Диссоциация воды. Водородный и гидроксильный показатели.

 

Реакции, применяемые в аналитической химии, протекают чаще всего в водных растворах. Вода является слабым электролитом, способным проводить электрический ток. Процесс диссоциации воды, называемый автопротолизом, происходит с образованием ионов гидроксония и гидроксила и описывается уравнением:

H₂O + H₂O D H₃O⁺ + OH^-.

Упрощая, можно записать: H₂O D H⁺ + OH^-.

По закону действующих масс уравнение для расчета константы равновесия будет иметь следующий вид:

или К∙ [H₂O] = [H⁺] [OH^-].

Так как степень диссоциации воды очень мала, то концентрацию ее недиссоциированных молекул можно считать практически постоянной в любом разбавленном растворе. Заменив произведение двух постоянных величин (К∙[H₂O]) новой константой , получаем:

= [H⁺] [OH^-] (2.5)

Величинуназывают ионным произведением воды. Следует отметить, что как бы не изменялись концентрации ионов Н⁺ и ОН^- их произведение во всяком водном растворе остается при данных условиях величиной практически постоянной. Численное значениеопределено из данных по электропроводности воды и составляет при 25 ºС 1∙ 10^-14:

= [H⁺] [OH^-] = 1 ∙ 10^-14.

Так как из каждой молекулы воды при ионизации получается по одному иону Н⁺ и ОН^-, то [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 моль/л - это условие нейтральности.

Если к чистой воде добавить какой-либо кислоты, т.е. увеличить концентрацию ионов водорода в растворе, сделав ее больше 10^-7 моль/л, то концентрация ионов ОН^- примерно во столько же раз уменьшится и станет меньше 10^-7 моль/л. Следовательно в кислом растворе:

[H⁺] >10^-7 > [OH^-].

 

При [H⁺] < 10^-7 и [OH^-] > 10^-7 – среда щелочная.

Вместо концентраций ионов [H⁺] удобней пользоваться отрицательным логарифмом этой величины, называемым водородным показателем и обозначаемым рН. Таким образом:

рН = - lg [H⁺].

Аналогично и для гидроксид-ионов:

рОН = - lg [OH^-].

Тогда водные растворы различной кислотности характеризуются следующими значениями рН: нейтральные – рН = 7; кислые – рН < 7; щелочные - >7. Логарифмируя уравнение (2.5), получаем:

lg [H⁺] + lg [OH^-] = -14 или рН + рОН = 14.

Зная величину рН или рОН, легко рассчитать содержание противоположного иона:

рН = 14 – рОН и наоборот, рОН = 14 - рН. В растворах сильных электролитов вместо концентрации используют активность, т.е. рН = - lg a_H+ или рН = -lg f_H+ [H⁺].

В настоящее время наиболее распространенным способом точного измерения рН растворов является потенциометрическое определение со специальными стеклянными электродами. Для приблизительного, но ускоренного определения кислотности среды, что особенно важно при выполнении качественного анализа, используют специальные индикаторы. Для удобства применения, их, как правило, наносят на полоски фильтровальной бумаги. Сравнивая цвет смоченной в испытуемом растворе полоски с прилагаемым стандартом, определяют приблизительную величину рН.

Для многих процессов величина рН имеет большое значение. Растения могут нормально произрастать лишь при значениях рН почвенного раствора, лежащих в определенном интервале, характерном для данного вида растения. Свойства природных вод, в частности их коррозионная активность, сильно зависят от значения рН.