метода можно определить рН мутных, окра­шенных и любых других водных растворов.

Индикаторный метод основан на применении кислотно-основных индикаторов - веществ, изменяющих свою окраску в зависимости от рН раствора. Кислотно-основные индикаторы - это слабые органические кислоты (или основания), у которых цвет нейтральной (неионизованной) и заряженной (ионизован­ной) форм различен, а диссоциация протекает по уравнению:

Поведение индикатора как слабого электролита подчиняется закономерности влияния общего иона Н⁺. Чем больше концен­трация водородных ионов, тем равновесие больше смещено в направлении образования молекул Hind, и раствор имеет окра­ску, соответствующую нейтральной форме индикатора. С умень­шением концентрации Н⁺ увеличивается концентрация иони­зованной формы, и раствор приобретает окраску ионизованной формы Ind-.

И нтервал между двумя значениями в пределах которого в сравнимых количествах (от 1 :10 до 10 : 1) существуют обе формы индикатора и происхо­дит различимое глазом изменение цвета раствора, называется интервалом перехода окраски индикатора:

Положение интервала перехода окраски индикатора на шка­ле рН зависит от величины его рК_а, т. е. от природы индикато­ра. В интервале перехода окраски от рН₁ до рН₂ для индикато­ра наблюдается постепенный переход окраски 1 в окраску 2 и наоборот. Количественно оценить величину рН с помощью дан­ного индикатора можно только в области перехода его окраски (см. табл. 7.3). В других случаях возможна только качествен­ная оценка раствора рН < рК_а - 1 или рН > рК_а + 1.

Для приблизительной оценки рН растворов (с точностью до единицы рН) применяют универсальный индикатор.

У ниверсальный индикатор - это смесь кислотно-основ­ных индикаторов, позволяющая определить значение рН от 1 до 10.

Универсальный индикатор обычно нанесен на бумагу. Ее сма­чивают исследуемым раствором и сравнивают полученную окраску с прилагаемой колориметрической шкалой рН. Этот метод широко используют на практике для быстрого определения рН растворов.

Ионометрический метод определения рН основан на изме­рении потенциала стеклянного электрода, чувствительного к из­менению концентрации ионов Н⁺ в растворе, милливольтметром-ионометром (разд. 25.6.2). Ионометрический метод позво­ляет определить водородный показатель с точностью до 0,01 рН и широко используется в практике для точного определения рН различных сред.