1.5. Диссоциация воды. Водородный показатель

Вода по своей природе является слабым амфотерным электролитом.

Уравнение ионизации воды с учетом гидратации ионов водорода следующее:

.

Без учета гидратации ионов уравнение имеет вид

Как видно из последнего уравнения, концентрация ионов равна концентрации ионов . При 25 °С

Произведение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов называется ионным произведение воды :

.

является постоянной величиной и при температуре 25 °С:

.

Среду любого водного раствора можно охарактеризовать концентрацией ионов водорода или гидроксид-ионов в растворе.

В водных растворах различают три типа сред: нейтральную, щелочную и кислую.

Нейтральная среда — это среда, в которой концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид-ионов:

Кислая среда — это среда, в которой концентрация ионов водорода больше концентрации гидроксид ионов:

Щелочная среда — это среда, в которой концентрация ионов водорода меньше концентрации гидроксид-ионов:

Таким образом избыток ионов водорода в растворе дает кислую реакцию, избыток гидроксид-ионов — щелочную. При равенстве концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов в растворе среда нейтральная.

Для характеристики среды раствора используется водородный показатель .

Водородный показатель — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода в растворе:

Например, если , то , среда раствора — кислая; если , то среда раствора — щелочная; если , то среда нейтральная.

Зависимость между концентрацией ионов, величиной и средой раствора показана на рис. 2

Рис. 2. Зависимость между концентрацией ионов величиной и средой раствора

Для измерения значения существуют различные качественные и количественные методы.

Качественно реакцию среды и водных растворов электролитов определяют с помощью индикаторов.

Индикаторами называются вещества, которые обратимо изменяют свой цвет в зависимости от среды растворов, т.е. раствора.

На практике применяют индикаторы лакмуса, метиловый оранжевый (метилоранж) и фенолфталеин. Они изменяют свою окраску в малом интервале : лакмус — в интервале от 5,0 до 8,0; метилоранж — от 3,1 до 4,4 и фенолфталеин — от 8,2 до 10,0.

На рис. 3 заштрихованные области показывают интервал изменения окраски индикатора.

Рис. 3. Изменение цвета индикаторов в зависимости от среды раствора

Для точного измерения раствора служат приборы, называемые pH-метрами, которые определяют водородный показатель с точностью до сотых долей.

Задачи для самостоятельного решения

1. Вычислить концентрацию ионов в водном растворе, если концентрация гидроксид-ионов равна . Определите характер среды раствора.

2. Вычислить водного раствора, в котором концентрация гидроксид-ионов равна . Как изменится цвет метилоранжа в этом растворе?

3. Концентрация ионов водорода в растворе . Определить концентрацию гидроксид-ионов, и характер среды раствора. Как изменится цвет метилоранжа в этом растворе?

4. Определить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в растворе, характер его среды, если . Как изменится цвет фенолфталеина в этом растворе?

5. Вычислить концентрацию гидроксид-ионов в растворе, если концентрация ионов равна . Определить характер среды.