Кислотно-основные равновесия в водных растворах. Водородный показатель рН и кислотность среды. Контроль за кислотностью среды.

Кислотно-основное (или протолитическое) равновесие – это равновесие в котором участвует протон (ион водорода Н⁺). При этом в равновесии участвуют вещества способные отдавать и принимать протоны. В соответствие с протолитической теорией Бренстеда и Лоури все частицы, способные при ионизации отщеплять протон, называются кислотами, все частицы, способные присоединять протон – основаниями. Кислоты и основания могут быть нейтральными молекулами или заряженными частицами (катионы и анионы).

Примерами кислот в рамках этой теории являются:

HCN (к) ↔ H⁺ + CN^- (осн)

HS^- (к) ↔ H⁺ + S^2- (осн)

Примерами оснований:

CN^- (осн) + H⁺ ↔ HCN (к)

NН₃ (осн) + H⁺ ↔ NH₄⁺ (к)

Как видно из приведенных примеров, в результате отщепления протона от кислоты образуется частица, способная принимать протон (основание), а при присоединении протона к основанию образуется кислота. Такие кислоты и основания, находящиеся в кислотно-основном равновесии, называются сопряженными, то есть HCN и CN^- - сопряженные кислота и основание, аммиак и ион аммония – сопряженные основание и кислота.

Некоторые вещества способны как отдавать, так и принимать протоны, то есть одновременно проявлять как кислотные, так и основные свойства:

НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2-

НСО₃^- + Н⁺ ↔ Н₂СО₃

Такие вещества называются амфолитами (амфотерными веществами). К амфолитам относится и вода, молекулы которой способны либо отдавать протоны:

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^- (CN^- + H₂O ↔ HCN + OH^-)

либо присоединять их:

Н₂О + Н⁺ ↔ Н₃О⁺ (HCN + H₂O ↔ H₃O⁺ + CN^-)

Таким образом, согласно современным представлениям в воде осуществляется протолитическое равновесие – автопротолиз воды:

Н₂О + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + ОН^- или упрощенно: Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^-

Вода – слабый электролит и диссоциация ее молекул характеризуется концентрационной константой диссоциации, которая имеет вид:

При температуре 298 K (25⁰С) значение , а молярная концентрация воды в чистой воде

моль/л

Тогда имеем

Величина K_W называется константа автопротолиза воды или ионное произведение воды.При повышении температуры степень ионизации воды увеличивается и значение константы автопротолиза растет.

Если для величин, входящих в выражение ионного произведения воды, использовать их показатели (отрицательные десятичные логарифмы), то получим:

Где - водородный показатель, - гидроксильный показатель.

В чистой воде, где концентрации ионов водорода и гидроксида одинаковы , имеем нейтральную среду (рН = 7); в кислых водных растворах > (рН < 7), в щелочных - < (рН > 7).

Таким образом, величина рН может использоваться для характеристики кислотности среды: если рН < 3 - раствор сильнокислый, при 4 < рН < 7 – слабокислый; для слабощелочных растворов характерно значение рН от 7 до 10, а для сильнощелочных – рН > 11.

Для контроля за кислотностью среды при проведении химических реакций используют кислотно-основные индикаторы.

Индикаторы представляют собой слабые органические кислоты (HInd) или основания (IndOH), молекулярная и диссоциированная (ионная) формы которых имеют разную окраску, например, для лакмуса:

HInd (красный) ↔ H⁺ + Ind^- (синий)

При изменении кислотности среды (изменении рН) меняется соотношение между концентрациями окрашенных форм индикатора и раствор принимает ту или иную окраску – в кислой среде лакмус окрашивает раствор в красный цвет (сдвиг равновесия диссоциации влево), а в щелочной – в синий (сдвиг – вправо).

Каждый индикатор характеризуется интервалом перехода окраски(ИПО), который зависит от природы индикатора, и представляет собой область рН, в которой происходит изменение окраски индикатора.

ИПО для некоторых индикаторов приведены в таблице:

Используя разные индикаторы с достаточной точностью можно определить кислотность среды, например, если лакмус в растворе имеет синюю окраску, а фенолфталеин бесцветный, то раствор слабощелочной (рН ~ 8).

В лабораторной практике удобно определять кислотность среды с помощью универсальной индикаторной бумаги, которая изменяет свою окраску в зависимости от рН раствора – красная в кислых, бледно-зеленоватая в нейтральной и синяя в щелочных средах. Сравнивая окраску индикаторной бумаги с эталонной цветовой шкалой можно определить рН реакционной смеси с точностью до единицы.