Диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель, рН

До сих пор мы предполагали и рассматривали процесс диссоциации растворенного вещества под действием молекул растворителя. Но возможен процесс и самодиссоциации растворителя. То есть взаимодействие между собственными молекулами растворителя настолько значительно, что может привести к разрыву связей внутри молекул с образованием новых заряженных частиц – ионов. Например, вода диссоциирует на ионы водорода и гидроксила

Н₂Ожид. ↔ Н⁺раствор + ОН^-раствор, и как следствие – чистая вода обладает электропроводностью (правда, незначительной). Следует отметить, что в воде протон сольватирован и существует в виде иона гидроксония (гидрония) Н₃О⁺. С учетом этого уравнение процесса диссоциации воды (автопротолиз воды) можно записать:

2Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^- . На практике, однако, чаще используют форму записи Н⁺, чем Н₃О^+. В условиях равновесия процесс самодиссоциации воды можно охарактеризовать константой диссоциации Кн₂о: К_д(н₂о)=[ H⁺]⋅[OH⁻]/[ H₂O]

Ее величина очень мала и при 22 ^оС составляет значение равное 1,8 ⋅10^-16. Из этого следует, что в воде образуется очень незначительное количество ионов водорода Н⁺ и гидроксила ОН^- (числитель выражения), а следовательно, и распадается незначительная часть молекул воды. Поэтому можно без большой ошибки считать равновесную концентрацию нераспавшихся молекул воды

[H₂O] в приведенном выражении равной концентрации исходной воды (до диссоциации), которая для одного литра воды, принимая во внимание плотность воды и ее молярную массу, равна [H₂O] = 55,56 моль/л, где 1000 г – масса одного литра воды, 18 – молярная масса воды. Если подставить величину концентрации воды в выражение константы диссоциации, то получим: 1,8⋅10^-16 = [H⁺][OH⁻]/55,56 или [H⁺][OH^-]=К_воды=1,8^.10^-16/55,56 = 1⋅10^-14.

Последнее выражение ─ произведение концентраций ионов водорода и гидроксила ─ называют ионным произведением воды. Величина эта постоянная при данной температуре и характеризует соотношение концентраций ионов водо-

рода и гидроксила чистой воды. Из ионного произведения воды видно, что концентрации ионов водорода и гидроксила равны между собой и в чистой воде составляют величину, равную: [H⁺] = [OH^-] = 1⋅10^-7 моль/л.

Это и понятно, так как каждая распавшаяся молекула воды поставляет одновременно один ион водорода Н⁺ и один ион гидроксила ОН^-. Если вспомнить, что ион водорода Н⁺ является носителем кислотных свойств, а ион гидроксила ОН- ─ основных, то при равенстве их концентраций

[H⁺] = [OH^-] = =10^-7 моль/л вода является нейтральным электролитом: ни кислым, ни основным. Вода выступает в роли амфолита. Если же концентрация ионов водорода [H⁺] в водном растворе будет в силу каких-то причин больше концентрации ионов гидроксила [OH^-] (например, при добавлении молекул кислоты, распадающихся на ионы водорода и кислотного остатка), то раствор будет кислым. Если же, наоборот, концентрация ионов гидроксила будет больше, чем ионов водорода, то раствор окажется основным. Например, если в растворе концентрация ионов водорода [H⁺] = 10^-4 моль/л, а концентрация ионов гидроксила соответственно равна [OH^-] =10^-10 моль/л (их произведение должно равняться [H⁺][OH^-]= 10^-14), то концентрация ионов водорода больше концентрации ионов гидроксила [H⁺] > [OH^-], и раствор окажется кислым (говорят: среда кислая).

В практической работе принято выражать концентрацию ионов водорода через так называемый водородный показатель рН, который представляет собой просто один только показатель степени концентрации ионов водорода

без отрицательного знака. С математической точки зрения рН ─ это отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода: рН = - lg[H⁺].

Если, например, [H⁺] = 10^-4 моль/л, то рН = - lg[10^-4]= 4 (среда кислая). При равных концентрациях ионов водорода и гидроксила [H⁺] = [OH^-] = 10^-7моль/л раствор будет нейтральным и его рН = - lg [10^-7] = 7 (среда нейтральная). Если рН <7, то среда кислая; если рН > 7, то среда щелочная

Иногда применяют не показатель рН, а показатель ионов гидроксила рОН (по аналогии с рН), равный рОН = -lg[OH^-].

Сумма показателей ионов водорода и гидроксила для данного раствора должна быть равной 14, т.е. рН + рОН = 14, так как логарифмирование ионного произведения воды дает следующее соотношение lg ([H⁺]⋅[OH^-]) = lg 10^-14, или lg[H⁺] + lg[OH^-] = -14, а отсюда, принимая во внимание, что рН = -lg[H⁺] и pOH = - lg[OH^-], получим рН + рОН = 14.

Следует отметить, что при расчете рН и рОН концентрациями [H⁺] и [OH^-] можно пользоваться лишь в растворах, ионная сила которых близка к нулю, коэффициенты активности единице, а значит активности равны концентрациям. В противном случае ионное произведение воды равно произведению активностей протонов и гидроксид-ионов: К_воды = а (Н⁺) ∙ а (ОН^-).

Так, для растворов с высокой концентрацией электролитов водородный показатель обозначается р_аН и равен отрицательному логарифму активной (эффективной) концентрации (активности) ионов водорода:: р _а Н = -lg([H⁺] ^. f_H⁺) = -lg[H⁺] - lg f_H⁺ = pH - lg f_H⁺ , р _а ОН = -lg([ОH^-] ^. f_HО^-) = -lg[ОH^-] - lg f_ОH^- = pОH - lg f_ОH^-, где f_H⁺ ― коэффициент активности протонов в данном растворе.

Дата добавления: 2015-04-24