Электролитическая диссоциация воды. 
Ионное произведение воды. 
Водородный показатель рН и гидроксильный показатель рОН, определение рН растворов сильных и слабых кислот

Среди слабых электролитов как один из важнейших растворителей выделяется вода (при 18 °C степень диссоциации воды равна 1,5*10−9). Вода является одним из самых сложных объектов в химии, поскольку в ней наличествуют структурирующие водородные связи такой энергии, которая хотя и не обеспечивает строгой регулярности расположения молекул как в кристаллах, но все-таки не допускает и большого термодинамического хаоса. Картину усложняет то, что вода самопроизвольно диссоциирует на ионы, которые, в свою очередь, вступают во взаимодействие с молекулами воды и их ассоциатами. Это приводит к тому, что жидкая вода имеет очень сложную и динамичную структуру.

Однако для наших целей рассмотрим простейшую модель жидкой воды, состоящей только из молекул H2O. В этом случае диссоциацию воды можно описать схемой: H2O? H+ + OH;

Изучение очищенной от примесей воды показало, что она обладает электропроводностью, повышающейся с ростом температуры. Это можно объяснить небольшой самодиссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы (автопротолизом):

По величине электрической проводимости чистой воды можно вычислить концентрацию ионов гидроксония Н3О+ и гидроксид-ионов в воде. При 25є С она равна 10?7 моль/л.

Константа диссоциации воды может быть вычислена по уравнению.

.

Перепишем это уравнение следующим образом:

Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул Н2О в воде равна общей концентрации воды, т. е. 55,55 моль/л (1 л содержит 1000 г воды, т. е. 1000/18 = 55,55 моль). В разбавленных растворах концентрацию воды можно считать такой же.

Поэтому, заменив произведение Кд 55,55 = Кв новой константой Кв, будем иметь:

[H3O+][OH?] = Kв.

Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов гидроксония и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Она называется ионным произведением воды.

Численное ее значение можно получить, если подставить концентрации ионов гидроксония и гидроксид-ионов. В чистой воде при 25єС [H3O+] = [OH?] = 1· 10?7 моль/л. Поэтому для указанной температуры:

Кв = 10?7.10?7 =10?14.

Диссоциацию воды часто записывают в более простом виде:

Н2О = Н+ + ОН?.

Кв — не зависит от концентрации ионов Н+ и ОН?. Так, если в воду добавить кислоты, концентрация ионов Н+ резко возрастет. Тогда за счет подавления диссоциации воды равновесие этого процесса сместится влево и концентрация ионов ОН? уменьшится, но ионное произведение воды останется неизменным.

Водородный показатель рН. В соответствии теорией электролитической диссоциации ионы Н+ являются носителями кислотных свойств, а ионы ОН? — носителями основных свойств. Поэтому раствор будет нейтральным, когда.

;

;

Для характеристики кислотности (щелочности) среды введен специальный параметр — водородный показатель, или pH.

Водородным показателем, или pH, называется взятый с обратным знаком десятичный логарифм концентрации водородных ионов в растворе:

Из ионного произведения следует:

рН + рОН = 14.

Таким образом, зная рОН, можно легко рассчитать рН, и наоборот, по известному значению рН легко определяется рОН.

Величина рН может служить критерием силы кислоты или основания. В ряду кислот наиболее сильной будет та, у которой при одинаковой молярной концентрации, концентрация ионов Н+ выше (рН ниже).

Водородный показатель имеет важное значение для жизнедеятельности организма, так в норме рН сыворотки крови равен 7,40, слюны — 6,35 — 6,85, желудочного сока 0,9 — 1,1. Отклонение рН от нормальных значений приводит к расстройству деятельности организма.

Расчет рН в растворах сильных кислот.

Расчет рН в растворах сильных одноосновных кислот и оснований проводят по формулам (1−2):

рН = - lg Cк (1).

рН =14 + lg Со (2).

Где Cк, Сомолярная концентрация кислоты или основания, моль/л Пример 1. Вычислить рН, рОН, Н+, ОНв 0.01М HCl.

Решение. Соляная кислота относится к сильным кислотам, поэтому можно принять концентрацию ионов водорода равной концентрации кислоты Н+ =0.01моль/л. Значение рН вычисляется по формуле (1) и равно рН= -lg 0.01 =2. Концентрацию гидроксид-ионов можно найти, зная величину ионного произведения воды:

ОН- =10−14/Н+ = 10−14/0.01 = 10−12 Значение рOH = -lg 10−12 =12.

Кроме того величину рОН можно найти из известного равенства (3) рН + рОН = 14.

Расчет рН в растворах слабых кислот Расчет рН в растворах слабых одноосновных кислот и оснований проводят по формулам (4−5).

рН = ½ (рКк — lgCк) (4).

рН = 14 — ½(рКО — lg CО) (5).

Пример Вычислить рН при сливании 100мл соляной кислоты с Т=0.7 300г/мл со 100мл раствора соляной кислоты с Т (HCl/NaOH) =0.4 000г/мл.

Решение. Значение рН после сливания двух растворов будет определяться суммарной концентраций ионов водорода, которая находится по формуле (6):

(СмV)1 + (СмV)2 = (СмV)3 (6),.

V3 =V1 + V2.

Молярная концентрация ионов водорода в первом растворе находится по формуле.

СМ (HCl)= Т (HC)1000/М (HCl)=0.73 001 000/36.5 = 2.0 моль/л;

СМ (HCl)=f СН (HCl); f=1;

СН (HCl)= Т (HCl/NaOH)1000/МЭ (NaOH) =0.40 001 000/40 =0.01моль/л.

Молярная концентрация ионов водорода в растворе, полученном после сливания и вычисленная по формуле (6) равна. См = 0.105 моль/л, рН = -lg0.105 =0.98.