Печатать эту главуПечатать эту главу

§ 26. Понятие о водородном показателе (рН) раствора

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

straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus plus space OH to the power of –.

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+) 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:

c left parenthesis straight H to the power of plus right parenthesis space times space c left parenthesis OH to the power of minus right parenthesis space equals space 10 to the power of negative 14 end exponent space left parenthesis моль divided by дм cubed right parenthesis squared.

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+) > c(ОН), то среда раствора кислая. Если же в растворе преобладают гидроксид-анионы, то есть c(ОН) > c+), 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.

Пример 1. Определите рН раствора серной кислоты, молярная концентрация которой равна 0,005 моль/дм3.

Дано:

с(H2SO4) = 0,005 моль/дм3

pH — ?

Решение

Пусть V(р-ра) = 1 дм3.

Тогда

n(H2SO4) = 0,005 моль/дм3 · 1 дм3 = 0,005 моль.

Определим количество ионов водорода по уравнению диссоциации кислоты:

stack straight H subscript 2 SO subscript 4 with 1 space моль below and 0 comma 005 space моль on top rightwards arrow stack 2 straight H to the power of plus with 2 space моль below and x space моль on top plus space SO subscript 4 superscript 2 minus end superscript, откуда х = 0,01 моль, то есть n+) = 0,01 моль.

Молярная концентрация ионов водорода равна:

c equals n over V semicolon italic space c left parenthesis straight H to the power of plus right parenthesis equals fraction numerator 0 comma 01 space моль over denominator 1 space дм cubed end fraction equals 0 comma 01 space моль divided by дм cubed equals 10 to the power of negative 2 end exponent space моль divided by дм cubed.

Рассчитаем водородный показатель:

рН = –lgс+) = –lg10–2 = 2.

Ответ: рН = 2.

Рассчитаем водородный показатель в щелочном растворе.

Пример 2. Определите pH раствора NaOH c молярной концентрацией 0,01 моль/дм3.

Дано:

с(NaOH) = 0,01 моль/дм3

pH — ?

Решение

Концентрация анионов OH в таком растворе равна 10–2 моль/дм3. Рассчитаем концентрацию ионов водорода, зная, что с+) ∙ с(ОН) = 10–14 (моль/дм3)2.c left parenthesis straight H to the power of plus right parenthesis space times space c left parenthesis OH to the power of minus right parenthesis space equals space c left parenthesis straight H to the power of plus right parenthesis space times space 10 to the power of negative 2 end exponent space моль divided by дм cubed equals 10 to the power of negative 14 end exponent space left parenthesis моль divided by дм cubed right parenthesis squared, откуда

c left parenthesis straight H to the power of plus right parenthesis equals fraction numerator 10 to the power of negative 14 end exponent space left parenthesis моль divided by дм cubed right parenthesis squared over denominator 10 to the power of negative 2 end exponent space моль divided by дм cubed end fraction equals 10 to the power of negative 12 end exponent space моль divided by дм cubed semicolon

следовательно,

рН = –lgc(H+) = –lg10–12 = 12 (щелочная среда).

Ответ: рН = 12.

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).

img
Рис. 59. Шкала значений рН среды в водном растворе

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).

img
Рис. 60. рН-метры

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