загрузка...
 
9.5. Электролитическая диссоциация воды
Повернутись до змісту

9.5. Электролитическая диссоциация воды

Химически чистая вода является чрезвычайно слабым электролитом, но очень незначительная часть молекул Н2О все-таки подвергается электролитической диссоциации:

Н2О ? Н+ + ОН–.

Малый по размеру катион Н+ в воде изолированно существовать не может и моментально гидратируется молекулой воды, превращаясь в ион гидроксония H3O+ (рис. 9.8):

Н+ + Н2О  H3O+,

или      H2O + H2O  H3O+ + OH–.

Реакция, отвечающая уравнению 2Н2О ? Н3О+ + ОН–, называется автопротолизом воды, в процессе которого одна молекула воды отщепляет ион Н+ (протон) и играет роль кислоты, а вторая, присоединяющая протон с образованием иона гидроксония Н3О+, который играет роль основания.

Рисунок 9.8 – Схема автопротолиза воды

Для удобства при записи диссоциации воды обычно пользуются упрощенным уравнением:

Н2О ? Н+ + ОН–.

Экспериментально установлено, что при температуре 220С степень диссоциации воды очень мала: aН2О = 1,8?10–9. А это значит, что на ионы распадается только одна молекула Н2О из приблизительно 1 800 000 000 молекул воды. Значит, вода является слабым электролитом, подчиняется закону действующих масс, поэтому можно записать выражение константы диссоциации:

                   или

Здесь квадратные скобки обозначают молярную концентрацию. Было рассчитано, что при 22оС левая часть последнего уравнения равна K·[H2O] = 10–14. Произведение концентраций ионов ([H+]?[OH–]) получило название ионного произведения воды КН2О:

КН2О = [H+]?[OH–] = 10–14.

Для воды и разбавленных водных растворов при постоянной температуре ионное произведение воды, равное произведению концентраций ионов водорода H+ и гидроксильных ионов OH–, является величиной постоянной.

Водные растворы кислот и оснований имеют такое же значение КН2О при 220С. Поэтому можно вычислить концентрацию [Н+] или [OH–], если одна из этих величин известна:

             и         

Но вести расчеты концентраций [H+] и [OH–] с отрицательным показателем степени не совсем удобно, поэтому используется другая величина – водородный показатель, который обозначается символом рН.

Водородный показатель рН – это величина, характеризующая кислотность среды раствора и равная отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода [H+]:

рН = –lg[H+].

По аналогии с рН был введен и гидроксильный показатель рОН: pОН = –lg[OH–].

Логарифмирование уравнения ([H+]?[OH–]=10–14) дает выражение

lg[H+] + lg[OH–] = –14,

перемножив все члены которого на –1, получим:

-lg[H+] - lg[OH–] = 14                       или                  pH + pOH = 14.

Эти уравнения представляют собой логарифмическую форму ионного произведения воды.

Рассмотрим возможные границы изменения водородного показателя (рН) в зависимости от реакции среды раствора.

В нейтральной среде концентрации водородных и гидроксильных ионов равны между собой [H+] = [OH–] = 10–7, поэтому водородный показатель

рН = –lg[H+] = –lg10–7 = 7.

В кислой среде концентрация водородных ионов больше концентрации гидроксильных ионов [H+] > [OH–], поэтому

[H+] > 10–7, pH < 7.

В щелочной среде концентрация гидроксильных ионов больше, чем водородных [H+] < [OH–], поэтому

[H+] < 10–7, pH > 7.

Растворы, значение рН которых изменяется от 0 до 3, считаются сильнокислыми, а при рН = 4-6 – слабокислыми (рис. 9.9). Для слабощелочных растворов рН колеблется в интервале 8-10, а для сильнощелочных – 11-14.

Рисунок 9.9 – Связь между кислотностью среды и значениями рН

Величина pH сильно влияет на особенности химических реакций, протекающих и в производственных процессах, и в живых организмах. Все обитатели природных вод и почв адаптированы к определенному водородному показателю и при резком его изменении погибают. Большинство живых организмов могут существовать лишь в средах, близких к нейтральным. Это объясняется тем, что под действием ионов H+ и OH– многие белки изменяют свою конфигурацию и заряд. А в сильнокислой и сильнощелочной средах рвётся пептидная связь, соединяющая отдельные аминокислотные остатки в длинные белковые цепи, что приводит к химическим ожогам кожи. Все живые организмы вынуждены поддерживать во внутриклеточных жидкостях определённое значение рН. От величины водородного показателя почвенного раствора зависит урожайность различных культурных растений. Например, на кислых почвах с pH = 5 – 5,5 не развиваются проростки ячменя, но хорошо развивается картофель.

Точное значение рН раствора можно рассчитать или определить экспериментально при помощи специальных методов. Для приблизительного нахождения рН можно воспользоваться индикаторами (от лат. indicator – указатель).

Индикатор – это химическое соединение, которое позволяет увидеть изменения рН в системе по легко заметному признаку (изменение цвета, образование осадка, появление опалесценции и т. п.).

Для определения рН раствора используют кислотно-основные индикаторы. Чаще всего это органические кислоты и основания, которые изменяют свое окрашивание в зависимости от кислотности среды. Интервал значений pH, в котором происходит изменение окраски индикатора, называется интервалом перехода (табл. 9.1, рис. 9.10).

