Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электрической проводимостью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы:
H2O ⇄ H+ + OH−
По величине электрической проводимости чистой воды можно вычислить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде. При 25 °C она равна 10−7 моль/л.
Напишем выражение для константы диссоциации воды:
$$K = \frac{[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{H_2O}]}$$
Перепишем это уравнение следующим образом:
$$[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] = [\mathrm{H_2O}]\,K$$
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул H2O в воде практически равна общей концентрации воды, т. е. 55,55 моль/л (1 л содержит 1000 г воды, т. е. 1000 : 18,02 = 55,55 моль). В разбавленных водных растворах концентрацию воды можно считать такой же. Поэтому, заменив в последнем уравнении произведение [H2O] K новой константой KH2O, будем иметь:
$$[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] = K_{\mathrm{H_2O}}$$
Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. Численное значение ее нетрудно получить, подставив в последнее уравнение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов. В чистой воде при 25 °C [H+] = [OH−] = 1·10−7 моль/л. Поэтому для указанной температуры *:
$$K_{\mathrm{H_2O}} = 10^{-7}\cdot 10^{-7} = 10^{-14}$$
Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами. При 25 °C, как уже сказано, в нейтральных растворах концентрация как ионов водорода, так и гидроксид-ионов равна 10−7 моль/л. В кислых растворах больше концентрация ионов водорода, в щелочных — концентрация гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция раствора, произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов остается постоянным.
Если, например, к чистой воде добавить столько кислоты, чтобы концентрация ионов водорода повысилась до 10−3 моль/л, то концентрация гидроксид-ионов понизится так, что произведение [H+][OH−] останется равным 10−14. Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет:
$$[\mathrm{OH^-}] = 10^{-14}/10^{-3} = 10^{-11}\ \text{моль/л}$$
Наоборот, если добавить к воде щелочи и тем повысить концентрацию гидроксид-ионов, например, до 10−5 моль/л, то концентрация ионов водорода составит:
$$[\mathrm{H^+}] = 10^{-14}/10^{-5} = 10^{-9}\ \text{моль/л}$$
Эти примеры показывают, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щелочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:
| Нейтральный раствор | [H+] = 10−7 моль/л |
| Кислый » | [H+] > 10−7 моль/л |
| Щелочной » | [H+] < 10−7 моль/л |
Кислотность или щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем и обозначается через pH:
$$\mathrm{pH} = -\lg\,[\mathrm{H^+}]$$
Например, если [H+] = 10−5 моль/л, то pH = 5; если [H+] = 10−9 моль/л, то pH = 9 и т. д. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе ([H+] = 10−7 моль/л) pH = 7. В кислых растворах pH < 7, и тем меньше, чем кислее раствор. Наоборот, в щелочных растворах pH > 7, и тем больше, чем больше щелочность раствора.
Для измерения pH существуют различные методы. Приближенно реакцию раствора можно определить с помощью специальных реактивов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространенные индикаторы — метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин. В табл. 17 дана характеристика некоторых индикаторов.
Для многих процессов значение pH играет важную роль. Так, pH крови человека и животных имеет строго постоянное значение. Растения могут нормально произрастать лишь при значениях pH почвенного раствора, лежащих в определенном интервале, характерном для данного вида растения. Свойства природных вод, в частности их коррозионная активность, сильно зависят от их pH.
Таблица 17. Важнейшие индикаторы
| Название индикатора | Цвет индикатора в различных средах | ||
|---|---|---|---|
| в кислой | в нейтральной | в щелочной | |
| Метиловый оранжевый | Красный (pH < 3,1) | Оранжевый (3,1 < pH < 4,4) | Желтый (pH > 4,4) |
| Метиловый красный | Красный (pH < 4,2) | Оранжевый (4,2 < pH < 6,3) | Желтый (pH > 6,3) |
| Фенолфталеин | Бесцветный (pH < 8,0) | Бледно-малиновый (8,0 < pH < 9,8) | Малиновый (pH > 9,8) |
| Лакмус | Красный (pH < 5) | Фиолетовый (5 < pH < 8) | Синий (pH > 8) |
* При увеличении температуры значение ионного произведения воды возрастает. При 100 °C оно достигает 5,5·10−13.