§ 30 Водородный показатель (рН)

От равновесной концентрации ионов H+ в растворе зависят многие процессы, которые могут протекать в водной среде. Однако работать с молярными концентрациями ионов H+ неудобно, потому что они выражаются числами типа 5 Ч 10–12 моль/л. Чтобы не оперировать отрицатель-

ными показателями степеней, была введена величина водородного показателя, который обозначают рН (читается «пэ аш»). Он характеризует кислотность среды и определяет направление кислотно-основных процессов в ней.

ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ (pH) есть отрицательный логарифм равно-

весной концентрации ионов H+ или H3O+ в растворе: pH –lg[H3O+]

Из этого определения следует, что рН раствора сильной кислоты с концентрацией 1 моль/л равен 0 и что при уменьшении концентрации кислоты в 10 раз рН увеличивается на 1. Чем меньше рН, тем кислее среда.

Водородный показатель можно измерить специальным прибором — рН-метром (рис. 28). В нём обязательно есть электрод, на конце которого — стеклянный шарик из тонкого стекла (мембрана). Внутри шарика находится раствор с определённым значением рН. Ионы H+ сорбируются на этом шарике с двух сторон, в результате чего на мембране возникает разность потенциалов. Она линейно связана с рН. Её измеряют и пересчитывают в значание рН.

Лабораторный опыт. Зависимость рН от концентрации кислоты

Датчиком рН по инструкции учителя измерьте рН раствора соляной кислоты с концентрацией 1 моль/л. Разбавьте раствор в 10 раз (например, отобрав 5 мл

иразбавив водой до 50 мл). Снова измерьте рН. Так проделайте ещё 8 раз.

•Как изменяется рН раствора при его разбавлении в 10 раз?

Всильных кислотах рН можно рассчитать как отрицательный логарифм концентрации кислоты. Однако в слабых кислотах, которые диссоциируют далеко не нацело, его считать сложнее. Из выражения для константы кислотности, уравнения материального баланса (вся кислота находится в растворе либо в виде молекулы HA, либо в виде иона A–), уравнения стехи-

146

ометрии ([H+] = [A–]) и правил действия с

логарифмами можно вывести, что

pH = 0,5(pKa + pC),

где знак «p» перед символом означает отрицательный логарифм. Значения pKa для многих кислот вместе со значениями Ka приведены в таблице 8.

Проводя лабораторный опыт, вы, наверное, заметили, что после седьмого разбавления (концентрация кислоты 10–7, рН = 7)

значение pH перестало изменяться. Возможно, это произошло даже после шестого разбавления. С чем это связано?

Как мы уже писали в предыдущем параграфе, вода вступает в реакцию автодиссоциации с константой равновесия (ионным произведением) 10–14:

2H2O H3O+ + OH–

[H3O+] Ч [OH–] = 10–14.

Это значит, что в чистой воде моль/л, т. е. в чистой воде рН = 7. Чтобы значение рН стало больше 7, в растворе должны при-

сутствовать основания, которые будут связывать ион H3O+ или образовывать ион OH–. Если основание сильное, то значение pH в нём равно 14 минус отрицательный логарифму его концентрации. Если основание слабое, то можно показать, что

pH = 14 – 0,5(pKb – lgC)

Чему равно значение рН раствора NaOH с концентрацией 0,1 моль/л?

Если рН < 7, то среда считается кислотной (чем меньше рН, тем более

кислая среда).

Если рН > 7, то среда считается щелочной (чем больше рН, тем более щелочная среда).

Если рН 7, то среда считается нейтральной.

Многие частицы (например, ион HCO3–) могут вести себя и как кислоты, и как основания:

147

Рис. 29. Значения рН различных растворов и природных вод

Чтобы узнать, как будет вести себя такая частица, нужно сравнить её константу кислотности и константу основности. В данном случае

pKa(HCO3–) = 10,35, а рKb(HCO3–) = 14 – 6,35 = 7,65. рKa > pKb, следо-

вательно, Кa < Kb, т. е. константа основности больше константы кислотности. Это значит, что гидрокарбонат-ион при реакции с водой будет вести себя как основание, и в водном растворе гидрокарбонатов среда будет щелочной, и его рН нужно рассчитывать как рН раствора основания.

Способы расчёта рН растворов кислот и оснований сведены в таблицу 9. Её не нужно запоминать, ей можно пользоваться.

148

Водородный показатель (рН)

Рассчитайте рН 0,1М растворов HCl, NaOH, CH3COOH, NH3, NaH2PO4, Na2HPO4.

Я умею рассчитывать значения водородного показателя в некоторых средах.

149