В качественном анализе, где приходится иметь дело со сложными смесями электролитов и где часто не требуется большой точности, при вычислении активностей ионов можно пользоваться таблицей 2.2.
Постоянная Кн2о, равная произведению активностей ионов водорода и
гидроксила, называется ионным произведением воды.
Рис.3.1. Взаимная ориентация двух молекул воды
В химически чистой воде концентрации ионов [H+] и [ОН-] ни-
чтожно малы (1 • 10-7 г-ион/л), поэтому их активности практически равны концентрации:
a H+ • a OH - = [H+ ] • [ OH -] = 1•10 –14 (t = 25ºC)
Следовательно, для чистой воды, так же как и для сильно разбавленных растворов электролитов, произведение концентраций водородных и гидроксильных ионов практически равно ионному произведению воды:
[Н+] • [ОН-] = Кн2о
Ионизация воды является эндотермическим процессом, протекающим с поглощением теплоты. Поэтому в соответствии с принципом
Ле-Шателье при повышении температуры равновесие ионизации смещается в сторону образования ионов, что приводит к увеличению Кн2о
Концентрация ионов [Н+] и [ОН-] изменяется в обратной про-
порциональной зависимости относительно друг друга, но никогда не
становится равной нулю:
Характеризовать кислотность и основность растворов концентраций ионов водорода, выражаемых числами с отрицательными показателями степени, оказалось практически неудобным. Поэтому
С. П. Зеренсен предложил реакцию водных растворов характеризовать
водородным показателем :
рН = - lg [H +]
В нейтральной среде рН = 7 (при 25 °С), в кислой среде рН < 7, в
щелочной среде рН > 7. Чем меньше величина рН, тем больше концентрация ионов водорода, тем больше кислотность раствора.
При анализах, а также в технологических процессах многих химических производств большое значение имеет концентрация водородных
ионов. Поэтому аналитику приходится часто или определять рН растворов опытным путем, или же вычислять теоретически.
Пример 1. Вычислить рН и определить реакцию раствора, если
концентрация ионов водорода [H+] равна 7,45 •10-4 г-ион/л.
Решение
Реакция раствора кислая.
Пример 2. Вычислить концентрацию ионов водорода в растворе,
если рН раствора равен 5,25.
Решение.
1. рН = -lg[H+]. Следовательно, lg[H+] = -рН = -5,25.
2. -lg[H+] = -5,25 = lg 6,75; откуда, [Н+] = 5,62 • 10-6 г-ион/л.
Гидроксильным показателем рОН называется отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов гидроксила:
рОН = -lg[ОН-]
Между рН и рОН существует соотношение, выражаемое формулой: рН + рОН = 14 (при 25°С).
Пример 3. Вычислить рН и рОН раствора, если концентрация ионов водорода [Н+] в растворе равна 2,5 •10-3 г-ион/л.
Решение.1. По концентрации ионов [Н+] находим рН раствора:
рН = - lg [H+] = - lg 2,5 • 10-3 = 2,6
2. рОН = 14 — рН = 14 - 2,6 = 11,4. Реакция раствора кислая.
Поскольку сильные кислоты ионизированы полностью, растворы
их имеют большую концентрацию ионов водорода. Поэтому рН раствора сильных кислот вычисляется с учетом ионной силы раствора и коэффициента активности ионов водорода.
Пример 4. Вычислить рН 0,01 н. раствора НС1.
Решение.
1. Находим ионную силу раствора:
2. По таблице 2.2 находим fH+ При ионной силе 0,01 fH+ = 0,91.
3. Зная концентрацию соляной кислоты НС1 и коэффициент активности fH+, находим активность ионов водорода:
aн+ = cHCl • fH+ = 0,01 • 0,91 = 9,1 • 10-3 (г-ион/л)
4. Вычисляем раН: -lg 9,l •10-3 = 2,04
раН - показатель активности ионов водорода: раН = -lgаH+. Следовательно, пользуясь понятием аH+, мы находим раН, а не рН раствора. Однако
в большинстве учебников аналитической химии пользуются лишь понятием рН, которое вошло в науку раньше и прочно закрепилось. Понятия, же раН (показатель активности ионов водорода) и раОН (показатель
активности гидроксильных ионов) являются новыми понятиями, которыми пользуются лишь в научной литературе.
Следовательно, для разбавленных растворов сильных кислот и
сильных оснований приближенные подсчеты значения рН можно вести
по концентрации ионов [H+] без учета влияния ионной силы раствора.
