Хімія. Повторне видання. 9 клас. Попель

§ 9. Вода як електроліт. Водневий показник (pH)

Матеріал параграфа допоможе вам:

• характеризувати електролітичну дисоціацію води;
• з’ясувати, що таке водневий показник (pH);
• визначати приблизне значення pH розчину універсальним індикатором.

Вода як електроліт. Результати дослідів свідчать про те, що вода, в якій немає розчинених електролітів, має низьку електропровідність. Це зумовлено наявністю в ній дуже малої кількості йонів Н⁺ та ОН^-. Такі йони утворюються внаслідок розриву одного з полярних ковалентних зв’язків у молекулі Н₂О (§ 2, с. 14). Отже, вода — електроліт. Вона дисоціює згідно з рівнянням

Н₂О ⇄ Н⁺ + ОН^-.

Вода є дуже слабким електролітом. За температури 25 °С лише одна її молекула з кожних 555 мільйонів молекул розпадається на йони. Ступінь електролітичної дисоціації води становить

Обчислимо кількість речовини катіонів Гідрогену в 1 л чистої води. Для цього спочатку визначаємо кількість речовини води в 1 л (або в 1000 г):

Тепер скористаємося формулою для розрахунку ступеня дисоціації електроліту:

n(Н⁺) = α(Н₂О) • n(Н₂О) = 1,8 • 10^-9 • 55,6 моль = 1,00 • 10^-7 моль.

Отже, в 1 л води міститься 10^-7 моль йонів Н⁺. Інакше кажучи, молярна концентрація катіонів Гідрогену у воді становить 10^-7 моль/л. Оскільки молекула води дисоціює на один йон Н⁺ і один йон ОН^-, то молярна концентрація гідроксид-іонів також дорівнює 10^-7 моль/л.

Молярну концентрацію позначають латинською літерою с.

Водневий показник. Вміст катіонів Гідрогену в багатьох водних розчинах дуже малий. Використовувати й вимовляти, наприклад, наведене вище значення концентрації цих йонів незручно. Тому для характеристики вмісту катіонів Н⁺ у розчині запроваджено величину, назва якої — водневий показник, а позначення — pH (читається «пе-аш»).

Якщо значення молярної концентрації катіонів Гідрогену записати так:

с(Н⁺) = 10^-m моль/л,

то

pH = m.

У чистій воді с(Н⁺) = 10^-7 моль/л, тому pH води дорівнює 7. Для води і будь-якого водного розчину з таким значенням pH використовують термін «нейтральне середовище».

pΗ(Η₂Ο) = 7

У розчині кислоти міститься більше катіонів Гідрогену, ніж у воді, тобто с(Н⁺) > 10^-7 моль/л. Значення молярної концентрації катіонів Н⁺ у розчинах кислот можуть становити, наприклад, 10^-6; 10^-4; 10^-1 моль/л. Їм відповідають значення pH 6, 4, 1.

Розчин лугу містить більше йонів ОН^-, ніж чиста вода, але менше катіонів Гідрогену. Можливими для розчинів лугів є, наприклад, значення молярної концентрації йонів Н⁺ 10^-8; 10^-10; 10^-13 моль/л. Відповідні значення pH: 8, 10, 13.

Отже, для розчинів кислот pH < 7, а для розчинів лугів pH > 7. Щодо таких розчинів використовують терміни «кисле середовище», «лужне середовище» (схема 1).

Схема 1

Значення pH і характер середовища водного розчину

Визначення pH розчинів. Ви вже знаєте, що йони Н⁺ у розчинах кислот і йони ОН^- у розчинах лугів виявляють за допомогою індикаторів (назвіть їх). Серед відомих вам індикаторів лише універсальний дає змогу визначати pH розчину (мал. 25).

Мал. 25. Універсальні індикаторні папірці зі шкалою pH на упаковці

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 2

Установлення приблизних значень pH води, лужних і кислих розчинів за допомогою універсального індикатора

Вам видано штатив із пробірками, в яких містяться вода, розбавлені хлоридна кислота і розчин натрій гідроксиду.

У вашому розпорядженні — універсальні індикаторні папірці, шкала pH, скляна паличка, склянка, промивалка з водою, невеликі аркуші фільтрувального паперу.

Для встановлення значення pH певної рідини занурте в неї скляну паличку і нанесіть за її допомогою краплю рідини на універсальний індикаторний папірець. Порівняйте забарвлення індикатора після дії на нього досліджуваної рідини із кольоровою шкалою pH і запишіть значення водневого показника в таблицю:

Рідина	Значення pH
...	...

