storinka.click
Вода как электролит. Водородный показатель (pH)
Материал параграфа поможет вам:
характеризовать электролитическую диссоциацию воды;
выяснить, что такое водородный показатель (pH); определять приблизительные значения pH растворов с помощью универсального индикатора.
Вода как электролит. Результаты опытов свидетельствуют о том, что чистая вода (например, дистиллированная, в которой нет растворенных электролитов) имеет незначительную электропроводность. Это обусловлено наличием в воде очень малых количеств ионов Н + и ОН“. Такие ионы образуются вследствие разрыва одной из полярных ковалентных связей в молекуле Н20 (§ 2). Следовательно, вода —
электролит. Она диссоциирует согласно уравнению
Вода является очень слабым электролитом. При температуре 25 °С лишь одна ее молекула из каждых 555 миллионов молекул распадается на ионы. Степень электролитической диссоциации воды равна
Вычислим количество вещества катионов Гидрогена в 1 л чистой воды. Для этого сначала определяем количество вещества воды в 1 л (или в 1000 г):
Теперь воспользуемся одной из формул для степени диссоциации электролита (§ 8):
Таким образом, в 1 л воды содержится 10“ 7 моль ионов Н + . Другими словами, молярная концентрация катионов Гидрогена в воде составляет 10 _7 моль/л. Так как молекула воды диссоциирует на один ион Н + и один ион ОН“, то молярная концентрация гидроксид-ионов также равна 10“ 7 моль/л.
Молярную концентрацию обозначают латинской буквой с.
Водородный показатель. Если значение молярной концентрации катионов Гидрогена записать в таком виде:
то число т является водородным показателем. Его сокращенное обозначение — pH (читается «пэ-аш»).
Поскольку в чистой воде с(Н + ) = 10“ 7 моль/л, то pH воды равен 7. Для воды и любого водного раствора с таким значением pH используют термин «нейтральная среда».
В растворе кислоты содержится больше катионов Гидрогена, чем в воде, т. е. с(Н + ) > > 10“ 7 моль/л. Значения молярной концентрации ионов Н + в растворах кислот могут составлять, например, 1(Г 6 ; 1(Г 4 ; ПГ 1 моль/л. Им отвечают значения pH 6, 4, 1.
Растворы щелочей содержат меньше катионов Гидрогена, чем чистая вода, но больше ионов ОН“. Возможными для таких растворов являются, например, значения молярной концентрации ионов Н + 10 -8 ; Ю“ 10 ; 10“ 13 моль/л. Соответствующие значения pH: 8, 10, 13.
Таким образом, для растворов кислот pH 7. Термины, используемые для характеристики таких растворов, — «кислая среда», «щелочная среда».
Экспериментальное определение pH растворов. В 7 и 8 классах вы определяли наличие кислоты или щелочи в растворе с помощью индикаторов — лакмуса, фенолфталеина, метилоранжа, а также универсальной индикаторной бумаги. В отличие от первых трех индикаторов универсальный индикатор позволяет определить приблизительное значение pH раствора (рис. 25).
Полоски универсальной индикаторной бумаги со шкалой pH на упаковке
Каким должен быть цвет универсальной индикаторной бумаги в чистой воде? Какую окраску может приобретать этот индикатор в растворах кислот, щелочей?
ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 1 Обнаружение ионов Гидрогена и гидроксид-ионов в растворе. Определение приблизительного значения pH воды, щелочных и кислых растворов с помощью универсального индикатора
Вам выдан штатив с пробирками, в которых находятся вода (водопроводная или дистиллированная), разбавленные хлоридная кислота и раствор натрий гидроксида, а также растворы уксусной кислоты, хозяйственного мыла.
В вашем распоряжении — полоски универсальной индикаторной бумаги, шкала pH, стеклянная палочка, стакан с водой, небольшие листы фильтровальной бумаги.
Для определения значения pH каждой жидкости погрузите в нее стеклянную палочку и нанесите с ее помощью каплю жидкости на полоску универсальной индикаторной бумаги. Сравните цвет индикатора после действия на него исследуемой жидкости с цветной шкалой pH и запишите значение водородного показателя этой жидкости.
Перед определением pH другой жидкости промойте стеклянную палочку водой и вытрите ее фильтровальной бумагой.
Результаты опыта запишите в таблицу:
В химических лабораториях для измерения pH используют приборы — pH-метры (рис. 26). Они дают возможность определить водородный показатель с точностью до 0,01.
