Вычисление концентрации водородных ионов и pH в водных растворах кислот

Вычисление концентраций водородных ионов в растворе одноосновной сильной кислоты. Одноосновные сильные кислоты (НС1, HN0₃, НС10₄ и др.) в разбавленных растворах диссоциируют практически полностью (степень диссоциации а = 1) по схеме: НАН⁺+А~; концентрация водородных ионов практически равна концентрации кислоты (с_к): [Н⁺] = с_к.

Вычисление концентрации ионов водорода в растворе слабой одноосновной кислоты. Слабые кислоты в водных растворах распадаются на ионы лишь в незначительной мере (степень диссоциации а « 1).

Например, равновесие в водном растворе слабого электролита — уксусной кислоты СН3СООН:

Для слабых электролитов степень диссоциации, а «1, поэтому коэффициенты активности близки к единице, положение равновесия можно характеризовать концентрационной константой равновесия:

Активность растворителя (воды) остается постоянной, поэтому не учитывается в выражении константы равновесия.

Таким образом, равновесие, устанавливающееся при диссоциации уксусной кислоты, характеризуется константой равновесия К_с, которую можно назвать константой диссоциации (ионизации) уксусной кислоты, или константой кислотности уксусной кислоты (К_к).

Если обозначить концентрацию диссоциированных молекул кислоты через х, то.

концентрация недиссоциированных молекул:

Концентрация диссоциированных молекул х очень мала по сравнению с исходной концентрацией, поэтому принимаем, что (с_к — х) ~ с_к. Вводим эти обозначения в уравнение (4.19) и получаем.

откуда.

Следовательно,.

Прологарифмируем уравнение (4.21): и поменяем знаки:

В уравнении (4.22) -lg[H⁺] = pH — водородный показатель, -%К_к = рК_к — показатель кислоты (чем больше рК_к, тем слабее кислота); -lgc_K = рс_к— концентрационный показатель.

Вводим показатели в уравнение (4.22), получаем уравнение для расчета pH в растворе слабой одноосновной кислоты:

Таким образом, для расчета pH в растворе слабой кислоты необходимо знать константу кислотности кислоты К_к и ее исходную концентрацию.

Пример

Рассчитайте pH раствора уксусной кислоты с исходной концентрацией (с_к), равной 0,01 моль/л.

Решение. При комнатной температуре для уксусной кислоты Вводим данные в уравнение (4.23):

Ответ: pH 0,01 М раствора уксусной кислоты равен 3,38.

Вычисление концентрации водородных ионов в растворе слабой многоосновной кислоты. Многоосновные кислоты диссоциируют в несколько ступеней, поэтому каждой из них отвечает своя константа диссоциации (константа кислотности):

Например, в растворах ортоборной кислоты Н₃В0₃ устанавливаются равновесия (константы диссоциации приведены для 25 °С):

Константа диссоциации каждой последующей ступени меньше константы диссоциации предыдущей ступени обычно на несколько порядков.

Произведение всех констант ступенчатой диссоциации равно общей константе диссоциации

Так, для ортоборной кислоты:

Это значение константы диссоциации ортоборной кислоты по схеме.

При расчете концентрации ионов водорода в растворах слабых многоосновных кислот учитывают, как правило, только первую ступень диссоциации. Следовательно, концентрацию водородных ионов рассчитывают по уравнению (4.21):

pH — по уравнению (4.23): pH = 0,5 (р^ + рс_к).