Часть И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

Раздел 5. РОЗЧИНИ.ТЕОРІЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

§ 5.12. Диссоциация воды. pH

Водa и как слабый электролит незначительной степени диссоциирует на ионы Н⁺ и ОН^-, находящихся в равновесии с недисоційованими молекулами:

Н₂O ⇆ Н⁺ + ОН^-.

Концентрацию ионов обычно выражают в молях ионов в 1 л. Как видно из уравнения диссоциации воды, в ней величины [Н⁺] и [ОН^-] одинаковы. Экспериментально установлено, что в одном литре воды при комнатной температуре (22 °С) диссоциации подвергается лишь 10^-7 моль воды и при этом образуется 10 моль/л ионов Н⁺ и 10^-7 моль/л ионов ОН^- .

Произведение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов в воде называется ионным произведением воды (обозначается K_в). При определенной температуре К_в - величина постоянная, численно равный при 22 °С 10^-14 :

K_в = [Н⁺] [ОН^-] = 10^-7 • 10^-7 = 10^-14. (5.4)

Постоянство произведения [Н⁺] [ОН^-] означает, что в любом водном растворе ни концентрация ионов водорода, ни концентрация гидроксид-ионов не может равняться нулю. Другими словами, бyдь-водный раствор кислоты, основания или соли содержит как Н⁺, так и ОН^- -ионы. Действительно, для чистой воды [Н⁺] = [OН^-] = 10^-7 моль/л. Если к воды добавить кислоту, то [Н⁺] станет больше чем 10^-7, а [ОН^- ] - меньше чем 10^-7 моль/л. Наоборот, если до воды добавить щелочи, то [Н⁺] становится меньше чем 10^-7 , а [ОН^-] - больше чем 10^-7 моль/л.

Из постоянства произведения [Н⁺] [ОН^-] следует, что при увеличении концентрации одного из ионов воды соответственно уменьшается концентрация другого иона. Это дает возможность вычислить концентрацию Н⁺ -ионов, если известна концентрация ОН^- -ионов, и наоборот. Например, если в водном растворе [Н⁺] = 10^-3 моль/л, то [ОН^-] будет определяться так:

[ОН^-] = K/[Н⁺] = 10^-14/10^-3 = 10^-11 моль/л.

Следовательно, кислотность и основность раствора можно выражать через концентрацию или ионов Н⁺или ионов ОН^-. На практике пользуются первым способом. Тогда для нейтрального раствора [Н⁺] = 10^-7 моль/л, для кислого [Н⁺] > 10 ^-7, для щелочного [Н⁺] 10-⁷ моль/л.

Чтобы избежать неудобств, связанных с применением чисел с отрицательными показателями степени, концентрацию ионов водорода принято выражать через водородный показатель, обозначается символом pH (читается “пэ-аш”).

Водородным показателем pH называется десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком:

pH = -lg[Н⁺] (5.5)

или

[Н⁺] = 10^-рН, (5.6)

где [Н⁺] - концентрация ионов водорода, моль/л.

Понятие “водородный показатель” введено датским химиком С. Серенсеном в 1909 p.: буква “р” - начальная буква датского слова potenz - математический степень, буква “Н” - символ водорода.

С помощью pH реакция растворов характеризуется так: нейтральная - pH =7, кислая - pH 7, щелочная - pH > 7. Наглядно зависимость между концентрацией ионов водорода, величине pH и реакцией раствора можно выразить схемой:

Из схемы видно, что чем меньше pH, тем больше концентрация ионов Н , то есть выше кислотность среды; и наоборот, чем больше рн, тем меньше концентрация ионов Н+ , то есть выше основность среды.

Приведем значения pH некоторых самых известных растворов и отметим соответствующую им реакцию среды: желудочный сок - pH = 1,7 (сильнокисла реакция), торфяная вода - pH = 4 (слабокислая), дождевая вода - pH = 6 (слабокислая), вода из водопровода - pH = 7,5 (слабколужна), кровь - pH = 7,4 (слабколужна), слюна - pH = 6,9 (слабокислая), слезы - pH = 7 (нейтральная).

Исключительно большая роль pH в самых разнообразных явлениях и процессах - и в природе, и в технике. Много производственных процессов в химической, пищевой, текстильной и других отраслях промышленности происходят только при определенной реакции среды. Так же необходима для нормального развития сельскохозяйственных культур и получения высоких урожаев и определенная реакция почвенного раствора. В зависимости от значения pH почвенного раствора почвы делятся на сильнокислые (pH = 3...4), кислые (pH = 4...5), слабкокислі (pH = 5...6), нейтральные (pH = 6...7), слабколужні (pH = 7...8), щелочные (pH = 8...9) и, наконец, сильнолужні (pH = 9... 11).

Чаще всего растения страдают от повышенной кислотности, для устранения которого применяют известкование почв - внесения в них известняков - карбонатов кальция или магния. Если же почвы отличаются повышенной щелочностью (солонцеватые и солончаковые почвы), то для ее устранения применяют гипсование - внесение размолотого гипса CaSO₄ • 2Н₂О.

Необходимость известкования или гипсование почв устанавливают с учетом водородного показателя раствора (солевой вытяжки); в зависимости от величины pH определяют по таблицам и дозы веществ, которые вносят.