Ионов водорода, моль/л; б – водородного показателя рН

Использовать шкалу «а» (Рис.2.2) не совсем удобно, приходится все время

выражать концентрацию ионов водорода в моль/л, применяя отрицательную

степень. В практической работе принято выражать концентрацию ионов водо-

рода через так называемый водородный показатель рН, который представляет

собой просто один только показатель степени концентрации ионов водорода

без отрицательного знака. С математической точки зрения рН ─ это отрица-

тельный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода:

рН = - lg[H⁺].

Если, например, [H⁺] = 10^-4 моль/л, то рН = - lg[10^-4]= 4 (среда кислая). При рав-

ных концентрациях ионов водорода и гидроксила [H⁺] = [OH^-] = 10^-7моль/л рас-

твор будет нейтральным и его рН = - lg [10^-7] = 7 (среда нейтральная). Если рН <

7, то среда кислая; если рН > 7, то среда щелочная.

Иногда применяют не показатель рН, а показатель ионов гидроксила рОН

(по аналогии с рН), равный

рОН = -lg[OH^-].

Сумма показателей ионов водорода и гидроксила для данного раствора должна

быть равной 14, т.е. рН + рОН = 14, так как логарифмирование ионного произ-

ведения воды дает следующее соотношение lg ([H⁺]·[OH^-]) = lg 10^-14 , или lg[H⁺] + lg[OH^-] = -14, а отсюда, принимая во внимание, что рН = -lg[H⁺] и pOH = - lg[OH^-], получим:

рН + рОН = 14.

Следует отметить, что при расчете рН и рОН концентрациями [H⁺] и [OH^-] можно пользоваться лишь в растворах, ионная сила которых близка к нулю, коэффициенты активности единице, а значит активности равны концентрациям. В противном случае ионное произведение воды равно произведению активностей протонов и гидроксид-ионов:

К_воды = а (Н⁺) ∙ а (ОН^-).

Так, для растворов с высокой концентрацией электролитов водородный показатель обозначается р_аН и равен отрицательному логарифму активной (эффективной) концентрации (активности) ионов водорода:

: р_аН = -lg([H⁺] · f_H⁺ ) = -lg[H⁺] - lg f_H⁺ = pH - lg f_H⁺ , р_аОН = -lg([ОH^-] · f_HО^- ) = -lg[ОH^-] - lg f_ОH^- = pОH - lg f_ОH^-, где f_H⁺― коэффициент активности протонов в данном растворе.

Рассмотрим несколько примеров расчета рН растворов.

Пример 1. Каково будет значение рН 0,001 нормального раствора КОН, ес-

ли допустить, что степень диссоциации щелочи в растворе 100%?

Решение. Гидроксид калия в водном растворе диссоциирует на ионы калия

и гидроксила:

КОН → К⁺ + ОН^-.

Поскольку диссоциация растворенного гидроксида калия полная, то концен-

трация гидроксил ионов ОН^- равна 0,001 моль/л (так же как и ионов калия). Учи-

тывая, что концентрации ионов водорода и гидроксила связаны между собой

ионным произведением, равным [H⁺]·[OH^-] = 10^-14, найдем концентрацию ионов

водорода в этом растворе:

[H⁺] = 10^-14 / [OH^-] = 10^-14 / 0,001 = 10^-11 моль/л.

Зная концентрацию ионов водорода, рассчитаем рН раствора: рН = -lg10^-11 = 11.

Пример 2. Какова концентрация ионов гидроксила в растворе, рН которого

равен 5?

Решение. По величине рН определяем концентрацию ионов водорода Н⁺ в

растворе: так как рН = -lg [H⁺], то lg[H⁺] = -5 и [H⁺] = 10^-5 моль/л. Концентра-

цию ионов ОН^- рассчитываем исходя из ионного произведения воды:

[OH^-] = 10^-14 / 10^-5 = 10^-9 моль/л.

Пример 3.Молярные концентрации четырех двухкомпонентных растворов, содержащих фруктозу, H₂SO₄, HCl, CH₃CO₂H одинаковы и составляют 0,001М. Осмотическое давление, создаваемое каким раствором будет наибольшее и наименьшее?

Решение. Очевидно, что концентрация частиц наименьшая в растворе фруктозы, потому что это органическое соединение, которое почти не диссоциирует в водных растворах. Уксусная кислота – слабый электролит и диссоциирует неполностью. Степень диссоциации

α= =

Серная и соляная кислоты – сильные электролиты и диссоциируют полностью на ионы, но HCl распадается на две частицы, а H₂SO₄ – на три.

Получаем следующие значения концентрации частиц в растворах:

Фруктоза – 0,0010 М

CH₃CO₂H – 0,0011 М

HCl - 0,0020 М

H₂SO₄ – 0,0030 М