Водородный показатель: понятие и норма

Значение водородного показателя играет важную роль для многих химических и биологических превращений, идущих как в лабораториях и на производстве, так и в живых организмах и окружающей среде. Количество ионов водорода не только влияет на результат какой-либо реакции, но и на возможность ее протекания. Для поддержания заданного значения рН используют буферные растворы. Их задача заключается в сохранении этого уровня при разбавлении растворов или добавлении в них кислот и щелочей.

Показатель рН воды является одним из признаков качества вод различного назначения. В природе от него зависит развитие растений, агрессивность действия среды на металлические и бетонные конструкции. Следует помнить, что водородный показатель меняет токсичность загрязнителей для организмов, живущих в реках, озерах, прудах.

Водородный показатель рН

Этот параметр характеризует содержание ионов Η⁺ в растворах. Обозначается он рН. Математически водородный показатель равняется обратному десятичному логарифму концентрации Η⁺ (С_Н+, мοль/л): рΗ = −lgC_Н+. Количество ионов Н+ в воде определяется диссоциацией молекул Н₂О, происходящей, согласно выражения: Н₂О <–> Н⁺ + ОН^-.

Несмотря на то, что воду не принято относить к электролитам, она является малодиссоциирующим веществом. Для нее можно записать константу диссоциации: К_д=(С_Н+·С_ОН-)/С_Н2О. При t=22 °C ее значение составляет 1.8ˑ10^-16.

Эта цифра настолько мала, что ионами Η⁺ и ОН^- в воде можно было бы пренебречь. Но в химии растворов значение водородного показателя применимо для создания шкалы рН. Рассмотрим ее значения.

Шкала рН

С ее помощью можно количественно выразить кислотность какого-либо раствора.

Водородный показатель среды легко вычислить. Нужно лишь знать концентрацию катионов водорода и воспользоваться формулой: С_н+ = 10ⁿ, где n и есть значение рН с противоположным знаком. Например, концентрация Н⁺ в растворе составляет С_Н+ = 10^–5 мοль/л. То есть n = –5, а рН = 5.

Значения рН некоторых сред и растворов

Все в окружающей человека среде имеет свои определенные значения рН. Это помогает различным системам организма легче справляться со своими задачами. Как известно, для чистой нейтральной воды водородный показатель равняется 7. Однако кожные покровы человека имеют слабокислую реакцию. Их рН=5,5. Отчасти этот факт влияет на появление сухости кожи при частом контакте ее с водой. Ниже приведены показатели Рн для некоторых веществ.

Типы растворов

Водные растворы, как уже указано выше, могут иметь нейтральную, кислую или щелочную реакцию среды. Тот факт, что кислотность раствора обусловлена наличием ионов Н+, а щелочность - ионами ОН-, не значит, что в них не содержатся другие. В кислых средах можно обнаружить избыток именно ионов водорода, а в щелочных – избыток гидроксид-ионов.

В нейтральных растворах водородный показатель равняется 7. Это значит, что концентрация катионов Н⁺ в них равна 10^–7 мοль/л, но при этом и содержание гидроксид-анионов - также 10^–7 мοль/л. Иными словами, в нейтральных растворах нет избытка ионов Η+ или ОΗ-.

Ионное произведение воды

Почему же рН может принимать значения от 1 до 14? Для ответа на этот вопрос стоит вернуться к выражению константы диссоциации. Преобразовав его, можно записать К_д·С_Н2О=С_Н+·С_ОН-. Величина Кд известна, а концентрацию молекул воды можно легко вычислить. Рассматривая воду как раствор Н₂О в Н₂О, можно узнать ее молярную концентрацию, составив пропорцию: 18 г Н₂О – 1 мοль,1000 г Н₂О – х мοль. Отсюда х=1000/18=55,6 мοль/л. Эту постоянную величину обозначают К_w и называют ионным произведением воды.

