Водородный показатель pH

Что такое водородный показатель pH и зачем он нужен

Водные растворы веществ могут быть кислыми, нейтральными или щелочными. Кислотность среды зависит от концентрации положительно заряженных ионов водорода (H⁺) и отрицательно заряженных гидроксид-ионов (OH⁻) относительно друг друга.

Если в растворе [H⁺] > [OH⁻], то его называют кислотным,

если [OH⁻] > [H⁺] — щелочным,

если [H⁺] = [OH⁻] — нейтральным.

В нейтральном растворе концентрация Н⁺ и ОН⁻ ничтожно мала, поскольку эти ионы активно взаимодействуют друг с другом с образованием малодиссоциирующего соединения Н₂О. Поэтому в нейтральном растворе присутствуют только те ионы водорода и гидроксид-ионы, которые образовались в результате обратимой диссоциации:

Н₂О ⇆ Н⁺ + ОН^–.

Константа диссоциации имеет незначительную величину и равна:

.

Концентрация воды практически не изменяется в растворе, поэтому мы можем упростить выражение константы диссоциации воды:

K_w = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴.

Получившееся выражение называют ионным произведением воды. Эта величина постоянна при заданной температуре (для T = 22–25 °С K_w = 10⁻¹⁴) для воды и ее растворов.

Концентрация ионов H⁺ и OH⁻ при комнатной температуре всегда одинакова и равняется:

[H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ моль/л.

Для характеристики кислотности среды более удобно использовать водородный показатель pH (читается «пэ аш»), который равен десятичному логарифму величины [H+] с отрицательным знаком. Формула расчета pH:

Название величины указывает на то, что кислотность или щелочность среды можно выразить через концентрацию только ионов водорода.

Расчет водородного показателя для растворов разной кислотности

Попробуем посчитать pH для чистой воды и нейтральных водных растворов:

pH= −lg[H⁺] = −lg10⁻⁷ = −(−7) = 7.

Для нейтральных водных растворов и чистой воды pH = 7.

Рассчитаем значения водородного показателя для раствора сильной одноосновной кислоты (например, HCl) концентрации 1 моль/л. Концентрация ионов водорода Н⁺ равняется также 1 моль/л. Подставим значения в ионное произведение воды, которое сохранит свое значение 10⁻¹⁴ и в этом растворе:

К_w = [H⁺][ОН⁻] = [1 моль/л] × [ОН⁻] = 10⁻¹⁴.

В таком случае [Н⁺] = 10⁰ (так как 10⁰ = 1 моль/л).

Тогда рН = −lg10⁰ = 0.

Для растворов сильных кислот pH = 0.

Рассчитаем значения водородного показателя для раствора сильного основания (например, KOH) концентрации 1 моль/л. Ионное произведение воды принимает вид:

К_w = [Н⁺][1 моль/л] = 10⁻¹⁴.

К_w = [Н+][10⁰ моль/л] = 10⁻¹⁴.

Тогда .

Следовательно, рН = −lg10⁻¹⁴ = 14.

Для растворов сильных оснований pH = 14.

Таким образом, значения pH могут варьироваться в интервале от 0 до 14. Чем меньше рН, тем выше кислотность среды. И наоборот: чем больше рН, тем выше щелочность среды.

Сильнокислотные свойства раствора характерны для pH = 0–3, а сильнощелочные — для pH = 12–14.

Значения pH в зависимости от характера среды:

• в нейтральных водных растворах pH = 7;

• в кислотных — pH < 7;

• в щелочных — pH > 7.

178.1K

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

• Подготовься к ОГЭ на пятёрку.

• Подготовься к ЕГЭ на высокие баллы.

• Записывайся на бесплатные курсы для детей.

• Решай задания в бесплатном тренажёре ЕГЭ.

Водородный показатель в быту и производстве

В быту нейтральной средой принято считать диапазон pH = 5–8,5. Растворы такой кислотности (или щелочности) безопасны для кожи и слизистых человека. Ниже приведены pH некоторых веществ, которые мы встречаем в повседневной жизни:

Водородный показатель имеет важное значение во многих отраслях:

• в косметологии многие продукты проходят проверку на оптимальное значение pH для безопасности кожи;

• в сельском хозяйстве кислотность среды определяют для выращивания сельскохозяйственных культур;

• в экологии изменение кислотности дождевых вод, рек, озер свидетельствует об ухудшении экологических условий и т. д.

Запоминать теорию проще, если она подкреплена примерами из реальной жизни. Ученики онлайн-курсов по химии в Skysmart на каждом уроке узнают что-то новое об окружающем мире и учатся применять знания на практике.

Методы определения водородного показателя раствора

Характер среды (кислый, нейтральный или щелочной) определяют с помощью индикатора.

Индикаторы — вещества, которые изменяют окраску раствора при различных значениях pH.

Чтобы определить характер среды, в исследуемый раствор достаточно добавить несколько капель водно-спиртового раствора индикатора — и окраска последнего изменится.

На практике наиболее распространены несколько индикаторов: метилоранж, лакмус и фенолфталеин. Окраска этих индикаторов в кислой, нейтральной и щелочной среде представлена в таблице:

Определение pH среды с помощью индикатора — быстрый и наглядный метод, но для определения более точного значения pH используют универсальный индикатор.

Универсальный индикатор представляет собой смесь высушенных веществ, нанесенных на бумагу. С его помощью можно определить характер среды в широком диапазоне pH — от 1 до 14.

Для измерения водородного показателя pH на бумажную полоску наносят исследуемый раствор, а затем сравнивают цвет индикатора с эталонной шкалой.

Помимо определения характера среды, с помощью индикатора можно отследить изменение концентрации компонента в растворе. Например, реакция нейтрализации (реакция между кислотой и щелочью) протекает без каких-либо признаков (выпадения осадка или выделения газа). Но если к раствору кислоты добавить индикатор лакмус, раствор окрасится в красный, а после добавления к нему щелочи — в фиолетовый. Изменение окраски индикатора подтвердит протекание реакции нейтрализации.

Использование специального прибора pH-метра позволяет измерять значения pH в более широком интервале и с большей точностью (до 0,01 единицы pH) по сравнению с индикаторами.

Работа pH-метра основана на измерении электродвижущей силы (ЭДС), которая создается электродами после погружения в раствор.

Вопросы для самопроверки

1. Какие значения pH характерны для кислой, нейтральной и щелочной среды?

2. В каких областях науки и производства необходимо измерять значения pH раствора вещества? Приведите несколько примеров.

3. Что такое индикатор? Как определить с его помощью характер среды?

4. В чем преимущества универсального индикатора?

5. Как называется прибор для более точного определения водородного показателя среды? Приведите его преимущества.