Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды

Исключительно важную роль в биологических процессах играет вода, являющаяся обязательной составной частью (от 58 до 97%) всех клеток и тканей человека, животных, растений и простейших организмов Вода- это среда, в которой протекают самые разнообразные биохимические процессы.

Вода обладает хорошей растворяющей способностью и вызывает электролитическую диссоциацию многих растворенных в ней веществ.

Процесс диссоциации воды согласно теории Бренстеда протекает по уравнению:

Н 2 0+Н 2 0 Н 3 О + + ОН - ; ΔН дис = +56,5 КДж/моль

Т.е. одна молекула воды отдает, а другая - присоединяет протон, происходит автоионизация воды:

Н 2 0 Н + + ОН - - реакция депротонирования

Н 2 0 + Н + Н 3 О + - реакция протонирования

Константа диссоциации водыпри 298°К, определенная методом электрической проводимости равна:

а(Н +) - активность ионов Н + (для краткости вместо НзО + пишут Н +);

а(ОН -) - активность ионов ОН - ;

а(Н 2 0)- активность воды;

Степень диссоциации воды очень мала, поэтому активность водород - и гидроксид - ионов в чистой воде практически равны их концентрациям. Концентрация воды является постоянной величиной и равна 55,6 моль.

(1000г: 18г/моль= 55,6 моль)

Подставляя в выражение для константы диссоциации Кд(Н 2 0) это значение, а вместо активностей водород - и гидроксид - ионов их концентрации, получают новое выражение:

К(Н 2 0)=С(Н +)×С(ОН -)=10 -14 мол 2 /л 2 при 298К,

Более точно К(Н 2 0)= а(Н +)×а(ОН -)= 10 -14 моль 2 л 2 -

К(Н 2 0) называют ионным произведением воды или константой автоионизации.

В чистой воде или любом водном растворе при постоянной температуре произведение концентраций (активностей) водород - и гидроксид - ионов есть величина постоянная, называемая ионным произведением воды.

Константа К(Н 2 0) зависит от температуры. При повышении температуры она увеличивается, т.к. процесс диссоциации воды - эндотермический. В чистой воде или водных растворах разных веществ при 298К активности (концентрации) водород - и гидроксид - ионов будут составлять:

а(Н +)=а(ОН -)=К(Н 2 0) = 10 -14 =10 -7 моль/л.

В кислых или щелочных растворах эти концентрации уже не будут равны друг другу, но изменяться будут сопряжено: при увеличении одной из них соответственно будет уменьшаться другая и наоборот, например,

а(Н +)=10 -4 , а(ОН -)=10 -10 , их произведение всегда составляет 10 -14

Водородный показатель

Качественно реакцию среды выражают через активность водородных ионов. На практике пользуются не этой величиной, а водородным показателем рН - величиной, численно равной отрицательному десятичному логарифму активности (концентрации) водородных ионов, выраженной в моль/л.

рН= - lga (H + ),

а для разбавленных растворов

рН= - lgC (H + ).

Для чистой воды и нейтральных сред при 298К рН=7; для кислых растворов рН<7, а для щелочных рН>7.

Реакцию среды можно охарактеризовать и гидроксильным показателем:

рОН= - lga (OH - )

или приближенно

рОН= - Ig С(О H - ).

Соответственно в нейтральной среде рОН=рН=7; в кислой среде рОН>7, а в щелочной рОН<7.

Если взять отрицательный десятичный логарифм выражения ионного произведения воды, получим:

рН + рОН=14.

Следовательно, рН и рОН также являются сопряженными величинами. Их сумма для разбавленных водных растворов всегда равна 14. Зная рН, легко вычислить рОН:

рН=14 – рОН

и наоборот:

р OH = 14 - рН.

В растворах различают активную, потенциальную (резервную) и общую кислотность.

