Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович
§ 91. Йонний добуток води. Водневий покажчик pH
Йонний добуток води
Вода є надзвичайно слабким електролітом, проте, хоч і слабко, але вона дисоціює на йони:
H2O ⇄ Н+ + ОН-
Проте, оскільки йон Н+ у розчині самостійно існувати не може через сполучення з молекулою води, то дисоціацію води більш коректно записувати таким рівнянням:
Цей процес називають автопротолізом, або автоіонізацією води. Дисоціація води (автопротоліз) є оборотною, і, як до будь-якого рівноважного процесу, до неї застосовують закон діючих мас (за 25 °С):
У чистій воді та розбавлених розчинах (за концентрації розчинених речовин не більше 0,1 моль/л) рівноважну концентрацію води можна вважати величиною сталою і помножити на неї праву й ліву частини рівняння (1):
Добуток рівноважних концентрацій йонів Н+ і ОН- називають йонним добутком води і позначають Кw (w — від англ. water). Йонний добуток води є величиною сталою і не залежить від природи й концентрації розчинених речовин (у розбавлених розчинах),
а залежить лише від температури, як і константи інших оборотних реакцій:
Kw= [Н+] [ОН-] = 1 • 10-14 (2)
За додавання до води кислоти, наприклад хлоридної, вона дисоціює у воді на йони Н+ і Сl-, отже, концентрація йонів Гідрогену в розчині збільшиться. Оскільки йонний добуток води - це стала величина, то в разі зміни концентрації йонів Н+, концентрація відповідного йону з протилежним знаком заряду теж змінюється так, що йонний добуток завжди залишається сталою величиною.
Так, наприклад, за концентрації хлоридної кислоти 0,1 моль/л у розчині вміст йонів Н+ також дорівнює 0,1 моль/л, оскільки кислота сильна. А концентрація гідроксид-іонів у такому розчині дорівнюватиме:
У такий спосіб можна також визначити концентрацію йонів Н+ у розчинах лугів.
Водневий покажчик pH
У багатьох випадках для представлення кількісної інформації в хімії (математичні розрахунки, діаграми, графіки тощо) не зручно користуватися числами, піднесеними у великій степінь на кшталт 1 • 10-7. Для обчислень із такими числами зручніше користуватися їх логарифмами. Від’ємні логарифми констант або рівноважних концентрацій різних йонів позначають літерою «р» (pH, рОН, pNa, рК тощо) і називають покажчик йонів Гідрогену (водневий покажчик), покажчик гідроксид-іонів тощо:
Якщо прологарифмувати рівняння для йонного добутку води (2), ми отримаємо:
pKw = pH + рОН = 14 (3)
За цим рівнянням можна визначити pH або рОН, знаючи одну з цих величин.
Оскільки в чистій воді й нейтральних розчинах [Н+] = 10-7 моль/л, то в таких розчинах pH = 7, у кислотних — pH < 7 ([Н+] > 10-7 моль/л), а в лужних — pH > 7 ([Н+] < 10-7 моль/л) (мал. 91.1).
Мал. 91.1. Діапазон кислотності розчинів
Приклади обчислення pH у розчинах електролітів
Задача 1. Обчисліть pH у розчині сульфатної кислоти з концентрацією 0,001М.
Задача 2. Обчисліть pH у розчині натрій гідроксиду з концентрацією 0,01М.
Сьорен-Петер-Лауріц Сьоренсен (1868-1939)
Датський фізико-хімік і біохімік, президент Датського королівського товариства, ввів у науку поняття про водневий покажчик pH
Ключова ідея
Вода хоча й украй слабкий, але все ж таки електроліт, для якого справедливі всі властивості слабких електролітів.
Запитання та завдання
536.Що називають автопротолізом? йонним добутком води? водневим покажчиком?
537. Використовуючи математичний вираз йонного добутку води, доведіть, що в чистій воді та в нейтральних розчинах pH = 7.
538. Обчисліть pH розчинів із концентрацією: а) 0,5 моль/л хлоридної кислоти; б) 0,05 моль/л натрій гідроксиду; в) 0,002 моль/л сульфатної кислоти; г) 0,0025 моль/л нітратної і 0,0025 моль/л бромідної кислот.
539. Злили два розчини однакових об'ємів. Перший містив хлоридну кислоту з концентрацією 0,05 моль/л, другий — натрій гідроксид із концентрацією 0,07 моль/л. Обчисліть pH отриманого розчину.
540. Обчисліть pH розчину флуоридної кислоти з масовою часткою 0,4 %, якщо ступінь дисоціації кислоти становить 2,0 %, а густина розчину 1 г/см3.
541. Обчисліть ступінь дисоціації і pH у розчині амоніаку з концентрацією 1 моль/л, якщо 1 л цього розчину містить сумарно 6,045 • 1023 частинок (без урахування молекул води).
542. У розчині слабкої одноосновної кислоти pH = 2,536. Визначте, яка кислота розчинена, якщо її масова частка в розчині 0,23 %, ступінь дисоціації 5,82 %, а густина розчину 1 г/мл.
543. Якщо чисту нейтральну воду (pH = 7) нагріти до кипіння, то її pH дорівнюватиме близько 6,5. Що це доводить: автоіонізація води є екзотермічним чи ендотермічним процесом?
544. Для спрощення розрахунків концентрацію йонів Гідрогену обчислюють з точністю ±5 %. Як це впливає на значення pH розчину? Проілюструйте відповідь на прикладах двох розчинів, у яких [Н+] становить 1,0 • 10-3 моль/л та 5,0 • 10-6 моль/л.
545. В організмі людини pH крові в нормі має значення від 7,35 до 7,45. У скільки разів може змінитися концентрація гідроксид-іонів у крові, якщо pH змінюється від мінімального до максимального значення?