Далее умножаем значение К_д на найденную величину: 55,6·1,8ˑ10^–16= С_Η+·С_ОΗ–; 10^–14 = С_Η+·С_ОΗ–. То есть можем записать: К_w= С_Η+·С_ОΗ– = 10^–14.

Эта величина позволила сделать вывод о том, что рΗ + рОΗ = 14, что и является ответом на выше поставленный вопрос.

Кислая среда

Все сильные кислоты в воде диссоциируют необратимым образом. Так, соляная кислота полностью распадается на катионы Η⁺ и хлорид-анионы Cl^-: ΗCl = Η⁺+ Cl^-. Если в воду объемом 1 л добавили 1ˑ10^-2 мοль ΗCl, то и концентрация ионов Η⁺ также будет равна 1^.10^-2 мοль. То есть для такого раствора водородный показатель равен 2.

Слабые кислоты диссоциируют обратимо, то есть, как и в случае с водой, часть противоположно заряженных ионов снова соединяется в молекулы кислоты. Например, угольная кислота распадается на следующие ионы: Η₂CO₃ <–> Η⁺+ ΗCO₃^-. Мало того, что далеко не все молекулы диссоциируют, так еще и распавшиеся снова образуют единое целое. Поэтому для нахождения водородного показателя кислот используют константу диссоциации.

Кроме того, по рН раствора можно косвенно оценить силу кислоты: чем она больше, тем ниже значение рΗ.

Щелочная среда

При растворении оснований в воде начинается их диссоциация с появлением гидроксид-анионов. Они вступают во взаимодействие с ионами Н+, которые присутствуют в нейтральной чистой воде. Это приводит к снижению их концентрации, то есть к повышению рН.

Например: NaOΗ = Na⁺+ OΗ^-; Η⁺+ OΗ^-= Η₂O.

В растворе гидроксида натрия с концентрацией 1ˑ10^-2 мοль/л появляется 1ˑ10^-2 мοль/л гидроксид-анионов. Концентрация катионов Η⁺ в таком растворе будет равна 1ˑ10^-12 мοль/л, а рΗ имеет значение 12.

Во всех растворах оснований количество катионов Н⁺ всегда менее 1ˑ10^-7 мοль/л, а водородный показатель больше 7.

Определение рН индикаторами

Один из самых простых способов приближенно определить рΗ раствора - воспользоваться полосками универсального индикатора. Сравнив с индикаторной шкалой их цвет, проявляющийся после обмакивания в рабочий раствор, можно оценить концентрацию ионов Η⁺. Универсальный индикатор является смесью нескольких веществ, которая меняет свой цвет последовательно от красного до фиолетового (как в радуге) с уменьшением кислотности.

Главными недостатками такого метода является невозможность определения водородного показателя в окрашенных или мутных растворах, а также лишь приблизительная оценка концентрации ионов Η⁺ в растворе.

Для еще более грубого определения рН среды применяют различные индикаторы. Наиболее часто используют лакмус, метилоранж, фенолфталеин и другие. По изменению их окраски можно лишь выяснить, является ли исследуемый состав кислым, щелочным или же нейтральным.

Измерение рН приборами

Значительно более точное значение концентрации ионов Η⁺, а следовательно, рΗ раствора, можно узнать с помощью рН-метра. Такой метод анализа называют потенциометрическим. Он основан на замере электродного потенциала и определении зависимости между его значением и концентрацией компонента в исследуемом растворе. Электродный потенциал возникает из-за идущего на границе раздела поверхности металл-раствор электрохимического процесса.

Для проведения измерения составляют гальванический элемент из двух полуэлементов с электродами, потенциал одного из которых известен заранее. Затем измеряют ЭДС. Чаще всего определение водородного показателя в водных растворах проводят с использованием хлорсеребряного и стеклянного электродов. Первый из них является электродом сравнения. Значение потенциала второго зависит от концентрации ионов Η⁺ в растворе.

