Диссоциация воды. Водородный показатель рН

3. Диссоциация воды. Водородный показатель рН

Вода является слабым амфотерным электролитом и в очень незначительной степени  диссоциирует по схеме

Следовательно, наряду с другими  ионами растворенного вещества, анализируемый раствор всегда содержит ионы Н+ и ОН-. Этот факт должен учитываться при анализе, хотя концентрации [Н+] и [ОН-] очень малы. При 25 °С в одном литре воды диссоциирует только 10-7 моль воды. Поскольку одна молекула воды при диссоциации дает один ион водорода Н+ и один ион гидроксида ОН-, то концентрация [Н+] = [ОН-] = 10-7 моль/л. Вода, как и другие слабые электролиты, характеризуется константой диссоциации:

Кд=[Н+][ОН-] /  [Н2О] Запишем это  выражение по-другому:

Кд[Н2О] = [Н+][ОН-].

Концентрация молекул воды [Н2О] может рассматриваться как практически постоянная величина, так как вода существует почти исключительно в виде недиссоци-ированных молекул. Обозначив Кд[Н2О] через новую постоянную К Н2О, получим

К Н2О = [Н+][ОН-].

Произведение [Н+][ОН-] в воде и водных растворах является постоянной величиной при постоянной температуре. Эта величина называется ионным произведением воды. При 25 °С

К Н2О= 10-14, т.е. [Н+][ОН-] = 10-14.

Прибавленная к воде кислота  увеличивает концентрацию ионов [Н+] и уменьшает концентрацию [ОН-], но ионное произведение воды остается постоянным. Прибавленная к воде щелочь, наоборот, уменьшает концентрацию [Н+]. Следовательно, увеличение концентрации одного из ионов воды приводит к уменьшению концентрации другого. Таким образом, в кислых растворах концентрация [Н+] будет больше 10-7 моль/л, в щелочном растворе концентрация [Н+] будет меньше 10-7 моль/л, а в нейтральных растворах, где [Н+]=[ОН-], концентрация тех и других ионов равна 10-7 моль/л.

Пользуясь выражением, можно вычислить  концентрацию [Н+], если известна концентрация [ОН-], и наоборот. С увеличением температуры ионное произведение воды возрастает.

Концентрацию водородных и гидроксид-ионов  удобнее выражать через их отрицательные  логарифмы и обозначать соответственно рН и рОН. Величину рН называют водородным показателем; рОН - гидроксильным:

рН = -lg[H+]; рОН = -lg[OH-].

Прологарифмируем выражение:

lg[H+] + lg [ОН-] = lg10-14 = -14,

меняем знаки на обратные:

-lg[H+]-lg[OH-] = 14,

но -lg[H+] = рН, a -lg[OH-] = рОН, поэтому можем  записать:

рН + рОН = 14.

Так как в нейтральной  среде [Н+] = 10-7, в кислой -[Н+] > 10-7, в  щелочной - [Н+] < 10-7, то в нейтральной  среде рН = 7; в кислой среде рН < 7; в щелочной среде рН > 7. Зависимость между концентрацией [Н+], величиной рН и средой раствора можно представить в виде схемы:

Существуют различные  методы измерения рН. Качественно реакцию среды и рН водных растворов электролитов определяют с помощью индикаторов.

Индикаторы — это  вещества, которые обратимо изменяют свой цвет в зависимости от среды растворов, т.е. от рН раствора ( табл. 1).

Таблица 1. Окраска индикаторов  в растворах кислот, щелочей и  нейтральных растворах

На практике чаще всего применяют  лакмус, фенолфталеин и метиловый оранжевый (метилоранж). Они изменяют свою окраску в малом интервале значений рН: лакмус — в интервале рН от 5,0 до 8,0; фенолфталеин - от 8,2 до 10,0; метилоранж — от 3,1 до 4,4. Применяют также универсальную индикаторную бумагу, с помощью которой определяют рН в широком интервале от 0 до 14.

Концентрация водородных ионов  имеет большое значение в биологических и химических процессах, так как в зависимости от реакции среды эти процессы могут протекать с различной скоростью и в разных направлениях. Постоянство рН биологических жидкостей, тканей и органов является одной из важных констант внутренней среды живых организмов. Например, рН сыворотки крови 7,40 ± 0,06, желудочного сока - 1,85 ± 0,15, слезной жидкости - 7,7 ± 0,1. Активность ферментов также связана с определенным значением рН. Например, оптимальная активность пепсина - фермента желудочного сока, расщепляющего пептидные связи в белках, проявляется при рН 1,5 - 2,0. Ферменты кишечного сока поджелудочной железы (рН 7,5 - 8,0) - трипсин и химо-трипсин, катализирующие гидролиз белков и пептидов, имеют максимальную активность в слабощелочной среде. Фермент слюны — амилаза, под действием которого крахмал и гликоген распадаются до мальтозы, имеет оптимальную активность при рН 6,7, что соответствует рН слюны.

Значение рН водных растворов необходимо контролировать при определении различных веществ в аналитической химии.