Водневий показник: поняття і норма

Значение водородного показателя играет важную роль для багатьох хімічних і біологічних перетворень, що йдуть як в лабораторіях і на виробництві, так і в живих організмах і навколишньому середовищу. Кількість іонів водню не тільки впливає на результат будь-якої реакції, але і на можливість її протікання. Для підтримки заданого значення рН використовують буферні розчини. Їх завдання полягає в збереженні цього рівня при розведенні розчинів або додаванні в них кислот і лугів.

Показник рН води є одним з ознакякості вод різного призначення. У природі від нього залежить розвиток рослин, агресивність дії середовища на металеві та бетонні конструкції. Слід пам'ятати, що водневий показник змінює токсичність забруднювачів для організмів, що живуть в річках, озерах, ставках.

Водневий показник рН

Цей параметр характеризує вміст іонів Η⁺ в розчинах. Позначається він рН. Математично водневий показник дорівнює зворотному десятковому логарифму концентрації Η⁺ (З_{Н +}, Мοль / л): рΗ = -lgC_{Н +}. Кількість іонів Н + у воді визначається дисоціацією молекул Н₂О, яка відбувається, згідно виразу: Н₂Про <-> Н⁺ + ОН^-.

Незважаючи на те, що воду не прийнято відносити до електролітів, вона є малодиссоциирующие речовиною. Для неї можна записати константу дисоціації: До_д= (С_{Н +}· З_ОН) / С_Н2О. При t = 22 ° C її значення становить 1.8ˑ10^-16.

Ця цифра настільки мала, що іонами Η⁺ і ОН^- в воді можна було б знехтувати. Але в хімії розчинів значення водневого показника може бути застосовано для створення шкали рН. Розглянемо її значення.

шкала рН

З її допомогою можна кількісно виразити кислотність будь-якого розчину.

Водневий показник середовища легко обчислити. Потрібно лише знати концентрацію катіонів водню і скористатися формулою: З_{н +} = 10^н, Де n і є значення рН з протилежним знаком. Наприклад, концентрація Н⁺ в розчині становить З_{Н +} = 10^-5 мοль / л. Тобто n = -5, а рН = 5.

Значення рН деяких середовищ і розчинів

Все в навколишньому середовищі має своїпевні значення рН. Це допомагає різним системам організму легше справлятися зі своїми завданнями. Як відомо, для чистої нейтральної води водневий показник дорівнює 7. Проте шкірні покриви людини мають слабокислу реакцію. Їх рН = 5,5. Частково цей факт впливає на появу сухості шкіри при частому контакті її з водою. Нижче наведені показники Рн для деяких речовин.

типи розчинів

Водні розчини, як уже зазначено вище, можутьмати нейтральну, кислу або лужну реакцію середовища. Той факт, що кислотність розчину обумовлена ​​наявністю іонів Н +, а лужність - іонами ОН-, не означає, що в них не містяться інші. У кислих середовищах можна виявити надлишок саме іонів водню, а в лужних - надлишок гідроксид-іонів.

У нейтральних розчинах водневий показник дорівнює 7. Це означає, що концентрація катіонів Н⁺ в них дорівнює 10^-7 мοль / л, але при цьому і зміст гідроксид-аніонів - також 10^-7 мοль / л. Іншими словами, в нейтральних розчинах немає надлишку іонів Η + або ОΗ-.

Іонний добуток води

Чому ж рН може приймати значення від 1 до 14? Для відповіді на це питання варто повернутися до вираження константи дисоціації. Перетворивши його, можна записати До_д· З_Н2О= С_{Н +}· З_ОН. Величина Кд відома, а концентрацію молекул води можна легко обчислити. Розглядаючи воду як розчин Н₂Про в Н₂О, можна дізнатися її молярна концентрація, склавши пропорцію: 18 г Н₂Про - 1 мοль, 1000 г Н₂Про - х мοль. Звідси х = 1000/18 = 55,6 мοль / л. Цю постійну величину позначають К_w і називають іонним твором води.

Далі множимо значення До_д на знайдену величину: 55,6 · 1,8ˑ10^-16= С_{Η +}· З_ОΗ-; 10^-14 = С_{Η +}· З_ОΗ-. Тобто можемо записати: До_w= С_{Η +}· З_ОΗ- = 10^-14.

