Глава 2. Кислотно-основное равновесие в водных растворах

2.1. Диссоциация воды.

Водородный показатель рН

Вода является слабым амфотерным электролитом и в очень незначительной степени диссоциирует по схеме

H₂O ↔ H⁺ +OH^-

Следовательно, наряду с другими ионами растворенно­го вещества, анализируемый раствор всегда содержит ио­ны Н⁺ и ОН^-. Этот факт должен учитываться при анализе, хотя концентрации [Н⁺] и [ОН^-] очень малы. При 25 °С в одном литре воды диссоциирует только 10^-7 моль воды. Поскольку одна молекула воды при диссоциации дает один ион водорода Н⁺ и один ион гидроксйда ОН^-, то концентра­ция [Н⁺] = [ОН^-] = 10^-7 моль/л. Вода, как и другие слабые электролиты, характеризуется константой диссоциации:

К_д = [Н⁺][ОН]

[н₂о] (2.1)

Запишем это выражение по-другому:

К_д[Н₂О] = [ Н⁺][ОН^-]. (2.2)

Концентрация молекул воды [Н₂О] может рассматри­ваться как практически постоянная величина, так как во­да существует почти исключительно в виде недиссоциированных молекул. Обозначив К_д[Н₂О] через новую по­стоянную Кн₂о, получим

Кн₂о = [Н⁺][ОН^-] (2.3)

Произведение [Н⁺][ОН-] в воде и водных растворах яв­ляется постоянной величиной при постоянной температу­ре. Эта величина называется ионным произведением воды. При 25 °С

Кн₂о = 10 ^{– 14}, т. е. [Н⁺][ОН^-] = 10 ^{– 14} . (2.4)

Прибавленная к воде кислота увеличивает концентра­цию ионов [Н⁺] и уменьшает концентрацию [ОН^-], но ион­ное произведение воды остается постоянным. Прибавлен­ная к воде щелочь, наоборот, уменьшает концентрацию [Н⁺]. Следовательно, увеличение концентрации одного из ионов воды приводит к уменьшению концентрации друго­го. Таким образом, в кислых растворах концентрация [Н⁺] будет больше 10^-7 моль/л, в щелочном растворе концент­рация [Н⁺] будет меньше 10^-7 моль/л, а в нейтральных растворах, где [Н⁺]=[ОН^-], концентрация тех и других ионов равна 10^-7 моль/л.

Пользуясь выражением (2.4), можно вычислить кон­центрацию [Н⁺], если известна концентрация [ОН^-], и на­оборот. С увеличением температуры ионное произведение воды возрастает.

Концентрацию водородных и гидроксид-ионов удобнее выражать через их отрицательные логарифмы и обозна­чать соответственно рН и рОН. Величину рН называют во­дородным показателем; рОН - гидроксильным:

рН = -lg[H⁺]; рОН = -lg[OH^-].

Прологарифмируем выражение (2.4):

lg[H⁺] + lg [ОН^-] = lglO^-14 = -14,

меняем знаки на обратные:

-lg [H⁺] - lg[ОН^-] = 14,

но -lg[H⁺] = рН, a -lg[OH^-] = рОН,

поэтому можем записать:

pH + рОН=14. (2.5)

Так как в нейтральной среде [Н⁺] = 10^-7, в кислой - [Н⁺] >10^-7, в щелочной - [Н⁺] < 10^-7, то в нейтральной среде рН = 7; в кислой среде рН < 7; в щелочной среде рН > 7. За­висимость между концентрацией [Н⁺], величиной рН и средой раствора можно представить в виде схемы:

Существуют различные методы измерения рН. Качест­венно реакцию среды и рН водных растворов электроли­тов определяют с помощью индикаторов.

Индикаторы - это вещества, которые обратимо изме­няют свой цвет в зависимости от среды растворов, т.е. от рН раствора ( табл. 2.1).

Таблица 2.1. Окраска индикаторов в растворах кислот, щелочей и нейтральных растворах

Индикатор	Цвет индикатора
	в щелочи	в кислоте	в нейтральных растворах
Лакмус Фенолфталеин Метиловый оранжевый	Синий Малиновый Желтый	Красный Бесцветный Розовый	Фиолетовый Бесцветный Оранжевый

На практике чаще всего применяют лакмус, фенолфта­леин и метиловый оранжевый (метилоранж). Они изменя­ют свою окраску в малом интервале значений рН: лакмус - в интервале рН от 5,0 до 8,0; фенолфталеин — от 8,2 до 10,0; метилоранж - от 3,1 до 4,4. Применяют также универсальную индикаторную бумагу, с помощью которой определяют рН в широком интервале от 0 до 14.

Концентрация водородных ионов имеет большое значе­ние в биологических и химических процессах, так как в за­висимости от реакции среды эти процессы могут протекать с различной скоростью и в разных направлениях. Постоянст­во рН биологических жидкостей, тканей и органов является одной из важных констант внутренней среды живых орга­низмов. Например, рН сыворотки крови 7,40 ± 0,06, желу­дочного сока - 1,85 ± 0,15, слезной жидкости - 7,7 ± 0,1. Ак­тивность ферментов также связана с определенным значе­нием рН. Например, оптимальная активность пепсина - фер­мента желудочного сока, расщепляющего пептидные связи в белках, проявляется при рН 1,5 - 2,0. Ферменты кишечного сока поджелудочной железы (рН 7,5 - 8,0) - трипсин и химотрипсин, катализирующие гидролиз белков и пептидов, имеют максимальную активность в слабощелочной среде. Фермент слюны - амилаза, под действием которого крахмал и гликоген распадаются до мальтозы, имеет оптимальную активность при рН 6,7, что соответствует рН слюны.

Значение рН водных растворов необходимо контроли­ровать при определении различных веществ в аналитиче­ской химии.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Что называется ионным произведением воды?

2. Какова концентрация ионов водорода в нейтральной, кислой и щелочной средах?

3. Вычислите концентрацию [Н⁺] в водном растворе, если кон­центрация гидроксид-ионов [ОН^-] равна: а) 10^-12 моль/л; б) 10^-10 моль/л.

4. Вычислите концентрацию [ОН^-] в водном растворе, если концентрация [Н⁺] равна: а) 10^-2 моль/л; б) 10^-6 моль/л. Какова окраска метилоранжа в этих растворах?

5. В воду прибавили немного соляной кислоты. Как изме­нится концентрация [Н⁺] и [ОН^-]?

6. рН раствора равен 5. Вычислите [Н⁺] и [ОН^-] в этом раство­ре. Какова окраска фенолфталеина в этом растворе?

7. Концентрация ионов [ОН^-] в растворе увеличилась в 1000 раз. Как изменится концентрация ионов [Н⁺] и во сколь­ко раз?