На кислую, щелочную или нейтральную среду указывает значение pH на экране прибора (рис. 26)?
Значения водородного показателя для большинства растворов, встречающихся в природе, меньше 7 или почти равны этому числу (табл. 1).
Средние значения водородного показателя для некоторых жидкостей
Существенное отклонение значений pH некоторых биологических жидкостей в организме человека от значений, приведенных в таблице, вызывает заболевание или является его результатом. Людям с повышенной кислот-
ностью желудочного сока рекомендуют пить минеральную воду с меньшей концентрацией ионов Н + (т. е. с более высоким pH), а людям с пониженной кислотностью — «более кислую» воду (с низшим pH). Многие жидкие косметические средства имеют pH = 5,5. Соответствующее содержание в них катионов Н + является оптимальным для нашей кожи.
На промышленных предприятиях осуществляют контроль значений pH некоторых пищевых продуктов и косметических средств. Если, например, свежее молоко имеет более низкое значение водородного показателя, чем предусмотрено стандартом, его не направляют в торговую сеть, а используют для производства кисломолочной продукции.
В сельском хозяйстве кислотность почвенного раствора является одним из основных факторов, влияющих на урожай. Так, картофель лучше всего растет на слабокислых почвах (pH » 5), а свекла — на нейтральных (pH » 7).
Вода — очень слабый электролит. Незначительная часть ее молекул диссоциирует с образованием катионов Гидрогена и гидроксид-ионов. Концентрация каждого иона в чистой воде составляет 10 -7 моль/л.
Содержание ионов Н + в воде и водных растворах характеризуют с помощью водородного показателя (pH). Значение pH чистой воды равно 7, раствора кислоты — меньше 7, а раствора щелочи — больше 7.
Приблизительные значения водородного показателя растворов определяют с помощью универсального индикатора.
Природные растворы и биологические жидкости имеют различные значения pH.
64. Охарактеризуйте электролитическую диссоциацию воды.
65. Сколько ионов Н + и ионов ОН» содержится в одной капле воды объемом 0,1 мл?
66. Вычислите массовые доли ионов Н + и ОН» в воде.
67. Что такое водородный показатель?
68. Найдите соответствие.
1. Раствор натрий А. Количество ионов Н + а) pH > 7
хлорида в воде больше, чем ионов ОН»
2. Раствор углекислого Б. Количества ионов Н + б) pH +
69. В каком из растворов концентрация катионов Гидрогена бо́льшая — с pH = 6 или pH = 8? Во сколько раз?
70. Какое преимущество имеет универсальный индикатор по сравнению с лакмусом или метилоранжем при определении среды водных растворов?
71. Почему водородный показатель чистой дождевой воды, собранной над территорией, где нет населенных пунктов и промышленных объектов, равен 5,6, а не 7,0?
72. Раствор, содержащий 6 г натрий гидроксида, смешали с раствором, содержащим 6,3 г нитратной кислоты. Значение pH образовавшейся жидкости:
Источник
Вода как слабый электролит. Понятие о рН растворов. Индикаторы
Тщательно очищенная от посторонних примесей вода обладает определённой, хотя и незначительной, электрической проводимостью, заметно возрастающей с повышением температуры. Наличие электрической проводимости может быть объяснено только тем, что молекулы воды, частично распадаются на ионы, т.е. H2O является слабым электролитом. Процесс диссоциации воды может быть записан
H2O + H2O ↔ H3O+ + OH¯. Этот процесс называется самоионизацией. Реакцию воды часто записывают в более простом виде:H2O ↔ H+ + OH¯. Константа диссоциации воды может быть вычислена по уравнению
Кд = (aH aOH)/aH2O (1). Учитывая, что при комнатной температуре на ионы распадается лишь одна из примерно 108 молекул воды, активности ионов в уравнении могут быть заменены их концентрациями , а концентрацию нераспавшихся молекул воды можно считать равной общей концентрации молекул воды. Концентрацию молекул можно рассчитать, разделив массу 1 л воды на массу её моля: 1000/18 = 55,5 моль/л. Считая эту величину постоянной, можно уравнение (1) записать в виде: [H+] [OH¯] = Кд 55,5 = Кв, где Кв – ионное произведение воды. При расчётах связанных с водными растворами электролитов, используют не концентрации, активности ионов: aH·aOH = Кв.