Активная кислотность измеряется активностью (концентрацией) водород-ионов в растворе и определяет рН раствора. В растворах сильных кислот и оснований рН зависит от концентрации кислотыили основания, и активность ионов Н + и ОН - может быть рассчитана по формулам:

а(Н + )= C(l/z кислота)×α каж.; рН= - lg а(Н + )

a(ОН - )=C(l/z основание)×α каж.; рН= - lg а(ОН - )

рН= - lgC(l/z кислота) – для предельно разбавленных растворов сильных кислот

рОН= - lgC(l/z основание) - для предельно разбавленных растворов оснований

Потенциальная кислотность измеряется количеством водород-ионов, связанных в молекулахкислоты, т.е. представляет собой «запас» недиссоциированных молекул кислоты.

Общая кислотность - сумма активной и потенциальной кислотностей, которая определяется аналитической концентрацией кислоты и устанавливается титрованием

Одним из удивительных свойств живых организмов является кислотно-основной

гомеостаз - постоянство рН биологических жидкостей, тканей и организмов. В таблице 1 представлены значения рН некоторых биологических объектов.

Таблица 1

Из данных таблицы видно, что рН различных жидкостей в организме человека изменяется в довольно широких пределах в зависимости от местонахождения. КРОВЬ, как и другие биологические жидкости, стремится сохранить постоянное значение водородного показателя, значения которого представлены в таблице 2

Таблица 2

Изменения рН от указанных величин всего на 0,3 в сторону увеличения или уменьшения приводит к изменению обмена ферментативных процессов, что у человека вызывает тяжелое болезненное состояние. Изменение рН всего на 0,4 уже несовместимо с жизнью. Исследователи установили, что в регуляции кислотно-щелочного равновесия участвуют следующие буферные системы крови: гемоглобиновая, бикарбонатная, белковая и фосфатная. Доля каждой системы в буферной емкости представлена в таблице 3.

Таблица 3

Все буферные системы организма по механизму действия едины, т.к. состоят они из слабой кислоты: угольной, дигидрофосфорной (дигидрофосфат-ион), белковой, гемоглабиновый (оксогемоглобиновой) и солей этих кислот, в основном натриевых, обладающих свойствами слабых оснований. Но так как по быстроте ответной реакции бикарбонатная система в организме не имеет себе равных, то способность сохранять постоянство среды в организме рассмотрим с помощью этой системы.

Учебное пособие предназначено для студентов нехимических специальностей высших учебных заведений. Оно может служить пособием для лиц, самостоятельно изучающих основы химии, и для учащихся химических техникумов и старших классов средней школы.

Легендарный учебник, переведенный на многие языки стран Европы, Азии, Африки и выпущенный общим тиражом свыше 5 миллионов экземпляров.

При изготовлении файла, использован сайт http://alnam.ru/book_chem.php

Книга:

Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электрической проводимостью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы:

По величине электрической проводимости чистой воды можно вычислить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде. При 25°C она равна 10 -7 моль/л.

Напишем выражение для константы диссоциации воды:

Перепишем это уравнение следующим образом:

Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул H 2 O в воде практически равна общей концентрации воды, т. е. 55,55 моль/л (1 л. содержит 1000 г. воды, т. е. 1000:18.02=55.55 моль). В разбавленных водных растворах концентрацию воды можно считать такой же. Поэтому, заменив в последнем уравнении произведение новой константой K H 2 O будем иметь:

Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентрата ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная, Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. Численное значение ее нетрудно получить, подставив в последнее уравнение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов. В чистой воде при 25°C ==1·10 -7 моль/л. Поэтому для указанной температуры:

Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами. При 25°C, как уже сказано, в нейтральных растворах концентрация как ионов водорода, так и гидроксид-ионов равна 10 -7 моль/л. В кислых растворах больше концентрация ионов водорода, в щелочных - концентрация гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция раствора, произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов остается постоянным.

