Кислотно-основные равновесия. Водородный показатель рН

Вода является очень слабым электролитом и диссоциирует по уравнению

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^‾.

В любом водном растворе при 22 ⁰С произведение концентраций ионов воды (ионное произведение воды – К_W) является величиной постоянной:

К_W = [Н⁺] ∙ [OH^─] = 10^–14,

где [Н⁺] ─ равновесная концентрация ионов Н⁺;

[OH^─] ─ равновесная концентрация ионов ОН^─.

В нейтральной среде [Н⁺] = [OH^─] = 10^–7 моль/л;

в кислой среде [Н⁺] > [OH^─] , т.е. [Н⁺] >10^–7 моль/л, например, [Н⁺] = 10^–6 моль/л;

в щелочной среде [Н⁺] < [OH^─] , т.е. [Н⁺] < 10^–7 моль/л, например, [Н⁺] = 10^–8 моль/л.

Реакция среды характеризуется через водородный показатель

pH = ─ lg [Н⁺].

При решении задач будем пользоваться формулой pН = – lg с_H+ . В более точных расчётах следует пользоваться активностью ─ pН = – lg а_H+ .

Если подставить значения концентраций ионов водорода с_H+, полученные в вышеприведённом примере, в формулу для вычисления рН, то получим:

в нейтральной среде: рН = − lg 10^–7 = 7;

в кислой среде: рН = − lg 10^–6 = 6;

в щелочной среде: рН = − lg 10^–8 = 8.

Следовательно:

Данные сведения находят отражение в шкале рН (рис. 3.10).

Рис. 3.10 – Шкала рН

Пример 3.11. Раствор гидроксида аммония с молярной концентрацией 0,01 моль/л (0,01 М NH₄OH) имеет рН = 10. Вычислить степень диссоциации основания.

Гидроксид аммония диссоциирует по уравнению: NH₄OH ↔ NH₄⁺ + OH ‾, поэтому число продиссоциировавших молекул основания равно числу ионов OH ˉ, которые образовались при диссоциации:

Из определения рН = – lg C_Н+ следует, что С_Н+ = 10^–рН, в нашем случае С_Н⁺ = 10^-10 моль/л.

Зная ионное произведение воды [H⁺]×[OH^─]= 10^-14 , рассчитаем С_ОН¯ :

С _ОН^– = 10^-14 : 10^-10 = 10 ^{– 4}. Тогда .

Пример 3.12. Раствор уксусной кислоты с молярной концентрацией 0,1 моль/л (0,1 М СН₃СООН) имеет рН = 2. Вычислить степень диссоциации кислоты.

Уксусная кислота диссоциирует по уравнению

СН₃СООН ↔ СН₃СОО^‾ + Н⁺,

поэтому число продиссоциировавших молекул кислоты равно числу ионов Н⁺, которые образовались при диссоциации и степень диссоциации уксусной кислоты:

Из определения рН = – lg C_Н+ следует, что С_Н+ = 10^–рН, тогда в нашем случае:

С_Н+ = 10^–2 = 0,01. Тогда α = (0,01) : (0,1) = 0,1.

Пример 3.13. Раствор гидроксида бария имеет рН = 12, его концентрация в растворе при 100 % -ной диссоциации (α = 1) равна _____ моль/л

1) 0,05 2) 0,001 3) 0,005 4) 0,01

Из условия задачи находим концентрацию ионов ОНˉ:

рН = 12, => С_Н+ = 10ˉ¹² и С _ОН^– = 10^-14 : 10^-12 = 10 ^{– 2} = 0,01 (моль/л).

При электролитической диссоциации 1 моль гидроксида бария образуется 2 моль ионов ОНˉ: Ва(ОН)₂ → Ва²⁺ + 2ОН¯, следовательно концентрация раствора в два раза меньше, т.е. составляет 0,005 моль/л.

Наиболее простым способом оценки рН среды является использование кислотно-основных индикаторов. Окраска индикаторов (рис. 3.11) зависит от строения молекул и определяется наличием особых групп – хромофоров.

Рис. 3.11 – Окраска некоторых индикаторов в различных средах