Водородный показатель
Вода, являясь электролитом (см. Электролиты), в незначительной степени диссоциирует (распадается) на ионы Н+ и ОН-, которые находятся в равновесии с недиссоциированными молекулами (см. Равновесие химическое):
Н2О ↔ Н+ + ОН- (1)
Равновесную концентрацию ионов обычно обозначают с помощью квадратных скобок [ ] и выражают в молях ионов в 1 л раствора. Как видно из уравнения диссоциации воды (1), в ней концентрации ионов Н+ и ОН- одинаковы. Опытом установлено, что в 1 л воды при комнатной температуре (22° С) диссоциации подвергаются лишь 10-7 моль и при этом образуется 10-7 моль/л ионов Н+ и 10-7 моль/л ионов ОН+ (гидроксид-ионов).
Произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов в воде называется ионным произведением воды (обозначается Кв). При определенной температуре Кв — величина постоянная. Численное значение его при 22° С равно 10-14:
Кв = [Н+] [ОН-] = 10-7 × 10-7 = 10-14 (2)
Постоянство произведения [Н+] [ОН-] означает, что в любом водном растворе ни концентрация ионов водорода, ни концентрация гидроксид-ионов не может быть равна нулю. Иными словами, любой водный раствор кислоты, основания или соли содержит как Н + -ионы, так и гидроксид-ионы ОН".
Из постоянства произведения [Н+] [ОН-] следует, что при уменьшении концентрации одного из ионов воды соответственно уменьшается концентрация другого иона. Это позволяет вычислять концентрацию Н+ -ионов, если известна концентрация гидроксид-ионов ОН-, и наоборот. Например, если в водном растворе [Н+]=10-3 моль/л, то [ОН-] определится так (см. уравнение 2):
ОН- = Кв⁄Н+ = 10-14⁄10-3 моль/л.
Таким образом, кислотность и щелочность раствора можно выражать через концентрацию либо ионов Н+, либо ионов ОН-. На практике пользуются первым способом. Тогда для нейтрального раствора [Н+]=10-7, для кислого [Н+] > 10-7 и для щелочного [Н+] < 10-7 моль/л.
Чтобы избежать неудобств, связанных с применением чисел с отрицательными показателями степени, концентрацию водородных ионов принято выражать через водородный показатель и обозначать символом рН (читается «пэ-аш») (от лат. pondus Hydrogenii — «вес водорода»). Водородным показателем рН называется десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком:
рН = -lg[H+] (5)
или
[Н+] = 10рН, (4)
где [Н+] — концентрация ионов водорода, моль/л.
Понятие «водородный показатель» было введено датским химиком С. Сёренсеном в 1909 г.: буква «р» — начальная буква датского слова potenz — „математическая степень", буква «Н» — символ водорода.
С помощью рН реакция растворов характеризуется так: нейтральная рН 7, кислая рН<7, щелочная рН>7. Наглядно зависимость между концентрацией ионов водорода, величиной рН и реакцией раствора можно выразить следующим образом:
чем меньше рН, тем больше концентрация ионов Н + , т. е. выше кислотность среды; и наоборот, чем больше рН, тем меньше концентрация ионов Н + , т. е. выше щелочность среды.
В качестве примера можно привести значения рН некоторых растворов и указать соответствующую им реакцию среды. Так, у желудочного сока рН 1,7 (сильнокислая реакция), у торфяной воды рН 4 (слабокислая), у дождевой воды рН 6 (слабокислая), у водопроводной воды рН 7,5 (слабощелочная), у крови рН 7,4 (слабощелочная), у слюны рН 6,9 (слабокислая), у слез рН 7 (нейтральная).
Исключительно важно знать значение рН и регулировать его для управления различными явлениями и процессами и в природе, и в технике. Многие производственные процессы в химической, пищевой, текстильной и других отраслях промышленности протекают лишь при определенной реакции среды. Наш организм нормально функционирует только тогда, когда и в крови, и в тканевых жидкостях важнейших органов поддерживается определенное соотношение Н+ и ОН "-ионов (с незначительными колебаниями) .
Качественно кислотность или щелочность среды определяют с помощью обычных индикаторов (лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый). В условиях производства применяют весьма точные инструментальные методы определения рН — с помощью прибора рН-метра.
