4.6. Ионизация воды. PH и pOh
Точные измерения электропроводности показывают, что вода слегка ионизована.
H2O = H+ + OH− KС = [H+] · [OH−] / [H2O]. (4.13)
При практически постоянной концентрации недиссоциированной воды [H2O] ≈55,5 моль/л при температуре 25о С из (4.13) следует соотношение, называемое ионным произведением воды:
KС [H2O] ≡ Kw=[H+]·[OH−] =1·10-14 , (4.13')
где Kw - константа ионизации воды.
При условии электронейтральности: [H+] = [OH−] = 1 · 10-7 моль/л.
Ионное произведение воды применимо к более сложным системам разбавленных водных растворов кислот, оснований и солей.
Сложные задачи совместных химических равновесий подвластны только компьютеру. Мы же рассмотрим самые простые примеры:
[HCl]=0,01 М → [H+]·[OH−] = 1·10-14; [OH-] = 1·10-14/1·10-2 =10-12 М
[H+] = [OH−] + [Cl−] ≈ [Cl−] = 0,01М
[Cl−] ≈ 0,01 М (α → 1).
2) [Ca(OH)2] = 0,01 М → [Ca2+] = 0,01М (α → 1)
[OH−] = 0,02 М
[H+] = 10-14 /0,02 = 0,5 · 10-12 М.
Для удобства содержание ионов водорода и гидроксида принято характеризовать водородным показателем и аналогичным показателем гидроксид ионов.
pH = - lg [H+]; pOH = - lg[OH−]
10-7
100
10-2
10-4
10-6
10-8
10-10
10-12
10-14
[H+],
моль/л
М
Ф К
К
Б
С
Ф
Ф
М
О Лакмус
Рис.
4.4. Шкала
[H+],
рН. Вертикальная стрелка отмечает
нейтральный раствор. Слева от нее –
область кислых сред, справа – щелочных.
Интервалы действия индикаторов: МФ –
метиловый фиолетовый; МО – метиловый
оранжевый; КК – конго красный; БС –
бромтиоловый синий; ФФ – фенолфталеин.
Индикаторы – это слабые кислоты или основания, например:
H In = H+ + In− KHIn = [H+] [In−] / [H In]
В кислом р-ре ↔ в щелочном р-ре
(один цвет) (другой цвет)
При изменении [H+] в 100 раз, в соответствии с уравнением диссициации в 100 раз, т.е. от 1/10 до 10/1 меняется отношение концентраций [In−] / [H In], имеющего разные цвета аниона In− в диссоциированной и недиссоциированной формах.
Задача. Найти константу ионизации Ка цианистоводородной кислоты HCN, если pH = 5,2 при [HCN]0 =0,04 М.
[H+] =10-pH = 10-5,2 = 6,3 ·10-6
Ка = [H+] [CN−]/[HCN] = [H+]([H+]-[OH−])/([HCN]0-[H+]) = (6,3·10-6)2/ 0,04 =1·10-9.
4.7. Влияние общих ионов
CH3(CO)OH ← H+ + CH3(CO)O− , K1= 1,8 · 10-5.
При С=0,1 М ξ = [H+] = (K1С)1/2 = 1,3·10-3 М = [CH3(CO)O−]
HCl → H+ + Cl−
Допустим, что концентрация добавленной соляной кислоты тоже равна 0,1М. При её практически полной диссоциации [H+] = 0,1 М концентрация ацетат-ионов, выраженная из уравнения диссоциации
[CH3(CO)O−] = К1 [CH3(CO)OH] / [H+] = 1,8·10-5 · 0,1 / 0,1 = 1,8 · 10-5М ,
уменьшилась почти в 100 раз.
Общий ион Н+ добавляемой соляной кислоты подавляет ионизацию уксусной кислоты.