Также значение рН в лабораториях определяют колориметрически. Этот метод основан на способности двухцветных индикаторов менять свой цвет или интенсивность окраски, в зависимости от содержания катионов водорода. Появляющаяся в растворе окраска сравнивается со стандартной шкалой, которая составлена на основании данных о растворах с известным значением рН.

Причины для измерения рН

Они следующие:

1. Для производства продукции с заданными свойствами. В ходе производственного процесса отклонение от технологического значения рН может спровоцировать нарушения, приводящие к изменению характеристик продукта. Такими показателями могут быть вкус или внешний вид.

2. Для снижения себестоимости. В некоторых производствах выход продукта напрямую или косвенно зависит от рН реакционной среды. Соответственно, чем выше выход продукта реакции, тем ниже его себестоимость.

3. В целях охраны труда или окружающей среды. Так как многие соединения проявляют свои вредные свойства лишь при определенном рН, очень важно контролировать его значение.

4. Для соответствия продукции стандартам. Во многих нормативных документах, стандартизирующих качество товара, продукта, лекарства и т.д., существует перечень показателей, которым они должны соответствовать. Одним из них является рН. Таким образом, его определение в некоторой степени способствует защите населения от вредных веществ.

5. Для защиты оборудования. Большая часть производственного оборудования, которое контактирует с химическими веществами, подвержена коррозии. Скорость ее развития очень сильно зависит от значений рН. Иными словами, измерение рН важно для защиты производственного оборудования от лишних повреждений.

6. В исследовательских целях. Уровень рН важен для изучения различных биохимических процессов. Также его измеряют и в медицинских целях для подтверждения того или иного диагноза.

Математическое определение рН

Для расчетного определения рН раствора требуются данные о молярной концентрации катионов Η⁺ или ОΗ^--аниона. Если они известны, то можно сразу воспользоваться одной из формул:

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

Концентрацию того или иного иона в моль/л в растворе электролитов легко узнать по уравнению:

C_{м иона} = С_мˑαˑ⋅n, где:

С_{м иона} и С_м – молярные концентрации иона и электролита соответственно (мοль/л).

α -степень диссоциации.

n - количество ионов рассматриваемого вида, которое образуется при распаде только лишь одной молекулы электролита.

Степень диссоциации слабых электролитов можно определить по закону разбавления Оствальда: α=√(К_д/С_м).

Примеры решения задач

1. Требуется вычислить рН 0,001Н раствора NaOH.

Решение: Поскольку гидроксид натрия -это сильный электролит, то диссоциация его в водном растворе необратима. Идет она по уравнению: NaOΗ → Na + OΗ.

Воспользуемся формулой C_{м иона} = С_мˑαˑn. Степень диссоциации примем равной 1. При разрушении одной молекулы NaOH образуется один ион ОН-, значит n=1. С_м по условию задачи известна и равна 0,001 или 10^-3. Отсюда С_ОН−=10^-3ˑ1ˑ1=10^-3.

Концентрацию ионов Η+ можно определить из соотношения К_w= С_Η+·С_ОΗ– = 10^–14. Преобразовав формулу получаем С_Н+=К_w/С_ОΗ–=10^–14/10^-3=10^–11. Далее можем вычислить водородный показатель: рΗ=-lg10^-11=11.

Ответ: рН=11.

2. Требуется вычислить [Η⁺] и [ОН-], если в заданном растворе рН=4,3.

Решение: Легче всего сначала найти концентрацию катионов водорода: [Η⁺] = 10^-рΗ =10^-4,3 = 5ˑ10^-5 мοль/л.

Концентрацию гидроксид-анионов удобно найти из соотношения ионного произведения воды: С_ОΗ-=К_w/С_Η+=10^–14/5ˑ10^-5=2ˑ10^–10 мοль/л.

Ответ: 5ˑ10^-5 мοль/л и 2ˑ10^–10 мοль/л.