Ионное произведение воды, водородный показатель и кислотно-основные свойства среды

Ионное произведение воды, водородный показатель и кислотно-основные свойства среды

Водородный показатель, pH (произносится «пэ аш»)  - это мера активности (в случае разбавленных растворов отражает концентрацию) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр.

Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni -- сила водорода, или pondus hydrogenii -- вес водорода. Вообще в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную -lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода (H+), или, точнее, термодинамическую активность оксоний-ионов.

В чистой воде при 25 °C концентрации ионов водорода ([H+]) и гидроксид-ионов ([OH-]) одинаковы и составляют 10?7 моль/л, это напрямую следует из определения ионного произведения воды, которое равно [H+] · [OH-] и составляет 10?14 моль?/л? (при 25 °C).

Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксид-ионов соответственно уменьшается, при добавлении основания -- наоборот, повышается содержание гидроксид-ионов, а концентрация ионов водорода падает. Когда [H+] > [OH-] говорят, что раствор является кислым, а при [OH-] > [H+] -- щелочным.

Для удобства представления, чтобы избавиться от отрицательного показателя степени, вместо концентраций ионов водорода пользуются их десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком, который собственно и является водородным показателем -- pH.

Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина -- показатель основности раствора, pOH, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH?:

как в любом водном растворе при 25 °C [H + ][OH ? ] = 1,0?10 ? 14, очевидно, что при этой температуре:

Значения pH в растворах различной кислотности. Вопреки распространённому мнению, pH может изменяться не только в интервале от 0 до 14, а может и выходить за эти пределы. Например, при концентрации ионов водорода [H+] = 10?15 моль /л, pH = 15, при концентрации ионов гидроксида 10 моль /л pOH = ?1.Некоторые значения pH Вещество pH

Электролит в свинцовых аккумуляторах <1.0

Желудочный сок 1,0--2,0

Кока-кола 2,1-2,4

Лимонный сок 2,5±0,5

Уксус 2,9

Яблочный сок 3,5±1,0

Пиво 4,5

Кофе 5,0

Шампунь 5,5

Чай 5,5

Кислотный дождь < 5,6

Кожа здорового человека ~6,5

Слюна 6,35--6,85

Молоко 6,6-6,9

Чистая вода 7,0

Кровь 7,36--7,44

Морская вода 8,0

Раствор пищевой соды 8,5[источник не указан 96 дней]

Мыло (жировое) для рук 9,0--10,0

Нашатырный спирт 11,5

Отбеливатель (хлорная известь) 12,5

Каустическая сода или натриевая щелочь >13

Так как при 25 °C (стандартных условиях)[H+] · [OH-] = 10?14, то понятно, что при этой температуре pH + pOH = 14.

Так как в кислых растворах [H+] > 10?7, то pH кислых растворов pH < 7, аналогично pH щелочных растворов pH > 7, pH нейтральных растворов равен 7. При более высоких температурах константа диссоциации воды повышается, соответственно увеличивается ионное произведение воды, поэтому нейтральной оказывается pH < 7 (что соответствует одновременно возросшим концентрациям как H+, так и OH-); при понижении температуры, напротив, нейтральная pH возрастает.

Для определения значения pH растворов широко используют несколько методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путём, проведением кислотно-основного титрования.

Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы -- органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. К наиболее известным индикаторам принадлежат лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и другие. Индикаторы способны существовать в двух по-разному окрашенных формах -- либо в кислотной, либо в основной. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своём интервале кислотности, обычно составляющем 1--2 единицы.

Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.

Использование специального прибора -- pH-метра -- позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.

Аналитический объёмный метод -- кислотно-основное титрование -- также даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакции. Точка эквивалентности -- момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, -- фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.