Если, например, к чистой воде добавить столько кислоты, чтобы концентрация ионов водорода повысилась до 10 -3 моль/л, то концентрация гидроксид-ионов понизится так, что произведение останется равным 10 -14 . Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет:

10 -14 /10 -3 =10 -11 моль/л

Наоборот, если добавить к воде щелочи и тем повысить концентрацию гидроксид-ионов, например, до 10 -5 моль/л, то концентрация ионов водорода составит:

10 -14 /10 -5 =10 -9 моль/л

Эти примеры показывают, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щелочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:

Кислотность или щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем и обозначается через pH:

Например, если =10 -5 моль/л, то pH=5 ; если =10 -9 моль/л, то pH=9 и т. д. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе (=10 -7 моль/л) pH=7. В кислых растворах pH<7 и тем меньше, чем кислее раствор. Наоборот, в щелочных растворах pH>7 и тем больше, чем больше щелочность раствора.

Для измерения pH существуют различные методы. Приближенно реакцию раствора можно определить с помощью специальных реактивов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространенные индикаторы - метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин. В табл. 17 дана характеристика некоторых индикаторов.

Для многих процессов значение pH играет важную роль. Так, pH крови человека и животных имеет строго постоянное значение. Растения могут нормально произрастать лишь при значениях pH почвенного раствора, лежащих в определенном интервале, характерном для данного вида растения. Свойства природных вод, в частности их коррозионная активность, сильно зависят от их pH.

Таблица 17. Важнейшие индикаторы

Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая диссоциация - распад на ионы):

Водородный показатель (рН) величина, характеризующая активность или концентрацию ионов водорода в растворах. Водородный показатель обозначается рН. Водородный показатель численно равен отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода, выраженной в молях на литр: pH=-lg[ H+ ] Если [ H+ ]>10-7моль/л, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7моль/л -среда щелочная; рН>7. Гидролиз солей - это химическое взаимодействие ионов соли с ионами воды, приводящее к образованию слабого электролита. 1). Гидролиз не возможенСоль, образованная сильным основанием и сильной кислотой (KBr , NaCl , NaNO3 ), гидролизу подвергаться не будет, так как в этом случае слабый электролит не образуется.рН таких растворов = 7. Реакция среды остается нейтральной. 2). Гидролиз по катиону (в реакцию с водой вступает только катион). В соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой

(FeCl2 , NH4Cl , Al2(SO4)3 ,MgSO4 )

гидролизу подвергается катион:

FeCl2 + HOH <=>Fe(OH)Cl + HCl Fe2+ + 2Cl- + H+ + OH- <=> FeOH+ + 2Cl- + Н+

В результате гидролиза образуется слабый электролит, ион H+ и другие ионы. рН раствора < 7 (раствор приобретает кислую реакцию). 3). Гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион). Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой

(КClO , K2SiO3 , Na2CO3 ,CH3COONa )

подвергается гидролизу по аниону, в результате чего образуется слабый электролит, гидроксид-ион ОН- и другие ионы.

K2SiO3 + НОH <=>KHSiO3 + KОН 2K+ +SiO32- + Н+ + ОH-<=> НSiO3- + 2K+ + ОН-

рН таких растворов > 7 (раствор приобретает щелочную реакцию).4). Совместный гидролиз (в реакцию с водой вступает и катион и анион). Соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой

(СН 3СООNН 4 , (NН 4)2СО 3 , Al2S3 ),

гидролизуется и по катиону, и по аниону. В результате образуются малодиссоциирующие основание и кислота. рН растворов таких солей зависит от относительной силы кислоты и основания. Мерой силы кислоты и основания является константа диссоциации соответствующего реактива. Реакция среды этих растворов может быть нейтральной, слабокислой или слабощелочной:

Al2S3 + 6H2O =>2Al(OH)3v+ 3H2S^

Гидролиз - процесс обратимый. Гидролиз протекает необратимо, если в результате реакции образуется нерастворимое основание и (или) летучая кислота

Иомнное произведемние водым -- произведение концентраций ионов водорода Н+ и ионов гидроксида OH? в воде или в водных растворах, константа автопротолиза воды. Вывод значения ионного произведения воды

Вода, хотя и является слабым электролитом, в небольшой степени диссоциирует:

H2O + H2O - H3O+ + OH?илиH2O - H+ + OH?

Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле:

Концентрация ионов гидроксония (протонов);

Концентрация гидроксид-ионов;

Концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;

Концентрация воды в воде, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,56 моль/л.

При 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8Ч10?16моль/л. Уравнение (1) можно переписать как: Обозначим произведение K· = Kв = 1,8Ч10?16 моль/л·55,56 моль/л = 10?14мольІ/лІ = · (при 25 °C).

Константа Kв, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды. Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и Kв, при понижении температуры -- наоборот. Практическое значение ионного произведения воды

Практическое значение ионного произведения воды велико, так как оно позволяет при известной кислотности (щёлочности) любого раствора (то есть при известной концентрации или ) найти соответственно концентрации или . Хотя в большинстве случаев для удобства представления пользуются не абсолютными значениями концентраций, а взятыми с обратными знаком их десятичными логарифмами -- соответственно, водородным показателем (pH) и гидроксильным показателем (pOH).

Так как Kв -- константа, при добавлении к раствору кислоты (ионов H+), концентрация гидроксид-ионов OH? будет падать и наоборот. В нейтральной среде = = моль/л. При концентрации > 10?7 моль/л (соответственно, концентрации < 10?7 моль/л) среда будет кислой; При концентрации > 10?7 моль/л (соответственно, концентрации < 10?7 моль/л) -- щелочной.

Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель рН

Вода представляет собой слабый амфотерный электролит:

Н2О Н+ + ОН-или, более точно:2Н2О Н3О+ + ОН-

Константа диссоциации воды при 25оС равна: Такое значение константы соответствует диссоциации одной из ста миллионов молекул воды, поэтому концентрацию воды можно считать постоянной и равной 55,55 моль/л (плотность воды 1000 г/л, масса 1 л 1000 г, количество вещества воды 1000г:18г/моль=55,55 моль, С=55,55 моль: 1 л = 55,55 моль/л). Тогда

Эта величина постоянная при данной температуре (25оС), она называется ионным произведением воды KW:

Диссоциация воды - процесс эндотермический, поэтому с повышением температуры в соответствии с принципом Ле-Шателье диссоциация усиливается, ионное произведение возрастает и достигает при 100оС значения 10-13.

В чистой воде при 25оС концентрации ионов водорода и гидроксила равны между собой:

10-7 моль/л Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксила равны между собой, называются нейтральными. Если к чистой воде прибавить кислоту, концентрация ионов водорда повысится и станет больше, чем 10-7 моль/л, среда станет кислой, при этом концентрация ионов гидроксила мгновенно изменится так, чтобы ионное произведение воды сохранило свое значение 10-14. Тоже самое будет происходить и при добавлении к чистой воде щелочи. Концентрации ионов водорода и гидроксила связаны между собой через ионное произведение, поэтому, зная концентрацию одного из ионов, легко вычислить концентрацию другого. Например, если = 10-3 моль/л, то = KW/ = 10-14/10-3 = 10-11 моль/л, или, если = 10-2 моль/л, то = KW/ = 10-14/10-2 = 10-12 моль/л. Таким образом, концентрация ионов водорода или гидроксила может служить количественной характеристикой кислотности или щелочности среды.

На практике пользуются не концентрациями ионов водорода или гидроксила, а водородным рН или гидроксильным рОН показателями.Водородный показатель рН равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода:

Гидроксильный показатель рОН равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов гидроксила:

рОН = - lg

Легко показать, прологарифмировав ионное произведение воды, что

рН + рОН = 14

Если рН среды равен 7 - среда нейтральная, если меньше 7 - кислая, причем чем меньше рН, тем выше концентрация ионов водорода. pН больше 7 - среда щелочная, чем больше рН, тем выше концентрация ионов гидроксила. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы. По величине электропроводности чистой воды можно определить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде.

Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул в воде практически равна общей концентрации воды, поэтому из выражения для константы диссоциации воды получакм, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды.

Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными. В кисдых растворах больше ионов водорода, в щелочных - гидроксид-ионов. Но произведение их концентраций всегда постоянно. Это означает, что если известна концентрация ионов водорода в водном растворе, то тем самым и определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щёлочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:

Кислотность или щёлочность раствора можно выразить более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают её десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем и обозначается рН:. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе pH=7; в кислых растворах рН<7 и тем меньше, чем кислее раствор; в щелочных растворах рН>7, и тем больше, чем больше щёлочность раствора.

Для измерения рН существуют различные методы. Приближённо реакцию раствора можно определить с помощью специальных реакторов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространены метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин и лакмус.

Чистая вода плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется частичной диссоциацией молекул Н 2 О на ионы водорода и гидроксид-ионы:

Н 2 О Н + + ОН –

По величине электропроводности чистой воды можно вычислить концентрацию в ней ионов Н + и ОН – . При 25 о С она равна 10 –7 моль/л.

Константа диссоциации Н 2 О рассчитывается следующим образом:

Перепишем это уравнение:

Следует подчеркнуть, что данная формула содержит равновесные концентрации молекул Н 2 О, ионов Н + и ОН – , которые установились на момент наступления равновесия в реакции диссоциации Н 2 О.

Но, поскольку степень диссоциации Н 2 О очень мала, можно считать, что концентрация недиссоциированных молекул Н 2 О в момент наступления равновесия практически равна общей начальной концентрации воды, т.е. 55,56 моль/дм 3 (1 дм 3 Н 2 О содержит 1000 г Н 2 О или 1000: 18 ≈ 55,56 (молей). В разбавленных водных растворах можно считать, что концентрация Н 2 О будет такой же. Поэтому, заменив в уравнении (42) произведение двух постоянных величин новой константой (или K W ), будем иметь:

Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение молярных концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Она называется иначе ионным произведением воды .

В чистой воде при 25 о С .
Поэтому для указанной температуры:

При увеличении температуры значении возрастает. При 100 о С оно достигает 5,5 ∙ 10 –13 (рис. 34).

Рис. 34. Зависимость константы диссоциации воды K w
от температуры t(°С)

Растворы, в которых концентрации ионов Н + и ОН – одинаковы, называются нейтральными растворами . В кислых растворах больше содержится ионов водорода, а в щелочных – гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция среды в растворе, произведение молярных концентраций ионов Н + и ОН – останется постоянным.

Если, например, к чистой Н 2 О добавить некоторое количество кислоты и концентрация ионов Н + при этом увеличится до 10 -4 моль/дм 3 , то концентрация ионов ОН – , соответственно, понизится так, что произведение останется равным 10 -14 . Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет равна 10 -14: 10 -4 = 10 -10 моль/дм 3 . Этот пример показывает, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому реакцию раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов Н + :

нейтральный раствор ®

кислый раствор ®

щелочной раствор ®

На практике для количественной характеристики кислотности или щёлочности раствора используют не молярную концентрацию в нём ионов Н + , а её отрицательный десятичный логарифм. Эта величина называется водородным показателем и обозначается через рН :

рН = –lg

Например, если , то рН = 2; если , то рН = 10. В нейтральном растворе рН = 7. В кислых растворах рН < 7 (и тем меньше, чем «кислее» раствор, т.е., чем больше в нём концентрация ионов Н +). В щёлочных растворах рН > 7 (и тем больше, чем «щелочнее» раствор, т.е., чем меньше в нём концентрация ионов Н +).

Для измерения рН раствора существуют различные методы. Очень удобно приблизительно оценивать реакцию раствора с помощью специальных реактивов, называемых кислотно-основными индикаторами . Окраска этих веществ в растворе меняется в зависимости от концентрации в нём ионов Н + . Характеристика некоторых наиболее распространённых индикаторов представлена в таблице 12.

Таблица 12. Важнейшие кислотно-основные индикаторы