§ 26. Понятие о водородном показателе (рН) раствора

Вода является слабым электролитом и только в небольшой степени диссоциирует на ионы Н⁺ и ОН^–:

При 25 °С степень диссоциации α воды равна примерно 2 ∙ 10^–9. Это означает, что из миллиарда молекул воды только две молекулы находятся в виде ионов Н⁺ и ОН^–.

Концентрация ионов водорода с(Н⁺) равна 10^–7 моль/дм³. Такова же концентрация гидроксильных групп с(ОН^–).

Произведение концентраций ионов Н⁺ и OH^– в воде и водных растворах является величиной постоянной при определённой температуре. Так, при 25 °C:

Растворы, в которых концентрация катионов водорода равна концентрации гидроксид-анионов, называют нейтральными. Если концентрация катионов водорода в растворе больше концентрации гидроксид-анионов, то есть c(Н⁺) > c(ОН^–), то среда раствора кислая. Если же в растворе преобладают гидроксид-анионы, то есть c(ОН^–) > c(Н⁺), то среда раствора щелочная.

Количественно кислотность и связанную с ней осно́вность (щёлочность) среды растворов выражают с помощью водородного показателя рH (читается «пэ-аш»). Водородный показатель представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода в растворе, взятый со знаком «минус»:

рH = –lgc(H⁺).

Водородный показатель pH — это мера концентрации в растворе катионов водорода H⁺, количественно выражающая кислотность раствора.

Водородный показатель является безразмерной величиной.

Например, при молярной концентрации катионов H⁺ c(H⁺) = 10^–5 моль/дм³ рН равен 5, а при c(H⁺) = 10^–3 моль/дм³ рН равен 3.

Рассчитаем водородный показатель в щелочном растворе.

Обратите внимание на то, что и в щелочной среде катионы H⁺ продолжают присутствовать в водном растворе.

Поскольку в воде при 20–25 °С концентрации ионов H⁺ и OH^– одинаковы и равны 10^–7 моль/дм³, то для чистой воды рН = –lgc(H⁺) = –lg10^–7 = 7. Такое значение рН соответствует нейтральной среде. Значению рН < 7 соответствует бо́льшая кислотность раствора, а рН > 7 соответствует бо́льшая щёлочность раствора (рис. 59).

Итак, значение рН можно рассчитать, а также оценить с помощью отдельных индикаторов (лакмуса, фенолфталеина, метилоранжа), универсального индикатора cо шкалой рН и приборов — рН-метров (рис. 59, 60).

Измерение рН необходимо в медицине, сельском хозяйстве, науке, на производстве. В организме здорового человека рН крови составляет 7,4, желудочного сока — 1,7, слюны — 6,9, слёз — 7,3–7,5. При консервировании добавление уксусной кислоты в маринад до pH < 4,5 подавляет деятельность большинства бактерий. С аналогичной целью в состав прохладительных напитков вводят лимонную кислоту для понижения значения рН до 3. Для нормального развития растений чаще всего необходимо уменьшать повышенную кислотность почв известкованием с помощью мела CaCO₃, доломитовой муки CaMg(CO₃)₂ или некоторых удобрений до рН = 6,0–6,5 (табл. 16).

Таблица 16. Классификация диапазонов рH почвы

Кислотность почвы	Диапазон рH
Кислая	3,5–6,0
Нейтральная и близкая к нейтральной	6,1–7,8
Щелочная	7,9–9,0 и выше

*Диссоциация воды

Обратимая реакция диссоциации воды подчиняется принципу Ле Шателье, а концентрации ионов Н⁺ и ОН^– в водных растворах взаимосвязаны. Например, увеличение концентрации катионов Н⁺ вдвое вызывает смещение равновесия влево и уменьшение в 2 раза концентрации анионов ОН^–. Наоборот, увеличение концентрации анионов OH^– приводит к пропорциональному уменьшению концентрации катионов Н⁺.

Диссоциация воды является сильно эндотермической реакцией и протекает с поглощением теплоты в количестве 57 кДж/моль. При 10 °С степень диссоциации воды α равна примерно 1 · 10^–9, а при 100 °С — 1,4 · 10^–8. Такая зависимость α от температуры является следствием смещения равновесия эндотермической реакции диссоциации вправо при повышении температуры.

