4.9 Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН)

Вода является слабым электролитом и диссоциирует по уравнению: H₂O  H⁺ + OH^-. Выражение для

константы диссоциации имеет вид: К_дис = [H⁺]_рав [OH^-]_рав =1,8 10^-16

[H₂O ]_рав.

Значение К_дис воды определили экспериментально по измерению удельной электропроводности при Т = 25 ^оС. Чистая вода практически не проводит электрический ток, т.е. ά_дис(H₂O) << 1, поэтому можно принять, что

[H₂O ]_рав = [H₂O]_нач. Рассчитаем молярную концентрацию чистой воды, зная, что 1л воды весит 1 кг (ρ =1кг/л):

С_м(H₂O) = m (H₂O) = 1000 г = 55,6 моль/ л.

M (H₂O) _* V (H₂O) 18 г/моль_* 1 л

Подставим полученное значение С_м(H₂O) в уравнение для К_рав::

К_{рав *} 55,6 = К_w = [H⁺] [OH^-] = 10^-14 , где К_w – ионное произведение воды.

В чистой воде [H⁺] [OH^-] = 1 10^-14 , тогда [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 моль/л_.

В водных растворах кислот [H⁺] > [OH^-] или [H⁺] > 7 моль/л, среда кислая.

В водных растворах щелочей и оснований [H⁺] < [OH^-], [H⁺] < 7 моль/л, среда основная или щелочная.

При растворении в воде любых по природе веществ остается неизменным - [H⁺] [OH^-] = 1 10^-14 .

Для удобства выражения реакции среды водных растворов был введен специальный термин, который назвали водородным показателем (рН). рН – отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода:

рН = - lg [H⁺].

Иногда пользуются также показателем рОН – отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов гидроксила. рОН = - lg [ОH^-]

В нейтральной среде рН = 7 ; рОН = 7, рН + рОН = 14

В кислой среде рН < 7 ; рОН < 7, рН + рОН = 14

В щелочной среде pH > 7 ; рОН < 7, рН + рОН = 14

Шкала рН

0―――――――――――――――――――7―――――――――――――――――――14

←―― кислая среды нейтральная среда щелочная среда ――→

растворы кислот чистая вода растворы оснований, щелочей

Кислотность и щелочность (рН) является важнейшей характеристикой всех водных растворов и естественных водных объектов (реки, озера, моря, океаны ). рН контролирует скорость многих химических, биологических и биохимических процессов, играет важную роль в медицине, в технологии пищевой и перерабатывающей промышленности.

Пример 1 Рассчитайте рН раствора, в 500 мл которого содержится 0,245 г серной кислоты. Степень диссоциации кислоты равна 1.

Решение: Уравнение диссоциации кислоты: H₂SO₄ <=> 2H⁺ + SO₄^-2

Выражение для расчета рН: рН = -lg C_M (H⁺), где C_M (H⁺) = n (H⁺) _* άдис _* C_M (кислоты).

Рассчитаем C_M (кислоты) = 0,245 / 98 _* 0,5 = 0,05 моль/л

Тогда рН = -lg ( 1 _* 2 _* 0,05) = -lg 0,1 = 1.

Пример 2 Рассчитайте рН 5,6% раствора КОН, степень диссоциации щелочи в растворе составляет 0,9. Плотность раствора равна 1,02 мл/л.

Решение: Уравнение диссоциации щелочи: КОН <=> К⁺ + ОН^-

Выражение для расчета рН в растворах щелочей : рН = 14 – рОН = 14 – (-lg (ОH^-) _* άдис _*C_M (КОН)).

Рассчитаем C_M (КОН) = 12 _* 1,02 / 56 _* 0,1 = 1,02 моль/л

Тогда рН = 14 -lg ( 0,9 _* 1 _* 1,02) = 13.

ЗАДАЧИ

81. Рассчитайте концентрацию ионов водорода в растворе, если: а) рН=4; б) рОН = 11; в) рН = 12; г) рН = 8.

82. Рассчитайте рН и рОН раствора, в которых концентрация ионов Н⁺ составляет: а)10^-3; б)10^-11; в)10^-5; г) 10^-1.

83. Во сколько раз различается концентрация ионов ОН^- в растворах: а) рН=3 и рОН = 2;

б) рН =14 и рОН = 11; в) рН = 5 и рОН = 5; г) рН = 4 и рОН = 10.

81. Рассчитайте молярную концентрацию растворов НCI, водородный показатель которых равен: а) рН =3; б) рН = 5.

82. Вычислите рН 0,1 М растворе НF.

83. Вычислите рН в 0,1 М растворе сернистой кислоты, учитывая только 1-ю ступень диссоциации.

84. Вычислите рН и степень диссоциации в 0,002 М растворе HCIO.

85. Вычислите рН и степень диссоциации в 0,02 М растворе HNO₂.

86. Вычислить константу гидролиза фторида калия, определить степень гидролиза этой соли в 0,01 М растворе и рН раствора.

87. Определите рН 0,02 М. раствора Н₂СО₃, учитывая только первую ступень диссоциации.

88. Сравните рН среды в 0,1 М и 0,001 М растворах HCN.

89. Рассчитайте рН в растворе Sr(ОН)₂, если 200 мл этого раствора содержат 0,074 г гидроксида кальция. Степень диссоциации электролита равна 1.