Концентрация водородных ионов.

Вода в очень малой степени диссоциирует на ионы по уравнению

Н₂0 ===== Н⁺ + ОН^-

Как известно водородные ионы Н⁺ всегда образуют в воде ионы гидроксония Н₃0⁺. Но, помня об этом, мы все же будем для простоты говорить, как обычно, о водородном ионе Н⁺, так как это не отразится на выводах.

В растворах, содержащих кислоты, образуемые ими водородные ионы влияют на положение равновесия в реакции (XIV, 12). В растворах, содержащих основания, на равновесие соответственно влияют гидроксильные ионы. Равновесие это определяется константой диссоциации, в общем случае выражаемой через активности:

Для разбавленных растворов или для чистой воды активности могут быть заменены концентрациями:

Равновесие в реакции диссоциации воды очень сильно смещено в сторону недиссоциированной воды, однако, устанавливается оно очень легко, и это делает реакцию (XIV, 12) весьма важной для многих свойств водных растворов. Так как степень диссоциации воды очень мала, то мы не внесем ощутимых искажений, если активность (или концентрацию) недиссоциированных молекул α_Н2О(^Сн₂о) примем постоянной и, объединяя ее с константой диссоциации, представим соотношения:

Константа диссоциации и ионное произведение воды измерены в настоящее время несколькими независимыми один от другого способами; результаты этих измерений хорошо согласуются.

При 25 °С ионное произведение воды К_В = 1,008 10^-14, Так как в чистой воде, а также и в любой другой нейтральной среде

αн⁺ = αон^- (или сН⁺ = сОН^- ) то для 25^оС αН⁺ = αОН^- = √К_в = 1,004^-7

грамм-ионов в литре и, следовательно, степень диссоциации

где 55,5 = сН₂О, т. е. число молей воды в 1 л при 25 °С.

В ненейтральных средах активности αН⁺ и αОН^- уже не равны между собой. Однако, как показывает равенство (XIV, 14), они в любых условиях связаны между собой, будучи обратно пропорциональными одна другой. Так, прибавляя к воде кислоту, мы повышаем концентрацию водородных ионов и, следовательно, повышаем αН⁺, но это усиливает обратное направление реакции (XIV, 12), и часть прибавленных Н⁺, связывая некоторое количество ОН^- в молекулы Н₂0, понижает этим αОН^-. Равновесие установится, когда произведение этих активностей ионов опять примет то же значение, что и до прибавления кислоты. Таким образом, любое повышение концентрации водородных ионов вызывает соответствующее уменьшение концентрации гидроксильных ионов, и наоборот.

Однозначность связи между этими величинами позволяет для характеристики как кислотности, так и щелочности сред пользоваться одной какой-нибудь из этих величин. Очевидно, они равноценны в этом отношении. Условились применять для этого активность водородных ионов.

В кислых средах αН⁺ больше, чем в чистой воде, и тем больше, чем выше кислотность, в щелочных же средах αН⁺ меньше, чем в чистой воде, и тем меньше, чем выше щелочность. Практически, однако, пользуются не самой величиной αН⁺, а так называемым водородным показателем рН, который определяется формулой:

рН = -lg αH⁺ и для разбавленных растворов рН = -lg cH⁺

Таким образом, водородным показателем называется величина, характеризующая активность (или концентрацию) водородных ионов и численно равная отрицательному десятичному логарифму этой активности (или концентрации, выраженной в грамм-ионах на литр). При 25 °С в нейтральной среде рН = 7, в кислых средах— меньше семи, и тем меньше, чем выше кислотность, а в щелочных средах — больше семи, и тем больше, чем выше щелочность (рис. 208).

Не надо упускать из вида, однако, что эта характеристика нейтральности относится только к указанной температуре 25°С. Для всех температур справедливо, что в нейтральной среде αН⁺ = αОН^-. Но реакция диссоциации воды (Н₂0 = Н⁺ + ОН^-) эндотермическая (Q = —13600 кал/моль), поэтому с повышением температуры равновесие в ней смещается вправо, т. е. степень диссоциации воды возрастает. Следовательно, в любом данном растворе концентрации и активности ионов и водорода и гидроксила при более высоких температурах будут больше, чем при 25 °С, а при более низких — меньше. В частности, в нейтральной среде при 0°С рН = 7,97, а при 100 °С рН = 6,12.

Рассмотренные соотношения лежат в основе общей теории кислот, оснований и индикаторов в водной среде. Концентрация водородных ионов играет большую роль в целом ряде самых различных явлений и процессов — в жизнедеятельности растительных и животных организмов и организма человека, в производственных процессах пищевой, кожевенной, текстильной и многих других отраслей промышленности; она сильно влияет на свойства природных вод и на возможность применения их для той или другой цели.