Ионное произведение воды. Водородный показатель

Электростатическое взаимодействие полярных молекул воды приводит к их самоионизации: 2Н₂О↔Н₃О⁺+ОН^- или в упрощенной форме Н₂О↔Н⁺+ОН^-;

Константа диссоциации воды весьма мала при 25°С

Принимая поэтому концентрацию воды [Н₂О] величиной практически постоянной, можно записать К∙ [Н₂О]=[Н⁺] ∙ [ОН^-] = 1,8∙10^-16[Н₂О]. Но концентрация воды равна 1000/18=55,56 моль∙л^-1, отсюда получаем

[Н⁺]∙[ОН^-] = =1,8∙10^-16∙55,56=1∙10^-14=К_в.

Произведение концентраций ионов водорода и ионов гидроксида называется ионным произведением воды К_в. Ионное произведение воды
есть величина постоянная при постоянной температуре. В чистой воде и нейтральных растворах[Н⁺]=[ОН^-]=√10^-14=10^-7 моль∙л^-1.

Математически более удобной характеристикой среды является водородный показатель рН, равный десятичному логарифму концентрации водородных ионов, взятому с обратным знаком: рН = -lg[Н⁺].

Тогда рН различных растворов будут иметь следующие значения:

кислый рН <7;

нейтральный рН = 7;

щелочной рН >7.

Аналогично, отрицательный десятичный логарифм концентрации гидроксо-ионов называется гидроксильным показателем и обозначает­ся рОН. Следовательно,

рН + рОН = 14.

Пример 1. Вычисление водородного показателя раствора.

Вычислите водородный показатель рН раствора гидроксида натрия, содержащегося в растворе в концентрации 4,2∙10^-3 моль∙л^-1.

Решение. Концентрация ОН^- ионов в растворе NaOH равна

[0Н^-]=4,2∙10^-3моль∙л ^-1. Исходя из ионного произведения во­ды К_в, находим концентрацию ионов водорода: [Н⁺]=К_В/[ОН^-]=10^-14/4,2∙10^-3=0,24∙10^-11. Водородный показатель раствора NaOH равен: рН= -lg([Н⁺])=-lg(0,24∙10^-11)=11,62.

Пример 2. Определение концентрации ионов Н⁺ и ОН^- в растворах сильных кислот и оснований.

Определите концентрацию ионов водорода и рН в 0,01 М раствора соляной кислоты.

Решение. Соляная кислота – сильный электролит, в растворе пол­ностью диссоциирует на ионы: НС1 Н⁺ + С1^-. Концентрация ионов [Н⁺] численно равна концентрации НС1. Из 0,01 моль НС1 об­разуется 0,01 моль иона Н⁺. Отсюда [Н⁺] =0,01∙10^-2; рН=-lg(1∙10^-2)=2.

Пример 3. Вычисление рН сильного электролита с учетом его коэффициента активности.

Найдите водородный показатель раствора НNO₃, если его моляр­ная концентрация равна 0,178 моль∙л^-1.

Решение. При значительной концентрации сильного электролита его активная концентрация существенно отличается от истинной. Поэтому в таких случаях нужно вводить поправку на активность электролита. Определяем ионную силу раствора НNO₃: J= 1/2∙ (0,176∙I² + 0,178∙I²) = 0,356/2 = 0,178.

Далее по вычисленной ионной силе находим коэффициент активнос­ти иона [Н⁺]= f(Н⁺)=0.838. Тогда активность ионов [Н⁺], а (Н⁺) =0,83∙0,178=0,148. Водородный показатель раствора НNO₃ равен: рН = -lg а(Н⁺) = -lg 0,148=0,83.

Пример 4. Определение концентрации ионов Н⁺ и ОН^- в растворах слабых кислот и оснований.

Концентрации [Н⁺] и [ОН^-] ионов в растворах слабой кислоты и слабого основания могут быть вычислены, если известны их констан­ты диссоциации. В общем виде формула для вычисления концентрации [Н⁺] в растворе слабой кислоты:

Концентрация ионов [Н⁺]и [ОН^-] в растворе слабого основания может быть вычислена по формуле: ; [Н⁺]= К_в/[ОН^-];

.

Определите концентрацию[Н⁺], [ОН^-], рН, рОН, в 0,0М раствора муравьиной кислоты, если Кд_(HCOOH)=2,1∙10^-4

Решение:

[Н⁺]=√2,1∙10^-4∙3∙10^-2 = √6,3∙10^-6= 2,5∙10^-3 моль∙л^-1;

рН= -lg 2,5∙10^-3=3-lg 2,5 = 3-0,4= 2,6;

[ОН^-]= Кв/[Н⁺]= 10^-14/(2,5∙10^-3)=4∙10^-12 моль∙л^-1;

рОН= 14-рН=14-2,6 = 11,4.