Ця величина дозволила зробити висновок про те, що рΗ + рОΗ = 14, що і є відповіддю на вище поставлене запитання.

кисле середовище

Всі сильні кислоти у воді дисоціюють незворотнім чином. Так, соляна кислота повністю розпадається на катіони Η⁺ і хлорид-аніони Cl^-: ΗCl = Η⁺+ Cl^-. Якщо в воду об'ємом 1 л додали 1ˑ10^-2 мοль ΗCl, то і концентрація іонів Η⁺ також буде дорівнює 1^.10^-2 мοль. Тобто для такого розчину водневий показник дорівнює 2.

Слабкі кислоти дисоціюють оборотно, тобто,як і у випадку з водою, частина протилежно заряджених іонів знову з'єднується в молекули кислоти. Наприклад, вугільна кислота розпадається на наступні іони: Η₂СО₃ <-> Η⁺+ ΗCO₃^-. Мало того, що далеко не всі молекули дисоціюють, так ще і розпалися знову утворюють єдине ціле. Тому для знаходження водневого показника кислот використовують константу дисоціації.

Крім того, за рН розчину можна побічно оцінити силу кислоти: чим вона більше, тим нижче значення рΗ.

Лужне середовище

При розчиненні підстав у воді починається їхдисоціація з появою гідроксид-аніонів. Вони вступають у взаємодію з іонами Н +, які присутні в нейтральній чистій воді. Це призводить до зниження їх концентрації, тобто до підвищення рН.

Наприклад: NaOΗ = Na⁺+ OΗ^-; Η⁺+ OΗ^-= Η₂О.

У розчині гідроксиду натрію з концентрацією 1ˑ10^-2 мοль / л з'являється 1ˑ10^-2 мοль / л гідроксид-аніонів. Концентрація катіонів Η⁺ в такому розчині дорівнюватиме 1ˑ10^-12 мοль / л, а рΗ має значення 12.

У всіх розчинах підстав кількість катіонів Н⁺ завжди менше 1ˑ10^-7 мοль / л, а водневий показник більше 7.

Визначення рН індикаторами

Один з найпростіших способів наближеновизначити рΗ розчину - скористатися смужками універсального індикатора. Порівнявши з індикаторної шкалою їх колір, що виявляється після обмакувания в робочий розчин, можна оцінити концентрацію іонів Η⁺. Універсальний індикатор є сумішшю декількох речовин, яка змінює свій колір послідовно від червоного до фіолетового (як у веселці) зі зменшенням кислотності.

Головними недоліками такого методу є неможливість визначення водневого показника в забарвлених або митних розчинах, а також лише приблизна оцінка концентрації іонів Η⁺ в розчині.

Для ще більш грубого визначення рН середовищазастосовують різні індикатори. Найбільш часто використовують лакмус, метилоранж, фенолфталеїн і інші. За зміною їх забарвлення можна лише з'ясувати, чи є досліджуваний склад кислим, лужним або ж нейтральним.

Вимірювання рН приладами

Значно більш точне значення концентрації іонів Η⁺, А отже, рΗ розчину, можна дізнатися здопомогою рН-метра. Такий метод аналізу називають потенціометричним. Він заснований на вимірі електродного потенціалу та визначенні залежності між його значенням і концентрацією компонента в досліджуваному розчині. Електродний потенціал виникає через що йде на кордоні розділу поверхні метал-розчин електрохімічного процесу.

Для проведення вимірювання складаютьгальванічний елемент з двох напівелементів з електродами, потенціал одного з яких відомий заздалегідь. Потім вимірюють ЕРС. Найчастіше визначення водневого показника у водних розчинах проводять з використанням хлорсрібного і скляного електродів. Перший з них є електродом порівняння. Значення потенціалу другого залежить від концентрації іонів Η⁺ в розчині.

Також значення рН в лабораторіях визначаютьколориметрически. Цей метод заснований на здатності двоколірних індикаторів змінювати свій колір або інтенсивність забарвлення, в залежності від вмісту катіонів водню. З'являється в розчині забарвлення порівнюється зі стандартною шкалою, яка складена на підставі даних про розчини з відомим значенням рН.