Влияние температуры на значения pH:

0.001 мол/Л HCl при 20 °C имеет pH=3, при 30 °C pH=3

0.001 мол/Л NaOH при 20 °C имеет pH=11.73, при 30 °C pH=10.83

Влияние температуры на значения pH объяснятеся различной диссоциацией ионов водорода (H+) и не является ошибкой эксперимента. Температурный эффект невозможно компенсировать за счет электроники pH-метра.[источник не указан 96 дней]

Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют буферные растворы, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щёлочи.

Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.

Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систpH-метр -- прибор для измерения концентрации ионов водорода (pH) в растворах, питьевой воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных систем непрерывного контроля технологических процессов, в т. ч. в агрессивных средах. Например, он незаменим для аппаратного мониторинга pH растворов разделения урана и плутония, когда требования к корректности показаний аппаратуры без её калибровки чрезвычайно высоки.

Прибор может использоваться в лабораториях стационарных и передвижных, в том числе полевых, а также клинико-диагностических, судебно-медицинских, научно-исследовательских, производственных, в том числе мясо-молочной и хлебопекарной промышленности.

Последнее время pH-метры также широко используются в аквариумных хозяйствах, контроля качества воды в бытовых условиях, земледелия (особенно в гидропонике), а также -- для контроля диагностики состояния здоровья.

Медицинский рН-метр, применяемый для измерения кислотности непосредственно в полых органах человека, называется Что такое pH . Водородный показатель. Кислые и основные (щелочные) свойства растворов / сред.

pH = -log [H+], или еще строже говоря pH = -log [H3O+] (химики утверждают, что именно в таком виде положительный ион водорода живет в водном растворе). pH показывает кислотно / щелочной балласнс раствора, а не кислотность или щелочность (основность) отдельно.

pH измеряется в степенях числа 10. Концентрация ионов водорода в растворесс pH 1.0 в 10 раз выше, чем концентрация ионов водорода в растворе с pH 2.0. Чем выше концентрация ионов водорода, тем ниже pH

при pH > 7 раствор щелочной (основной);

при pH < 7 раствор кислый, или кислотный.

pH воды - один из важнейших рабочих показателей качества воды, во многом определяющих характер химических и биологических процессов, происходящих в воде.

В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и т.д.

Контроль за уровнем рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его "уход" в ту или иную сторону может не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий.

Оптимальная требуемая величина рН варьируется для различных систем водоочистки в соответствии с составом воды, характером материалов, применяемых в системе распределения, а также в зависимости от применяемых методов водообработки. Обычно уровень рН находится в пределах, при которых он непосредственно не влияет на потребительские качества воды. Так, в речных водах pH обычно находится в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3.

Известно, что при низком рН вода обладает высокой коррозионной активностью, а при высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, способна вызывать раздражение глаз и кожи. Именно поэтому для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальным считается уровень Водородный показатель (pH)

Питьевая вода должна иметь нейтральную реакцию (pH около 7). Значение pH воды водоемов хозяйственного, питьевого, культурно-бытового назначения регламентируется в пределах 6,5-8,5.

Оценивать значение pH можно разными способами.

1.Приближенное значение  pH определяют следующим образом. В пробирку наливают 5 мл исследуемой воды, 0,1 мл универсального индикатора, перемешивают и по окраске раствора определяют pH:

Розово-оранжевая - рН около 5;

Светло-желтая - 6;

Зеленовато-голубая - 8.

2. Можно определить  рН с помощью универсальной  индикаторной бумаги, сравнивая  ее окраску со шкалой.

3. Наиболее точно  значение рН можно определить  на рН-метре или по шкале  набора Алямовского.рН в диапазоне от 6 до 9. * Методы для определения рН довольно разнообразны. Определение кислотности или щелочности среды можно произвести с помощью таких методов как использование индикаторов, измерение pH-метром или проведение кислотно-основного титрования.

К индикаторам, с помощью которых можно определить рН, относятся органические вещества, чей цвет зависит от рН среды. Это лакмус, метиловый оранжевый, фенолофталеин и универсальный индикатор. Каждый из индикаторов меняет свой цвет в своем интервале кислотности (примерно 1 или 2 единицы). На точность подобного метода рассчитывать не приходится.