Среда в водных растворах

Как известно, под средой раствора подразумевается повышенное содержание ионов водорода (кислая среда), ионов гидроксида (щелочная среда) или практически равное и очень низкое содержание этих ионов (нейтральная среда). Теория кислот и оснований позволяет уточнить представления о среде.

У жидкой воды, максимально очищенной от примесей, все же есть некоторая электрическая проводимость, обусловленная ионизацией воды, но протолитической реакции:

Эту реакцию можно записать и сокращенно:

По величине электрической проводимости найдено, что при 25 °C концентрации ионов составляют.

При растворении в воде как кислот, так и оснований равновесие ионизации воды смещается влево, но некоторая доля воды все же ионизируется. Поэтому в растворах всегда присутствуют одновременно и катионы Н⁺, и анионы ОН^-. Из закона действующих масс вытекает следующее правило.

В воде и разбавленных водных растворах произведение концентраций ионов водорода и гидроксида является постоянной величиной при данной температуре. Эта постоянная получила название ионное произведение воды, Kw:

При 25 °C K_w = 1 • 10^-14 моль²/л² (рK_w = 14)¹. Ионное произведение воды зависит от температуры. При О °С оно уменьшается до 1,15−10~¹⁵ моль²/л² (рK_w = 14,94), а при 37 °C увеличивается до 2,4−10″ ¹⁴ моль²/л² (рK_w = 13,62).

Пример 14.3. Рассчитайте концентрации ионов Н⁺ и ОН" в растворе с концентрацией c (HCl) = 1 моль/л.

Решение. Хлороводород — сильная кислота, практически все молекулы НС1 ионизированы, поэтому с (Н⁺) = с (НС1) = 1 моль/л.

Рассчитываем концентрацию ОН", используя формулу (14.1):

Концентрация гидроксид-ионов очень мала, но все же они имеются даже в растворе сильной кислоты. Аналогично, в растворе сильного основания имеется высокая концентрация гидроксид-ионов, но одновременно есть и ионы водорода в очень малой концентрации.

Присутствие ионов водорода в воде и во всех водных растворах позволяет применить к ним единую характеристику кислотности, получившую название водородный показатель pH.

Водородный показатель — это десятичный логарифм концентрации ионов водорода, помноженный на -1:

Смысл изменения знака логарифма на противоположный состоит в том, что для наиболее часто применяемых растворов с концентрацией ионов водорода меньше 1 моль/л логарифм отрицателен, вследствие чего после изменения знака pH оказывается положительным числом. В воде и нейтральных водных растворах водородный показатель pH близок к 7.^[1]

В кислых растворах pH 7. Водородный показатель, предложенный датским физико-химиком и биохимиком С. Сёренсеном в 1909 г., оказался очень удобной формой выражения кислотности, получившей широчайшее применение.

В точных научных и технологических работах водородный показатель вычисляют и измеряют по активности ионов водорода:

Вычисление активности ионов рассмотрено в параграфе 88.

Для приближенного расчета pH концентрацию ионов водорода следует представить в стандартной экспоненциальной форме — как произведение десятичной дроби с запятой после первой значащей цифры на степень числа 10. Значение pH определяется в основном показателем степени, а множитель перед экспонентой не вносит принципиальных изменений в результат. Если же необходимо учесть логарифм этого множителя, то достаточно взять его целую часть (до запятой). Логарифмы чисел от 1 до 9 имеют следующие значения:

Пример 14.4. В некотором растворе с (Н⁺) = 0,0021 моль/л. Рассчитайте pH.

Решение. Записываем значение концентрации в стандартной форме:

Записываем выражение для вычисления логарифма:

По приведенным выше данным lg 2 = 0,3. Для второго сомножителя логарифм равен -3:

Преобразуем логарифм в pH: pH = 2,7.

Пример 14.5. Смешали 0,2 л раствора гидроксида калия с концентрацией 0,014 моль/л и 0,3 л раствора азотной кислоты с концентрацией 0,026 моль/л. Рассчитайте pH полученного раствора по концентрации и по активности Н⁺.

Решение. В смеси пойдет реакция нейтрализации, и pH раствора будет определяться избытком кислоты или щелочи. Если количества веществ стехиометрические, то получится нейтральный раствор соли.

Получился раствор сильного основания КОН, в котором.

Находим концентрацию ионов водорода и pH:

Для вычисления активности ионов Н⁺ найдем ионную силу раствора. Она равна суммарной концентрации двухионных сильных электролитов:

По табл. 13.3 находим коэффициент активности ионов ОН^-: 0,90. Вычисляем активность ОН" :

Очевидно, что для данного раствора уточнение pH не привело к существенному изменению результата. Следует также обратить внимание на то, что уменьшение активности ионов ОН" привело к понижению pH.

• [1] Символом «р» обозначается десятичный логарифм величины X, помноженный на -1:?Х = -gX.