Диссоциация воды. Водородный показатель. Среды водных растворов электролитов

Вода — слабый амфотерный электролит.

Уравнение ионизации воды с учетом гидратации ионов водорода Н⁺ таково:

Без учета гидратации ионов Н⁺ уравнение диссоциации воды имеет вид:

Как видно из второго уравнения, концентрации ионов водорода Н⁺ и гидроксид-ионов ОН^— в воде одинаковы. При 25^оС [Н⁺] = [ОН^—] = 10^-7 моль/л.

Произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов называется ионным произведением воды (K_H2O).

K_{H2O =} [H⁺]∙[OH^—]

K_H2O — величина постоянная, и при температуре 25^оС

K_H2O = 10^-7∙10^-7 = 10^-14

В разбавленных водных растворах электролитов, как и в воде, произведение концентраций ионов водорода Н⁺ и гидроксид-ионов ОН^— — величина постоянная при данной температуре. Ионное произведение воды дает возможность для любого водного раствора вычислить концентрацию гидроксид-ионов ОН^—, если известна концентрация ионов водорода Н⁺, и наоборот.

Среду любого водного раствора можно охарактеризовать концентрацией ионов водорода Н⁺ или гидроксид-ионов ОН^— .

В водных растворах различают три типа сред: нейтральную, щелочную и кислую.

Нейтральная среда — это среда, в которой концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид-ионов:

[Н⁺] = [OH^—] = 10^-7 моль/л

Кислая среда — это среда, в которой концентрация ионов водорода больше концентрации гидроксид-ионов:

[Н⁺] > [ОН^—], [H+] > 10^-7 моль/л

Щелочная среда — это среда, в которой концентрация ионов водорода меньше концентрации гидроксид-ионов:

[H⁺]< [OH^—],       [H⁺]< 10^-7 моль/л

Для характеристики сред растворов удобно использовать так называемый водородный показатель рН (пэ-аш).

Водородным показателем рН называется отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода: рН = -lg[H⁺].

Например, если [H⁺] = 10^-3 моль/л, то pН = 3, среда раствора — кислая; если [Н⁺] = 10^-12 моль/л, то pН = 12, среда раствора — щелочная:

Чем рН меньше 7, тем больше кислотность раствора. Чем рН больше 7, тем больше щелочность раствора.

Зависимость между концентрацией ионов Н⁺, величиной рН и средой раствора показана на следующей схеме:

Существуют различные методы измерения рН. Качественно характер среды водных растворов электролитов определяют с помощью индикаторов.

Индикаторами называются вещества, которые обратимо изменяют свой цвет в зависимости от среды растворов, т. е. рН раствора.

На практике применяют индикаторы лакмус, метиловый оранжевый (метилоранж) и фенолфталеин. Они изменяют свою окраску в малом интервале рН: лакмус — в интервале рН от 5,0 до 8,0; метилоранж — от 3,1 до 4,4 и фенолфталеин — от 8,2 до 10,0.

Изменение цвета индикаторов показано на схеме:

Заштрихованные области показывают интервал изменения окраски индикатора.

Изменение цвета окраски индикатора метилоранж в зависимости от кислотности среды

Кроме указанных выше индикаторов, применяют также универсальный индикатор, который можно использовать для приблизительного определения рН в широком интервале от 0 до 14.

Величина рН имеет большое значение в химических и биологических процессах, так как в зависимости от характера среды эти процессы могут протекать с разными скоростями и в разных направлениях.

Поэтому определение рН растворов очень важно в медицине, науке, технике, сельском хозяйстве. Изменение рН крови или желудочного сока является диагностическим тестом в медицине. Отклонения рН от нормальных, величин даже на 0,01 единицы свидетельствуют о патологических процессах в организме. Постоянство концентраций ионов водорода Н⁺ является одной из важных констант внутренней среды живых организмов.

Так, при нормальной кислотности желудочный сок имеет рН 1,7; рН крови человека равен 7,4; слюны — 6,9. Каждый фермент функционирует при определенном значении рН: каталаза крови при рН 7 пепсин желудочного сока — при рН 1,5—2; и т. д.