Произведение концентраций ионов Н⁺ и OH^– в воде и водных растворах носит название ионное произведение воды и обозначается K_w. При 25 °С его величина составляет:

K_w = c(H⁺) · c(OH⁻) = 10⁻¹⁴ (моль/дм³)².

Ионное произведение воды K_w — это произведение концентраций катионов водорода Н⁺ и гидроксид-анионов OH⁻ в воде или в водных растворах. При заданной температуре K_w является постоянной величиной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ.

Понятие водородный показатель было введено в 1909 году датским химиком С. П. Л. Серенсеном. В символе рН (от лат. pondus Hydrogenii — «количество водорода»), p — это начальная буква слова pondus или potenz (нем.) — «сила». В настоящее время буква p утратила первоначальное значение сокращения слова и теперь в химии является символом, заменяющим операцию –lg, а буква Н по-прежнему указывает на концентрацию катиона водорода c(H⁺).

*Кислотность и щёлочность среды

Интервал рН от 4 до 7 соответствует слабокислой среде, а интервал от 7 до 10 — слабощелочной. Значения рН < 4 соответствуют сильнокислой среде, а рН > 10 — сильнощелочной (табл. 16.2).

В щелочных растворах рН определяется с использованием численного значения K_w = [H⁺] · [OH^–] = c(H⁺) · c(OH⁻) = 10⁻¹⁴ (моль/дм³)² при 25 °C.

Таблица 16.2. Окраска универсальной индикаторной бумаги и рН в растворах HCl и NaOH различных концентраций

ω(HCl), %	c(H+), моль/дм3	рН	Окраска универсального индикатора			рН	c(OH–), моль/дм3	ω(NaOH), %
4	1	0	↑ Кислотность среды			0	10–14	–
0,4	10–1	1				1	10–13	–
0,04	10–2	2				2	10–12	–
0,004	10–3	3				3	10–11	–
0,0004	10–4	4				4	10–10	–
0,00004	10–5	5				5	10–9	–
0,000004	10–6	6				6	10–8	–
Вода	10–7	7				7	10–7	Вода
–	10–8	8			Щёлочность среды ↓	8	10–6	0,000004
–	10–9	9				9	10–5	0,00004
–	10–10	10				10	10–4	0,0004
–	10–11	11				11	10–3	0,004
–	10–12	12				12	10–2	0,04
–	10–13	13				13	10–1	0,4
–	10–14	14				14	1	4

рН приблизительно измеряют с помощью универсальной индикаторной бумаги, окраска которой после смачивания в исследуемом растворе сравнивается со специальной рН-шкалой, приведённой в таблице 16.2.

*Влияние рН на биохимические процессы

На молочных комбинатах свежесть молока определяют по величине рН. В свежем молоке рН = 6,7, то есть молоко имеет практически нейтральную среду.

В неохлаждённом молоке кислотность быстро увеличивается за счёт размножения молочнокислых бактерий, сбраживающих молочный сахар (лактозу) в молочную кислоту. Молочная кислота свёртывает основной белок молока — казеин. Если молоко не охладить или долго хранить, то по мере накопления молочной кислоты оно свернётся при кипячении или так сильно прокиснет, что свернётся даже без нагревания.

От величины рН зависят многие химические и биологические процессы. Большинство из них протекает с необходимой скоростью и в нужном направлении только при определённой кислотности среды. Ткани организма человека весьма чувствительны к колебаниям показателя pH: за пределами допустимого диапазона 7,34–7,45 возможны разрушение клеток, потеря способности выполнять свои функции белками-катализаторами (ферментами), что ведёт к гибели организма. Поэтому кислотно-щелочной баланс в здоровом организме жёстко регулируется. Отклонение от нормальной физиологической величины рН крови (рН = 7,4), желудочного сока (1,5–2,0), мочи (6,0), кожи (4,7–5,5), секрета поджелудочной железы (8,1), спинномозговой жидкости (7,5), слюны (6,2–7,4), слёз (7,3–7,5) и др. является симптомом ряда заболеваний.

Квашение как заготовка овощей впрок основано на молочнокислом брожении, в процессе которого образуется молочная кислота, оказывающая на продукты консервирующее действие.

Зубной налёт из выделяющих молочную кислоту микроорганизмов создаёт местную кислую среду, которая приводит к разрушению зубов в результате растворения кристаллов гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ зубной эмали при рН < 4,5.