Причини для вимірювання рН

Вони такі:

1. Для виробництва продукції з заданими властивостями. В ході виробничого процесу відхилення відтехнологічного значення рН може спровокувати порушення, що призводять до зміни характеристик продукту. Такими показниками можуть бути смак або зовнішній вигляд.

2. Для зниження собівартості. У деяких виробництвах вихід продукту безпосередньо або побічно залежить від рН реакційного середовища. Відповідно, чим вище вихід продукту реакції, тим нижче його собівартості.

3. З метою охорони праці або навколишнього середовища. Так як багато сполуки виявляють свої шкідливі властивості лише при певному рН, дуже важливо контролювати його значення.

4. Для відповідності продукції стандартам. під багатьох нормативних документах, стандартизирующихякість товару, продукту, ліки і т.д., існує перелік показників, яким вони повинні відповідати. Одним з них є рН. Таким чином, його визначення в деякій мірі сприяє захисту населення від шкідливих речовин.

5. Для захисту обладнання. Велика частина виробничого обладнання,яке контактує з хімічними речовинами, схильна до корозії. Швидкість її розвитку дуже сильно залежить від значень рН. Іншими словами, вимірювання рН важливо для захисту виробничого обладнання від зайвих пошкоджень.

6. У дослідницьких цілях. Рівень рН важливий для вивчення різних біохімічних процесів. Також його вимірюють і в медичних цілях для підтвердження того чи іншого діагнозу.

Математичне визначення рН

Для розрахункового визначення рН розчину потрібні дані про молярної концентрації катіонів Η⁺ або ОΗ^--аніона. Якщо вони відомі, то можна відразу скористатися однією з формул:

• pΗ = - lg [Η⁺щ.
• рОΗ = -lg [OΗ^-щ.
• рΗ + рОΗ = 14.

Концентрацію того чи іншого іона в моль / л в розчині електролітів легко дізнатися по рівнянню:

З_{м іона} = С_мˑΑˑ⋅n, де:

З_{м іона} і С_м - молярні концентрації іона і електроліту відповідно (мοль / л).

α-ступінь дисоціації.

n - кількість іонів розглянутого виду, яке утворюється при розпаді тільки однієї молекули електроліту.

Ступінь дисоціації слабких електролітів можна визначити за законом розведення Оствальда: α = √ (К_д/ С_м).

Приклади розв'язання задач

1. Потрібно обчислити рН 0,001Н розчину NaOH.

Рішення: Оскільки гідроксид натрію це сильний електроліт, то дисоціація його в водному розчині необоротна. Йде вона по рівнянню: NaOΗ → Na + OΗ.

Скористаємося формулою C_{м іона} = С_мˑΑˑn. Ступінь дисоціації приймемо рівної 1. При руйнуванні однієї молекули NaOH утворюється один іон ОН-, значить n = 1. З_м за умовою завдання відома і дорівнює 0,001 або 10^-3. Звідси С_ОН= 10^-3ˑ1ˑ1 = 10^-3.

Концентрацію іонів Η + можна визначити з співвідношення К_w= С_{Η +}· З_ОΗ- = 10^-14. Перетворивши формулу отримуємо З_{Н +}= До_w/ С_ОΗ-= 10^-14/ 10^-3= 10^-11. Далі можемо обчислити водневий показник: рΗ = -lg10^-11= 11.

Відповідь: рН = 11.

2. Потрібно обчислити [Η⁺] І [ОН], якщо в заданому розчині рН = 4,3.

Рішення: Найлегше спочатку знайти концентрацію катіонів водню: [Η⁺] = 10^-рΗ = 10^-4,3 = 5ˑ10^-5 мοль / л.

Концентрацію гідроксид-аніонів зручно знайти з співвідношення іонного добутку води: З_ОΗ-= До_w/ С_{Η +}= 10^-14/ 5ˑ10^-5= 2ˑ10^-10 мοль / л.

Відповідь: 5ˑ10^-5 мοль / л і 2ˑ10^-10 мοль / л.