Після кожного визначення pH промийте скляну паличку водою і витріть фільтрувальним папером.

У хімічних лабораторіях для вимірювання pH використовують прилади — рН-метри (мал. 26). Вони дають змогу визначати водневий показник із точністю до 0,01.

Мал. 26. pH-метри

• На яке середовище — кисле, лужне чи нейтральне — вказує значення pH на шкалі кожного приладу (мал. 26)?

Значення водневого показника більшості розчинів, які трапляються в природі, менші за 7 або наближаються до цього числа (табл. 1).

Таблиця 1

Середні значення водневого показника деяких рідин

Рідина	pH	Рідина	pH
Шлунковий сік	1,4	Сеча	6,4
Сік лимона	2,1	Слина	7,1
Сік яблук «антонівка»	2,5	Сльози	7,3
Томатний сік	4,1	Кров	7,4
Свіже молоко	6,5	Лімфа	7,4

Істотне відхилення значень pH біологічних рідин в організмі людини від наведених у таблиці спричиняє захворювання або є його наслідком. Людям із підвищеною кислотністю шлункового соку рекомендують пити мінеральну воду з меншою концентрацією йонів Н⁺ (тобто з вищим pH), а людям зі зниженою кислотністю — «більш кислу» воду (з нижчим pH). Водневий показник для багатьох рідких косметичних засобів становить 5,5. Відповідний вміст у них катіонів Н⁺ є оптимальним для шкіри.

На промислових підприємствах здійснюють контроль значень pH деяких харчових продуктів і косметичних засобів. Якщо, наприклад, свіже молоко має нижче значення водневого показника, ніж передбачено стандартом, його не відправляють у торговельну мережу, а використовують для виробництва кисломолочної продукції.

У сільському господарстві кислотність ґрунтового розчину є одним із важливих чинників, які впливають на врожай. Так, картопля найкраще росте на слабкокислих ґрунтах (pH ≈ 5), а буряк — на нейтральних (pH ≈ 7).

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 3

Дослідження pH харчової та косметичної продукції

Вам видано у склянках і пробірках невеликі порції харчових продуктів, приправ, напоїв, а також зубної пасти, косметичного крему, розчинів шампуню та мила.

Перед виконанням досліду додайте до твердих і пастоподібних зразків продукції по 2-3 мл води й перемішайте суміші скляною паличкою.

Визначте pH рідин універсальним індикатором і запишіть результати експерименту в таблицю, аналогічну наведеній до лабораторного досліду № 2.

Прокоментуйте значення pH досліджених рідин.

ВИСНОВКИ

Вода — дуже слабкий електроліт. Незначна частка її молекул дисоціює з утворенням катіонів Гідрогену і гідроксид-іонів. Концентрації йонів Н⁺ і ОН^- у воді однакові — 10^-7 моль/л.

Вміст йонів Н⁺ у воді та водних розчинах характеризують водневим показником (pH). У воді pH = 7, розчинах кислот pH < 7, а в розчинах лугів pH > 7.

Природні розчини та біологічні рідини мають різні значення pH.

61. Охарактеризуйте електролітичну дисоціацію води.

62. Дайте пояснення терміну «водневий показник».

63. Яку перевагу має універсальний індикатор порівняно з лакмусом чи метилоранжем для визначення середовища водних розчинів?

64. Чому pH дощової води, зібраної над територією, де немає населених пунктів і промислових об’єктів, зазвичай становить 5,6-6,0, а не 7,0?

65. Установіть відповідність між рідиною, відносною кількістю йонів у ній і значенням водневого показника:

1. Розчин натрій хлориду у воді

2. Розчин вуглекислого газу у воді

3. Водний розчин вапна

4. Лимонний сік

А. Кількість йонів Н⁺ більша, ніж йонів ОН^-

Б. Кількості йонів Н⁺ і ОН^- однакові

В. Кількість йонів ОН^- більша, ніж йонів Н⁺

а) pH > 7

б) pH < 7

в) pH = 7

66. У якому розчині концентрація катіонів Гідрогену більша — з pH = 6 чи pH = 8? У скільки разів?

67. Визначте кількість йонів Н⁺ і йонів ОН^- у краплі води об’ємом 0,1 мл.

68. Обчисліть масові частки йонів Н⁺ і ОН^- у воді.

69. У воді розчинили 6 г натрій гідроксиду. Виготовлений розчин змішали з розчином, який містив 6,3 г нітратної кислоти. Значення pH рідини, що утворилася:

• а) більше 7;
• б) менше 7;
• в) дорівнює 7.