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите кислотность среды (кислая, нейтральная, щелочная), а также соответствующую окраску универсального индикатора:

• а) рН = 14;
• б) рН = 4;
• в) рН = 6;
• г) рН = 9.

2. Больше или меньше семи будет рН раствора после сливания равных объёмов растворов гидроксида калия и серной кислоты, имеющих молярную концентрацию 0,1 моль/дм³?

3. Составьте уравнения диссоциации веществ, в растворах которых лакмус приобретает красную окраску: LiОН, HCOOH, HNO₃, Ca(OH)₂, HCl, H₂SO₄.

4. Даны растворы соединений: NaOH, HCl, NaCl, KOH, HNO₃, Ca(OH)₂, NH₃, CO₂, SO₂, СH₃СOOH, HNO₂, HF. При условии одинаковой молярной концентрации какие из растворов имеют нейтральную среду, pH > 7, pH < 7?

5. Рассчитайте значение рН в растворе:

• а) бромоводородной кислоты с молярной концентрацией 0,0001 моль/дм³;
• б) серной кислоты с молярной концентрацией 0,05 моль/дм³.

6. Определите pH раствора КOH c молярной концентрацией 0,001 моль/дм³.

7. Исходя из значения произведения c(H⁺) · c(OH⁻) = 10⁻¹⁴ (моль/дм³)² при 25 °C, найдите значение молярной концентрации c(OH⁻) при рН 2, 5, 8, 12 и 14. Как приготовить растворы с рН = 2 и рН = 14?

8. Чему равна молярная концентрация (моль/дм³) ионов водорода в растворе с рН = 4?

9. Какая среда будет в растворе, полученном при смешивании равных объёмов растворов, содержащих 3 моль гидроксида натрия и 2 моль серной кислоты?

10. В растворе азотистой кислоты число непродиссоциировавших молекул в 2,5 раза больше числа продиссоциировавших. Укажите степень диссоциации α (в процентах) и рН раствора, если исходная концентрация кислоты в нём была равна 0,0035 моль/дм³.

*Вопросы, задания, задачи

1. Почему вода является слабым электролитом?

2. Почему степень диссоциации воды увеличивается при нагревании?

3. Что такое ионное произведение воды?

4. Какие химические свойства растворов характеризует водородный показатель рН?

5. Больше или меньше 7 будет рН раствора после сливания равных объёмов растворов гидроксида калия и серной кислоты, имеющих молярную концентрацию 0,1 моль/дм³?

6. Как изменится концентрация катионов H⁺ в водном растворе при увеличении в нём концентрации анионов OH^– в 3 раза?

7. Найдите значение молярной концентрации c(OH⁻) при рН 0, 4, 7, 11 и 14.

9. При 10 °С степень диссоциации воды α равна 9,7 · 10^–10 (ρ¹⁰_воды = 0,9997 г/см³), а при 100 °С — 1,39 · 10^–8 (ρ¹⁰⁰_воды = 0,9584 г/см³). Рассчитайте К_w для этих температур.

10. В растворе азотистой кислоты число непродиссоциировавших молекул в 2,5 раза больше числа продиссоциировавших. Укажите степень диссоциации α (в процентах) и рН раствора, если исходная концентрация кислоты в нём была равна 0,0035 моль/дм³.

*Самоконтроль

1. Укажите неверные утверждения:

• а) в растворе кислоты отсутствуют ионы ОН^–;
• б) рН измеряется в моль/дм³;
• в) чем больше концентрации Н⁺, тем больше рН;
• г) в растворе кислоты рН выше, чем в растворе щёлочи.

2. В нейтральном растворе при 25 °С:

• а) c(H⁺) = c(ОH^–);
• б) c(H⁺) < c(ОH^–);
• в) рН = 0;
• г) рН = 7.

3. В растворе хлороводорода концентрация ионов водорода равна 0,001 моль/дм³. Для этого раствора рН равен:

• а) 0,001;
• б) 1;
• в) 2;
• г) 3.

4. В растворе Вa(OH)₂ концентрация ионов Ва²⁺ равна 0,005 моль/дм³. Для этого раствора рН равен:

• а) 0,005;
• б) 2;
• в) 9;
• г) 12.

5. рН < 7 имеют растворы:

• а) лимонного сока;
• б) желудочного сока;
• в) известковой воды;
• г) аммиачной воды