10. Іонний добуток води. Водневий показник

Хімічно чиста вода, наприклад дистильована, є дуже слабким електро-літом. Вона незначною мірою дисоціює на іони за рівнянням:

2H₂O H₃O⁺ + OH ^–, (71)

або у спрощеному вигляді:

H₂O H⁺ + OH ^– . (72)

Застосувавши до рівняння дисоціації води закон діючих мас, можна одер-жати вираз для константи дисоціації води:

. (73)

Перепишемо це рівняння таким чином:

К[H₂O] = [H⁺][OH^-]. (74)

При 295 К ступінь електролітичної дисоціації води складає 1,8  10^-9, тобто із 555 000 000 молекул води дисоціює лише одна. Отже, концентрація недисо-ційованих молекул води настільки незначна, що її можна вважати постійною, тому

К[H₂O] = const = = [H⁺][OH^-]. (75)

Постійна величина одержала назву іонного добутку води.

В 1 л (1000 г) води її молярна концентрація буде дорівнювати: 1000 : 18,02 = 55,5 моль/л. Згідно з рівнянням дисоціації води, [H⁺] = [OH^-], враховуючи ступінь дисоціації води [H⁺] = [OH^-] = 55,5  1,8  10^-9 = 10^-7 г-іон/л та підставляючи це значення у рівняння (75), одержимо:

= [H⁺][OH^-] = (1  10^-7)² = 1  10^-14.

Якщо до чистої води додати кислоти, тоді [H⁺] буде  10^-7, а [OH^-]  10^-7. Навпаки, якщо до води додати лугу, тоді [H⁺] буде  10^-7, а [OH^-]  10^-7. Однак яким би чином не змінювались [H⁺] і [OH^-], їх добуток при температурі 295 К завжди залишається рівним 10^-14.

Отже, ступінь кислотності чи лужності розчину можна виразити за допомогою концентрацій іонів H⁺ чи OH^-. Звичайно, користуються концентрацією H⁺-іонів:

– якщо у розчині [H⁺] = [OH ^–] = 10^-7 моль/л – середовище нейтральне;

– якщо у розчині [H⁺]  [OH ^–]; [H⁺]  10^-7 моль/л – середовище кисле;

– якщо у розчині [H⁺]  [OH ^–]; [H⁺]  10^-7 моль/л – середовище лужне.

На практиці записувати концентрації іонів H⁺ або ОН^– через негативний ступінь не зовсім зручно. Тому середовище розчинів характеризують величиною водневого показника рН.

Водневий показник рН – це негативний десятковий логарифм концентра-ції гідроген-іонів у розчині:

рН = – lg[H⁺], або [H⁺] = 10^-рН. (76)

Оскільки концентрація гідроген-іонів може змінюватись у межах іонного добутку, то рН змінюється в інтервалі від нуля до чотирнадцяти.

За допомогою рН середовище розчинів характеризується так:

– нейтральне – рН = 7 (рН = – lg 10^-7 = 7);

– кисле – рН  7;

– лужне – рН  7.

Наглядно взаємозв’язок між концентрацією гідроген-іонів, величиною рН і реакцією середовища розчину можна подати схемою:

Із схем видно, що чим менше значення рН розчину, тим більша кон-центрація іонів Н⁺, тобто вища кислотність середовища, і навпаки, чим більше значення рН, тим менша концентрація іонів Н⁺, тобто вища основність середовища.

Наприклад, значення рН дощової води складає 6 (слабкокисла реакція); водопровідної води – рН = 7,5 (слабколужна реакція).

Виняткова роль рН у різноманітних процесах – і в природі, і в техніці. Рослини можуть існувати лише в певних межах рН для кожного виду. Для буряка, наприклад, оптимальним є значення рН 6-8, для картоплі – 4-8, жита – 4-7, пшениці – 5-8. Тобто для нормального розвитку сільськогосподарських культур і одержання високих врожаїв необхідна певна реакція грунтового розчину.

Найчастіше рослини страждають від підвищеної кислотності, для усунення якої застосовують вапнування ґрунтів – внесення в них вапняків – кальцій або магній карбонатів. Якщо грунти відрізняються підвищеною лужністю (со-лонцюваті і солончакові ґрунти), то для її усунення застосовують гіпсування – внесення розмеленого гіпсу CaSO₄  2Н₂О. Необхідність комплексу агрохіміч-них заходів (вапнування або гіпсування ґрунтів) встановлюють із врахуванням водневого показника ґрунтового розчину.

Водневий показник рН широко використовують при біохімічних дослід-женнях, а також у клінічній і фармакологічній практиці для характеристики кислотно-лужних властивостей різноманітних біологічних середовищ лікар-ських препаратів.

Як свідчать дані табл. 12, рН для фізіологічних рідин змінюється в широких межах. Найбільш низькі значення рН характерні для шлункового соку; реакція тканинних рідин більшості органів – лужна, але близька до нейтральної (рН 7,1-7,2).

Таблиця 12. Значення рН для фізіологічних рідин

Рідина організму людини	Ймовірне значення рН	Можливі коливання
Шлунковий сік	1,65	0,9-2,0
Сеча	5,80	5,0-6,5
Слина	6,75	5,6-7,9
Кров (плазма)	7,36	7,25-7,44
Сльози	7,70	7,60-7,80
Спинно-мозкова рідина	7,60	7,35-7,80