90. Диссоциация воды. Водородный показатель

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 K_H2O, 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:

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

* При увеличении температуры значение ионного произведения воды возрастает. При 100 °C оно достигает 5,5·10⁻¹³.