Закон разбавления Оствальда

Рассмотрим поведение слабого электролита в растворе:                    КА ↔ К⁺ + А^-.

Запишем константу равновесия (ионизации):   введем обозначение:

С - исходная молярная концентрация электролита;

[KA] - равновесная концентрация после распада части молекул электролита на ионы;

a    - степень диссоциации.

[K⁺] = aC;  [A^-] = aC;   [KA] = C - aC = C(1 - a)

Подставим в константу ионизации:

,

или, если учесть, что a → 0, то К_ион. = a²С, откуда 

a² = К_ион./С;

полученное выражение называют законом разведения Оствальда. Он связывает константу ионизации и степень диссоциации. Физический смысл закона: с разбавлением раствора (уменьшением его концентрации) степень диссоциации увеличивается. Чем сильнее разбавляют слабый электролит, тем больше его степень диссоциации (a).

4.2. Ионизация воды. Ионное произведение воды.
Водородный и гидроксильный показатели (рН и рОН)

Вода – очень слабый электролит. Запишем уравнение ионизации воды: Н₂О + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^-

Или упрощенно: Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^-    

.

Известно, что при температуре 22-25^оС в 1 л на ионы распадается 10^-7 моль молекул Н₂О. Следовательно,                 [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 моль/л. Концентрацию молекул воды можно считать величиной постоянной, равной: [H₂O] = 1000/18 = 55,56моль/л. Следовательно, константа ионизации воды при 22-25^оС будет равна К_и= 1,82·10^-16.

Произведение равновесных концентраций ионов Н⁺ и ОН^- называется ионным произведением воды:            

К_W = [H⁺][OH^-]

К_W = 10^-7∙10^-7 = 10^-14. К_W = 10^-14 при Т = 22-25^оС.

Характер среды в водном растворе любого вещества определяется тем ионом Н⁺ или ОН^-, концентрация которого преобладает.

[H⁺] = [OH^-], т.е. [H⁺] = 10^-7 моль/л - среда нейтральная;

[H⁺] > [OH^-], т.е. [H⁺] > 10^-7 моль/л - среда кислая;

[H⁺] < [OH^-], т.е [H⁺] < 10^-7 моль/л - среда щелочная.

Важно отметить, что в любом водном растворе – нейтральном, кислотном, щелочном имеются водородные и гидроксильные ионы. При этом произведение концентрации этих ионов величина постоянная, равная ионному произведению воды.

Зная ионное произведение воды и концентрацию одного из ионов, можно вычислить концентрацию другого:

.

Водородный показатель

На практике принято оценивать ионное равновесие в водных растворах значением водородного показателя рН.

Водородным показателем рН называют отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода в водном растворе. рН = -lgС_Н⁺.

Гидроксильным показателем рОН называют отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов ОН^- в водном растворе.   рОН = -lg С_ОН^-.

Ранее было показано, что в любом водном растворе при 22-25^оС: С_Н⁺∙С_ОН^- = 10^-14.

Логарифмируя это выражение, получаем:

-lg (C_H⁺∙C_OH^-) = -lg10^-14.

Десятичный логарифм – это показатель степени, в которую нужно возвести 10:

1g10^x = х,   lg10^-x = -х.

Логарифм произведения равен сумме логарифмов:

-lgC_H⁺ -lgC_OH^- = 14

рН + рОН = 14            Т = 22-25^оС

рН + рОН = 13,6   при 37^оС

рОН = 14 – рН или рН = 14 – рОН   при 22-25^оС

выразим рН слабого электролита, если даны К_ион., a,    С_к-ты или С_осн. или отрицательные логарифмы этих величин.

Для слабой кислоты:

С_Н⁺ = aС_к

-lgС_Н⁺ = -lga - lgС_к

рН = рa + рС_к-ты, где р = -lg, следовательно

рa = -lga; рС_к = - lgС_к

или через константу ионизации:

С_Н⁺ = aС_к-ты.

По закону разведения Оствальда:

Подставим a:

Внесем С_к-ты под корень:            

Возьмем отрицательный логарифм этого выражения. Получим для слабой кислоты:

рН = ½ (рК + рС_к-ты),

где рК = -lgК;   рС_к-ты = -lgС_к-ты.

Для сильной кислоты:

a = 1 и уравнение рН = рa + рС_к-ты, т.к. рa = -lga = -lg1 = 0 преобразуется к виду:

рН = рС_к-ты 

Для слабого основания

С_ОН^- = aС_осн.

-lgC_OH^- = -lga – lgС_осн.

рОН = рa + рС_осн., где рa = -lga; рС_осн. = - lgС_осн.

или через константу ионизации:

С_ОН^- = aС_осн.

     Логарифмируя это выражение, получим:

рОН = ½ (рК + рС_осн.) - для слабого основания,

где рОН = -lgC_OH^-

       рК = -lgК

       рС_осн. = -lgС_осн.

Для сильного основания

a = 1, значит lga = 0,       рОН = рС_о.

Для наглядности приведем шкалу значений рН и С_Н⁺ при 22^оС.

 

Водородный показатель широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических жидкостей. Значение рН среды оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков, ферментов, нуклеиновых кислот.

 

Значение рН некоторых биологических жидкостей

организма при 37^оС

 

Биологическая жидкость	Кровь	Желудочный сок	Кишечный сок	Слюна	Желчь
Значение рН	7,36 ± 0,05	1,0 ± 0,1	6,4 ± 0,4	6,6 ± 0,3	6,9 ± 0,4

Как видно из таблицы рН различных жидкостей изменяется в довольно широких пределах в зависимости от их         природы.

При патологических процессах наблюдается нарушение кислотно-щелочного равновесия: смещение рН биологической жидкости в кислую область, получило название ацидоз, а в щелочную область – алкалоз.