Водородный показатель

Есть вещества, которые могут проводить электрический ток в водном растворе или в расплаве. Они называются электролитами. При растворении или плавлении такие вещества распадаются на ионы. Этот процесс называют диссоциацией.

Диссоциация воды

Вода является хоть и слабым, но электролитом. Значит, она тоже распадается на катион и анион. Вот уравнение диссоциации воды:

$H_{2}O \leftrightarrow H^{+}+OH^{-}$

Из этого уравнения мы видим, что ионы водорода Н+ и гидроксид–ионы ОН- в воде присутствуют в одинаковых концентрациях. При 25 оС их концентрации равны 10-7 моль/л. Произведение этих концентраций является постоянным и называется ионным произведением воды:

$K_{H_{2}O} = [H^{+}]\cdot [OH^{-}] = 10^{-14}$

В водных растворах электролитов оно тоже постоянно. Так как ионное произведение воды связывает концентрацию водорода и концентрацию гидроксид–ионов в растворе, то с его помощью можно вычислить одну из них, зная другую.
Зачем нам это нужно? Эти концентрации характеризуют среду водного раствора.

Водородный показатель

Также для оценки среды раствора часто применяются водородный показатель рН и гидроксильный показатель рОН. Это отрицательные десятичные логарифмы равновесных молярных концентраций ионов водорода и гидроксид–ионов соответственно. Они вычисляются по формулам:

$pH = -lg [H^{+}]$

$pOH = -lg [OH^{-}]$

Их сумма всегда равна 14.

Среда раствора

Так как же определить среду, зная эти характеристики?

Среда	[H+], моль/л	[ОH–], моль/л	рН
нейтральная	10–7	10–7	7
кислая	> 10–7	< 10–7	< 7
щелочная	< 10–7	> 10–7	> 7

Кислотность раствора повышается при приближении водородного показателя к нулю. Щелочность же увеличивается при приближении рН к 14. Это наглядно показано на схеме:

Индикаторы

Разработаны разные методы для определения $рН$. Самым простым из них является использование индикатора– вещества, изменяющего свой цвет в зависимости от среды (рН). Чаще всего используются лакмус, фенолфталеин и метилоранж. Для каждого из них есть диапазон рН, в котором можно наблюдать изменение их окраски. Но есть и универсальный индикатор, который позволяет определять водородный показатель в широком интервале от 0 до 14. Изменение цвета индикаторов и диапазоны изменения их окраски тут:

Теперь применим теоретические знания на практике и разберем пару заданий по этой теме.

Пример

Рассчитайте значения рН водного раствора азотной кислоты с молярной концентрацией 2·10–5 моль/дм3;
Решение: Применяем формулы расчета водородного и гидроксильного показателей:

$pH = -lg [H^{+}]$

$pOH = -lg [OH^{-}]$

$HNO3$ – это сильный электролит. Следовательно, в растворе он полностью диссоциирует на ионы:

$HNO_{3}\rightarrow H^{+}+NO_{3}^{-}$

Стехиометрические коэффициенты перед HNO3 и Н+ одинаковы. Значит, молярная концентрация Н+ равна молярной концентрации HNO3 в растворе, а это нам дано по условию. Тогда

$pH = -lg [H^{+}]= -lg (2\cdot 10^{-5})=4,7$

Пример

Рассчитайте значение рН водного раствора гидроксида аммония с молярной концентрацией 0,01 моль/дм3.
Решение: Для расчета водородного и гидроксильного показателя используем формулы:

$pH = -lg [H^{+}]$

$pOH = -lg [OH^{-}]$

$NH4OH$ – слабый электролит. Он диссоциирует по уравнению:

$NH_{4}OH\rightarrow NH_{4}^{+}+OH^{-}$

Так как слабые электролиты распадаются на ионы не полностью, то необходимо вычислить степень диссоциации NH4OH. Для этого используем его концентрацию (дана по условию) и константу диссоциации (справочные данные).

$\alpha=\sqrt{\frac{K(NH_{4}OH)}{C(NH_{4}OH)}}=\sqrt{\frac{1,8\cdot 10^{-5}}{0,01}}=4,24\cdot 10^{-2}$

Теперь вычисляем равновесную молярную концентрацию гидроксид – ионов:

$[OH^{-}]=\alpha\cdot C(NH_{4}OH)=4,24\cdot 10^{-2}\cdot 0,01=4,24\cdot 10^{-4}$ моль/дм3.

Расчет значений рОН и рН:

$pOH = -lg [OH^{-}]= -lg (4,24\cdot 10^{-4})=3,37$

$pH = 14-pOH = 14 - 3,37=10,63$

Вам нужно срочно заказать статью по химии для публикации? Обратитесь за помощью к нашим экспертам!