В главе, посвященной воде (гл. 9), упоминалось о том, что чистая вода не состоит просто из молекул Н2O, а содержит также и ионы гидроксония в концентрации примерно 1·10-7 моль/л (при 25°С) и ионы гидроксила в той же концентрации. Эти ионы образуются в результате аутопротолиза воды (реакции, при которой одна молекула воды в качестве кислоты взаимодействует с другой молекулой воды, выступающей в качестве основания; эта реакция называется также реакцией диссоциации или ионизации воды)
2Н2O ⇔ Н3O+ + ОН-
Молекула, подобная молекуле воды, способная как терять протон, так и присоединять его, называется амфипротной молекулой (от греческого слова amphi — каждый). Только амфипротные молекулы или ионы могут подвергаться аутопротолизу.
Наличие в воде ионов гидроксония и ионов гидроксила удалось установить измерением электропроводности воды. Механизм электропроводности растворов был рассмотрен в разд. 11.2. Там указывалось, что электрический заряд переносится через массу раствора в результате перемещения катионов из области, прилегающей к аноду, в область, окружающую катод, и перемещения анионов из области, прилегающей к катоду, в область, окружающую анод. Если бы чистая вода не содер жала ионов, то ее электропроводность была бы равна нулю. После того как исследователи получили предельно чистую воду путем многократной дистилляции, удалось установить, что электропроводность такой воды приближается к некоторому очень малому значению, составляющему примерно десятимиллионную долю электропроводности 1 М раствора соляной кислоты или гидроокиси натрия. Это свидетельствует о том, что аутопротолиз воды протекает настолько, что приводит к образованию ионов гидроксония и гидроксила в концентрации около одной десятимиллионной доли моля на литр. В результате уточненных измерений было установлено, что в чистой воде при 25 °С* содержится 1,00·10-7 М как [Н3O+], так и [ОН-].
Несмотря на то что в воде присутствует ион гидроксония Н3O+, который и определяет кислотные свойства водных растворов, обычно принято употреблять символ Н+ вместо Н3O+ и говорить об ионе водорода, а не об ионе гидроксония. В последующих разделах данной главы будет использована именно такая терминология, кроме тех случаев, когда изложение основывается на донорно-акцепторной теории (на теории Брёнстеда — Лоури). Следовательно, символ Н+ будет использован как для обозначения негидратированного протона в случаях приложения теории Брёнстеда — Лоури, так и для обозначения иона гидроксония Н3O+, когда эта теория не используется. Таким образом, обозначение Н+ будет применено для протона в смысле теории Брёнстеда — Лоури и для иона водорода (фактически Н3O+) во всех других случаях, когда речь будет идти об ионе водорода (представляющем ион гидроксония).
Водородный показатель (pH)
Обычно вместо того, чтобы сказать, что концентрация ионов водорода в чистой воде равна 1,00·10-7 М, говорят: «pH чистой воды равен 7». Символ pH определяют следующим образом: pH представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода**, взятый с обратным знаком:
рН= -lg [Н+]
или
[Н+] = 10-рН = antilog(-pH)
Из такого определения pH следует, что раствор, содержащий 1 моль ионoв водорода в 1 л, т. е. имеющий концентрацию 10-0 по Н+, имеет pH, равный 0. Раствор, сила которого по ионам водорода в десять раз меньше, содержит 0,1 моля ионов водорода в 1 л и имеет [Н+] = 10-1, а следовательно, pH такого раствора равен 1. Зависимость между концентрацией иона водорода и pH показана в левой части рис. 12.1.
При проведении научно-исследовательских работ и в медицинской практике обычно кислотность растворов характеризуют словами «pH данного раствора равен 3», вместо того, чтобы говорить «концентрация иона водорода в данном растворе равна 10-3». Совершенно очевидно, что величина pH весьма удобна, поскольку позволяет избежать экспоненциального выражения.
Рис. 12.1. Изменение цвета индикаторов.
Химические реакции, связанные с биологическими процессами, часто крайне чувствительны к концентрации ионов водорода среды. На химических предприятиях, например использующих ферменты, чрезвычайно важен контроль значений pH перерабатываемых материалов. И не удивительно, что символ pH был введен датским биохимиком С. П. Л. Сёренсеном в период его работы над проблемами, связанными с производством пива.
Пример 12.1.
Чему равен pH раствора, в котором концентрация ионов водорода [Н+] равна 0,0200?
Решение. Десятичный логарифм 0,0200 равен lg(2×10-2), а это равно 0,301- 2 = -1,699. Поскольку pH раствора и есть десятичный логарифм концентрации водорода взятый с обратным знаком, данный раствор имеет рН = 1б699.
Пример 12.2.
Какова концентрация ионов водорода в растворе, pH которого равен 4,30?
Решение. Раствор с рН 4,30 имеет lg[Н+] = -4,30 или 0,70 - 5. Антилогарифм 0,70 равен 5,0 и антилогарифм -5 равен 10-5. Следовательно, концентрация ионов водорода в этом растворе равна 5,0·10-5.
* Степень аутопротолиза в известной мере зависит от температуры. При 0 °С концентрации [Н3O+] и [ОН-] равны 0,83·10-7 М, а при 100°С они равны 6,9·10-7 М. При смешивании раствора сильной кислоты с раствором сильного основания выделяется большое количество теплоты. Это показывает, что данная реакция протекает с выделением теплоты и, следовательно, реакция диссоциации воды идет с поглощением теплоты. В соответствии с принципом Ле Шателье в этом случае повышение температуры будет сдвигать равновесие диссоциации воды так, чтобы способствовать восстановлению первоначальной температуры; иными словами, реакция будет проходить в том направлении, которое связано с поглощением теплоты. Таким направлением является диссоциация воды на ионы водорода и ионы гидроксила; данный принцип, следовательно, требует, чтобы повышение температуры приводило к усилению диссоциации воды, а именно такое усиление и установлено опытным путем.
** Точнее, «логарифм активности ионов водорода». — Прим, перев.