Ионное произведение воды. 
Водородный показатель

Мы уже отмечали, что процесс самоионизации воды для простоты можно формально рассматривать как диссоциацию.

которой отвечает константа равновесия К = [Н*][0Н~]/[Н₂0].

Поскольку степень диссоциации воды очень мала (чистая вода практически не проводит ток — см. разд. 20.4), то равновесная концентрация [H₂Oj —это просто постоянная величина — концентрация воды в воде, равная 55,6 моль/л. Следовательно, ее константа автопротолиза, или произведение, написанное в числителе, — действительно постоянная величина при постоянной температуре. Она носит название ионное произведение воды —X*, и при 25 °Ссоставляет 1,0- 10'¹⁴.Соответственно в чистой воде и нейтральных (не кислых и не основных) водных растворах.

Для удобства выражения кислотности или щелочности растворов не только в химии, но и в любой естественной науке и во многих отраслях производства был введен специальный водородный показатель десятичный логарифм концентрации водородных ионов (в моль/л), взятый с обратным знаком:

(произносится «пэ аш»).

В нейтральной среде pH = 7, в кислой среде, где [Н*] > КГ⁷ моль/л, pH < 7, а в щелочной, где [Н*] < 10'⁷ моль/л, pH > 7.

Иногда пользуются также обозначением рОН = —Ig[ОН" ]. Очевидно, что в любом водном растворе при 25 °C.

Изменение pH — pH-метрия — используется чрезвычайно широко. В биологии и медицине значения pH крови и других биологических растворов характеризуют важнейшие процессы жизнедеятельности животных и растительных организмов. Величина pH служит для определения патологий, так как кислотность всех биологических жидкостей лежит в определенных довольно узких пределах, отклонение от которых свидетельствует о патологических процессах. Например, кровь человека имеет pH 7,35−7,45, слезы — 7,4, желудочный сок — очень кислый pH = 0,9.

В сельском хозяйстве pH характеризует кислотность почв, засухои морозоустойчивость растений и т. д. Очевидно, что pH природных вод является важнейшим гидрохимическим, гидрогеологическим и экологическим показателем.

Величина pH используется для контроля и автоматического регулирования производства в гидрометаллургии, нефтяной, химической, текстильной, бумажной, пищевой и практически любой другой отрасли промышленности, хотя бы в малой степени имеющей дело с растворами.

Практически концентрация водородных ионов может быть грубо оценена с помощью кислотно-основных индикаторов, определена аналитически посредством кислотно-основного титрования или измерена рН-метром.

Вероятно, любой человек еще в детстве обращал внимание на то, как меняется цвет чая, если в него положить лимон, или на то, что цвет пятен от черничного и свекольного сока меняется при намыливании. Все это — примеры действия кислотно-основных индикаторов — природных красителей, окраска которых зависит от pH среды. К хорошо известным индикаторам принадлежат, например, лакмус, метиловый оранжевый и фенолфталеин.

Изменение окраски индикаторов связано с тем, что эти вещества могут существовать в двух по-разному окрашенных формах — либо в кислотной (обозначим ее Hind), либо в основной (Ind"), между которыми существует кислотно-основное равновесие:

Очевидно, что положение этого равновесия, а значит, и окраска раствора зависят от pH. Например, лакмус окрашен в красный цвет (Hind) в кислой среде и в синий (Ind") — в щелочной.

Индикаторы, как правило, представляют собой слабые кислоты или основания, поэтому точка перехода окраски, при которой [Hind] = [Ind" ], может отвечать различным значениям pH. Практически изменение цвета индикатора происходит в некотором интервале кислотности — в 1−2 единицы.

Рис. 16.1. Изменение цвета индикаторов.

Заштрихован интервал pH, в котором индикатор меняет цвет.

pH. Цвета наиболее распространенных индикаторов и области переходов между ними приведены на рис. 16.1.

Иногда используют смесь нескольких индикаторов, если необходимо расширить рабочий интервал измерения pH. Хорошо известен так называемый универсальный индикатор, цвет которого последовательно меняется от красного в кислой области (pH 9).

Специальные приборы — pH-метры — позволяют измерять pH растворов в широком интервале (0—14) более точно (до^0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов, и, что не менее важно, без изменения состава растворов, без каких бы то ни было добавок к нему. pH-Метр представляет собой прибор, измеряющий электродвижущую силу гальванического элемента, один из электродов которого изготовлен из специального стекла. Потенциал стеклянного электрода линейно зависит от pH раствора, окружающего электрод (см. разд. 10.5).

Наиболее точно концентрацию водородных ионов (с точностью порядка десятых или даже сотых долей процента) можно определить методами объемного химического анализа — посредством кислотно-основного титрования. Титрованием в химии называют такую процедуру, когда один раствор (титрант) небольшими порциями, обычно по каплям, добавляется к другому (титруемому). Концентрация добавляемого раствора точно известна. При смешении растворов протекает какая-либо реакция. Специальными методами фиксируют точку эквивалентноет и, т. е. тот момент, когда количество титранта точно равно тому, которое необходимо для завершения реакции с веществом, находящимся в титруемом растворе. Зная объем добавленного раствора титранта и его концентрацию, можно точно определить количество вещества, находящегося в титруемом растворе.