12.1. Концентрація іона гідроксонію (іона Гідрогену)

У розділі, присвяченому воді (розд. 9), згадувалося, що чиста вода не складається просто з молекул H₂O, а містить також іони гідроксонію в концентрації приблизно 1·10^-7 моль/л (за 25°C) та іони гідроксилу в тій самій концентрації. Ці іони утворюються внаслідок аутопротолізу води (реакції, під час якої одна молекула води як кислота взаємодіє з іншою молекулою води, що виступає як основа; ця реакція називається також реакцією дисоціації або іонізації води)

2H₂O ⇔ H₃O⁺ + OH^-

Молекула, подібна до молекули води, здатна як втрачати протон, так і приєднувати його, називається амфіпротною молекулою (від грецького слова amphi — кожний). Тільки амфіпротні молекули або іони можуть зазнавати аутопротолізу.

Наявність у воді іонів гідроксонію та іонів гідроксилу вдалося встановити вимірюванням електропровідності води. Механізм електропровідності розчинів було розглянуто в підрозд. 11.2. Там указувалося, що електричний заряд переноситься крізь масу розчину внаслідок переміщення катіонів з області, прилеглої до анода, в область, що оточує катод, і переміщення аніонів з області, прилеглої до катода, в область, що оточує анод. Якби чиста вода не містила іонів, то її електропровідність дорівнювала б нулю. Після того як дослідники одержали гранично чисту воду шляхом багаторазової дистиляції, вдалося встановити, що електропровідність такої води наближається до деякого дуже малого значення, яке становить приблизно десятимільйонну частку електропровідності 1 М розчину хлоридної кислоти або натрій гідроксиду. Це свідчить про те, що аутопротоліз води відбувається настільки, що призводить до утворення іонів гідроксонію й гідроксилу в концентрації близько однієї десятимільйонної частки моля на літр. У результаті уточнених вимірювань було встановлено, що в чистій воді за 25 °C* міститься 1,00·10^-7 М як [H₃O⁺], так і [OH^-].

Незважаючи на те що у воді присутній іон гідроксонію H₃O⁺, який і визначає кислотні властивості водних розчинів, звичайно прийнято вживати символ H⁺ замість H₃O⁺ і говорити про іон Гідрогену, а не про іон гідроксонію. У наступних підрозділах цього розділу буде використано саме таку термінологію, крім тих випадків, коли виклад ґрунтується на донорно-акцепторній теорії (на теорії Бренстеда — Лоурі). Отже, символ H⁺ буде використано як для позначення негідратованого протона у випадках застосування теорії Бренстеда — Лоурі, так і для позначення іона гідроксонію H₃O⁺, коли цю теорію не використовують. Таким чином, позначення H⁺ буде застосовано для протона в розумінні теорії Бренстеда — Лоурі та для іона Гідрогену (фактично H₃O⁺) в усіх інших випадках, коли йтиметься про іон Гідрогену (що являє собою іон гідроксонію).

Звичайно замість того, щоб сказати, що концентрація іонів Гідрогену в чистій воді дорівнює 1,00·10^-7 М, кажуть: «pH чистої води дорівнює 7». Символ pH визначають так: pH являє собою десятковий логарифм концентрації іонів Гідрогену**, узятий із протилежним знаком:

pH= -lg [H⁺]

або

[H⁺] = 10^-pH = antilog(-pH) 

З такого визначення pH випливає, що розчин, який містить 1 моль іонів Гідрогену в 1 л, тобто має концентрацію 10^-0 за H⁺, має pH, що дорівнює 0. Розчин, сила якого за іонами Гідрогену в десять разів менша, містить 0,1 моля іонів Гідрогену в 1 л і має [H⁺] = 10^-1, а отже, pH такого розчину дорівнює 1. Залежність між концентрацією іона Гідрогену та pH показано в лівій частині рис. 12.1.

Під час науково-дослідних робіт і в медичній практиці звичайно кислотність розчинів характеризують словами «pH даного розчину дорівнює 3» замість того, щоб говорити «концентрація іона Гідрогену в даному розчині дорівнює 10^-3». Цілком очевидно, що величина pH дуже зручна, оскільки дає змогу уникнути експоненціального виразу.

Рис. 12.1. Зміна кольору індикаторів.

Хімічні реакції, пов'язані з біологічними процесами, часто надзвичайно чутливі до концентрації іонів Гідрогену середовища. На хімічних підприємствах, наприклад тих, що використовують ферменти, надзвичайно важливий контроль значень pH матеріалів, що переробляються. І не дивно, що символ pH було введено датським біохіміком С. П. Л. Сьоренсеном у період його роботи над проблемами, пов'язаними з виробництвом пива.

Чому дорівнює pH розчину, в якому концентрація іонів Гідрогену [H⁺] дорівнює 0,0200?

Розв'язання. Десятковий логарифм 0,0200 дорівнює lg(2×10^-2), а це дорівнює 0,301- 2 = -1,699. Оскільки pH розчину і є десятковий логарифм концентрації Гідрогену, узятий із протилежним знаком, даний розчин має pH = 1б699.

Приклад 12.2.

Яка концентрація іонів Гідрогену в розчині, pH якого дорівнює 4,30?

Розв'язання. Розчин із pH 4,30 має lg[H⁺] = -4,30 або 0,70 - 5. Антилогарифм 0,70 дорівнює 5,0 і антилогарифм -5 дорівнює 10^-5. Отже, концентрація іонів Гідрогену в цьому розчині дорівнює 5,0·10^-5. 

* Ступінь аутопротолізу певною мірою залежить від температури. За 0 °C концентрації [H₃O⁺] і [OH^-] дорівнюють 0,83·10^-7 М, а за 100°C вони дорівнюють 6,9·10^-7 М. Під час змішування розчину сильної кислоти з розчином сильної основи виділяється велика кількість теплоти. Це показує, що ця реакція відбувається з виділенням теплоти і, отже, реакція дисоціації води йде з поглинанням теплоти. Відповідно до принципу Ле Шательє в цьому випадку підвищення температури зсуватиме рівновагу дисоціації води так, щоб сприяти відновленню первісної температури; іншими словами, реакція проходитиме в тому напрямку, який пов'язаний з поглинанням теплоти. Таким напрямком є дисоціація води на іони Гідрогену та іони гідроксилу; цей принцип, отже, вимагає, щоб підвищення температури призводило до посилення дисоціації води, а саме таке посилення й установлено дослідним шляхом.

** Точніше, «логарифм активності іонів Гідрогену». — Прим. перекл.