Таблица 9.1 – Кислотно-основные индикаторы

Название

Интервал перехода pH

Окрашивание

в кислой среде

в щелочной среде

Фенолфталеин

8,2 – 10,0

бесцветное

малиновое

Метиловый оранжевый

3,1 – 4,4

розовое

желтое

Метиловый красный

4,2 – 6,3

красное

желтое

Лакмус

6,0 – 8,0

красное

синее

Рисунок 9.10 – Изменение цвета некоторых индикаторов в зависимости от рН среды

Пример 9.3. Рассчитайте величину рН раствора, в 500 мл которого содержится 2 г NaOH.

Решение. Гидроксид натрия относится к сильным электролитам, полностью диссоциирующим в разбавленных растворах по схеме

NaOH  Na+ + OH–.

Поэтому концентрация ионов ОН– равна молярной концентрации NaOH:

[OH–] = CNaOH = m/M?V = 2 г/40 г/моль?0,5 л = 0,1 моль/л.

Тогда значение гидроксильного показателя рОН:

рОН = – lg [OH–] = – lg 0,1 = 1,

а водородный показатель:

рН = 14 – рОН = 14 – 1 = 13.

Пример 9.4. Определите реакцию среды в растворе гидроксида калия КОН концентрации 0,01 моль/л.

Решение. Гидроксид калия – это сильный электролит, поэтому в разбавленных растворах диссоциирует полностью:

КОН  K+ + OH–.

Из уравнения диссоциации следует, что концентрация гидроксильных ионов равна концентрации КОН:

[OH–] = CМ(KOH) = 0,01 моль/л = 10–2 моль/л.

Гидроксильный показатель рОН определяется отрицательным логарифмом концентрации ионов ОН–, связан с водородным показателем соотношением

рН + рОН = 14,

откуда                         рН = 14 – рОН.

Однако рОН = – lg[OH–] = –lg10–2 = 2, поэтому

рН = 14 – 2 = 12.

Значение рН свидетельствует о сильнощелочной реакции среды раствора.

Пример 9.5. Рассчитайте рН в 0,1М растворе этановой (уксусной) кислоты, если степень диссоциации a = 1,34?10–2 (или 0,0134%).

Решение. Уксусная кислота – слабый электролит, поэтому диссоциирует частично:

СН3СООН ? СН3СОО– + Н+,

Концентрация ионов водорода определяется произведением степени диссоциации на общую концентрацию кислоты

[H+] = a?CCH3COOH = 1,34?10–2?0,1 = 1,34?10–3 моль/л,

а водородный показатель равен:

рН = – lg[H+] = –lg (1,34?10–3) = 3 – lg1,34 = 2,88.

Ключевые слова и термины

Русский

Украинский

Английский

Французский

Арабский

водородный показатель

водневий показник

hydrogen ion exponent

valeur de pH

???? ???????????

опалесценция

опалесценція

opalescence

opalescence

????

Запомните!

Вода – очень слабый электролит, поэтому на ионы распадается в очень незначительной степени.

Катион Н+ в водных растворах очень быстро гидратируется с образованием иона гидроксония Н3О+.

Произведение концентраций ионов Н+ и ОН– в водных растворах при постоянной температуре является постоянной величиной.

Водородный показатель рН равен отрицательному логарифму концентрации ионов Н+.

Водородный показатель характеризует реакцию среды раствора (или: кислотность среды).

В кислых растворах [Н+] > [ОН–], в щелочных– [Н+] < [ОН–], а в нейтральных [Н+] = [ОН–].

В кислых растворах рН < 7, в щелочных – рН > 7, а в нейтральных рН ? 7.

Реакцию среды раствора (кислотность среды) можно определить с помощью индикаторов.

Контрольные вопросы

Дайте определение таким понятиям: автопротолиз воды, ионное произведение воды, водородный и гидроксильный показатели, индикаторы, интервал перехода индикатора.

Чему равно ионное произведение воды?

Приведите логарифмическую форму ионного произведения воды.

Как рассчитать концентрацию ионов ОН– в водном растворе, если известна концентрация [Н+]?

В каких интервалах изменяются [Н+] и [ОН–] в кислых и щелочных растворах?

Задания для самостоятельной работы

Выберите правильный ответ (один или несколько):

Если к раствору щелочи прилить избыток кислоты, то рН может измениться следующим образом:

а) от 9 до 5; б) от 7 до 5; в) от 7 до 8; г) от 3 до 8.

Чему равна концентрация ионов Н+ (моль/л) в 0,01М растворе хлороводородной (соляной) кислоты при полной ее диссоциации:

а) 2; б) 2?10–2; в) 2? 10–1; г) 1?10–2?

Каково значение рН 0,01М раствора HNO3, если кислота диссоциирует полностью:

а) 1; б) 2; в) 10; г) 12?

Чему равно значение рН 0,01М раствора КОН:

а) 1; б) 2; в) 10; г) 12?

Если в растворе увеличивается концентрация ионов водорода Н+, то:

а) значение рН возрастает; б) концентрация гидроксид-ионов увеличивается; в) значение рН понижается; г) раствор становится менее кислым.

Чему равна концентрация ионов Н+ (моль/л) в растворе, имеющем рН = 5,0:

а) 1?10–1; б) 1?10–5; в) 5,0; г) 5?10–1?

Наименьшее значение рН имеет раствор с концентрацией:

а) 0,01М NaOH; б) 0,01М Сa(OH)2; в) 0,01М H3РО4; г) 0,01М HCl.



загрузка...