Активная реакция водных растворов

Под активной реакцией среды понимают концентрацию водородных ионов. В числе различных физико-химических защитных констант организма таких, как изотермия, изотония и другие постоянство концентрации водородных ионов – изогидрия – имеет особо важное значение для биологических процессов организма. Физико-химическое состояние белков, каталитическая функция ферментов, активность солевых ионов зависят от концентрации ионов водорода.

Ионное произведение воды. Водородный показатель

Точные измерения показывают, что чистая дистиллированная во­да в незначительной степени электропроводна. Следовательно, вода в некоторой степени диссоцирована, что можно представить уравнением:

Для обратимых процессов константа диссоциаций (К) выражается уравнением:

где [Н⁺ и [OH^-] - концентрации ионов Н⁺ и ОН^- при установившемся равновесии диссоциированных и недиссоциированных: молекул воды. Выражается эта концентрация в г-ионах на литр (г-ион/л), 1 г-ион Н⁺ = I г, I г-ион ОН^- = 17 г. [Н₂О] - равновесная концентрация недиссоцированных молекул воды, моль/л.

Принимая во внимание, что из 555 млн. молекул воды диссоцирует только одна, можно допустить, что концентрация недиссоцированных молекул воды практически равна общей концентрации воды.

Концентрация воды определяется количеством г-молей воды в I л. Таким образом, зная значения К и [H₂O], из уравнения I можно определить величину произведения |Н⁺] и [OH^-]:

|Н⁺]^.[OH^-] = К ^. [H₂O] = 1,8^.10^{-16 .} 55,56 = 1 ^. 10^-14, т.е.

|Н⁺]^.[OH^-] = 10^-14 (2)

Произведение концентрации ионов водорода и ионов гидроксида для воды при постоянной температуре есть величина постоянная и называется ионным произведением воды.

Таким образом, связанные между собой концентрации гидроксид-ионов и ионов водорода являются величинами сопряженными. Следова­тельно, если добавлением кислоты увеличить концентрацию ионов водорода, то одновременно во столько же раз уменьшится концентрация гидроксид-ионов. Следовательно, по концентрации ионов водорода можно судить о характере среды:

|Н⁺]= [OH^-] = 10^-7 - среда нейтральная;

|Н⁺] > [OH^-] > 10^-7 - среда кислая;

|Н⁺] < [OH^-] < 10^-7 - среда щелочная.

Следует отметить, что характеризовать кислотностъ и щелочность раствора числами с отрицательными показателями степени очень неудобно. Поэтому степень кислотности растворов принято выражать не концентрацией ионов Н+, а ее десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком. Эту величину называют водородным показателем и обозначают через рН:

рН = -lg |Н⁺] (3)

Следовательно, диапазон концентраций ионов водорода, выраженных через рН, будет представлен рядом натуральных чисел по схеме:

Рис. 1.2. Диапазон концентраций ионов водорода и значений

рН среды

При переводе с_Н+ в рН следует пользоваться таблицами логарифмов.

Методы определения рН среды

Кислотность среды оценивают рН-метрией. Один из способов определения рН основан на способности некоторых веществ, называемых индикаторами, изменять свою окраску в зависимости от рН среды. Каждый индикатор характеризуется определенным интервалом перехода окраски. Так, фенолфталеин меняет свою окраску от бесцветной до красной в пределах рН 8,2-10,0, а метилоранж – в пределах 3,1-4,4.

Методы определения рН среды, основанные на изменении окраски индикаторов, называют колориметрическими. В настоящее время чаще все­го используют универсальные индикаторы. Это смесь обычных индикато­ров, изменяющая окраску в пределах рН от 2,0 до 10.

При определении рН раствора универсальным индикатором каплю ин­дикатора вносят в исследуемый раствор. Появившуюся окраску сравнивают с прилагаемым к индикатору спектром цветов, соответствующих определенным значениям рН. Точность измерения pН среды колориметрическим методом ± 0,1. В качестве индикатора может служить и бума­га, пропитанная индикатором (бумажные индикаторы).

Другим более точным методом определения рН является электрометрический метод, для определения концентраций водородных ионов в растворе злектрометрическим методом используются гальванические элементы, составленные из двух электродов – электрода сравнения с устойчивым и известным потенциалом и индикаторного (электрода измерения), потенциал которого зависит от концентрации ионов Н⁺в растворе. В качестве электродов сравнения часто применяют водородный, хингидронный, сурьмяный и стеклянный электроды. Стеклянный электрод хорошо работает в агрессивных средах, потенциал его быстро устанавливается.

Электродвижущая сила гальванического элемента может измеряться либо включением в цепь вольтметра, либо компенсационным методом. На практике пользуются только вторым из указанных методов. Сущность его состо­ит в том, что э.д.с. исследуемого гальванического элемента уравно­вешивается разностью потенциалов, которая получается на части рео­хорда компенсационной установки, питаемой двухвольтовым аккумулятором. Оба элемента присоединяются друг к другу одноименными полюсами.