Водородным показателем, или pH, называется взятый с обратным знаком десятичный логарифм активности ионов водорода в растворе: pH = — lg aH. Водородный показатель определяет характер реакции раствора. При pH 7 – щелочная, при pH=7 – реакция нейтральная. Водородный показатель имеет важное значение для понимания большинства процессов, протекающих в жидкой фазе, так как ионы H+ и OH¯ непосредственно участвуют во многих из этих процессов. Кроме того, эти ионы являются гомогенными катализаторами многих реакций. Величина pH может служить критерием силы кислоты или основания. Водородный показатель играет важную роль в жизнедеятельности организма, так в норме pH сыворотки крови равен 7,40 ± 0,05, слёз – 7,4 ± 0,1. отклонение pH от нормальных значений приводит к расстройству деятельности организма. Существенно влияние на урожайность оказывает pH почвы, на экологию водоёма – pH воды.
Индикаторы (позднелат. indicator — указатель), химические вещества, изменяющие окраску, люминесценцию или образующие осадок при изменении концентрации какого-либо компонента в растворе. Указывают на определенное состояние системы или на момент достижения этого состояния.
Различают индикаторы обратимые и необратимые. Изменение окраски первых при изменении состояния системы может быть повторено многократно. Необратимые индикаторы подвергаются необратимым химическим превращениям, например, азосоединения при окислении ионами BrO3 — разрушаются. Индикаторы. которые вводят в исследуемый раствор, называют внутренними, в отличие от внешних, реакцию с которыми проводят вне анализируемой смеси. В последнем случае одну или несколько капель анализируемого раствора помещают на бумажку, пропитанную индикатором, или смешивают их на белой фарфоровой пластинке с каплей индикатора.
Индикаторы применяют чаще всего для установления конца какой-либо химической реакции, главным образом конечной точки титрования (к. т. т.). В соответствии с титриметрическими методами различают кислотно-основные, адсорбционные, окислительно-восстановительные и комплексонометрические индикаторы.
Кислотно-основные индикаторы представляют собой растворимые органические соединения, которые меняют свой цвет или люминесценцию в зависимости от концентрации ионов Н + (рН среды).
Адсорбционные индикаторы — вещества, способные адсорбироваться на поверхности осадка и менять при этом окраску или интенсивность люминесценции. Эти индикаторы, как правило, обратимы и используются в осадительном титровании
Окислительно-восстановительные индикаторы — вещества, способные изменять окраску в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала раствора.
Комплексонометрические индикаторы — вещества, образующие с ионами металлов (М) окрашенные комплексы, по цвету отличающиеся от самих индикаторов.
Иногда в качестве комплексонометрических индикаторов применяют комплексонат какого-либо иона (например, [CuY] 2- , где Y — анион этилендиаминтетрауксусной кислоты) в смеси с металлохромным индикаторы, например ПАН. При введении определяемого иона М 2+ происходит реакция: М 2+ + [CuY] 2- + ПАН D [MY] 2- + [СuПАН] + . При титровании каким-либо комплексоном в к. т. т. окраска раствора меняется от фиолетовой к желто-оранжевой, т.е. очень контрастно. При комплексонометрическом определении Сu используют в качестве индикатора ее комплекс с ПАН, адсорбированный на поверхности осажденного AgI. В этом случае можно определять Ag и Сu при совместном присутствии: в кислой среде раствором KI оттитровывают сначала ионы Ag, а затем комплексоном — ионы Сu.
Применяются также так называемые неокрашенные комплексонометрические индикаторы, избирательно взаимодействующие с ионами определяемого металла с образованием слабо окрашенных (el 10 3 ) комплексов, например,сульфосалициловая кислота при титровании Fe (III). Флуоресцентные комплексонометрические индикаторы(или металлофлуоресцентные индикаторы) взаимодействуют с катионами металлов с образованием интенсивно флуоресцирующих хелатов.
21. Типы химических реакций, их характеристика
Источник
Почему вода слабый электролит
Одним из важнейших растворителей является вода. Являясь слабым электролитом, вода в незначительной степени диссоциирует на ионы:
В чистой воде концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов равны:
Измерения электропроводности чистой воды показали, что при 22 °С степень ее ионизации a = 1,8 . 10 -9 . Так как в 1 литре воды содержится
то концентрация ионов будет равна
а произведение равновесных концентраций:
При данной температуре величина Kw является постоянной и называется ионным произведением воды.
Постоянство величины Kw позволяет утверждать, что при увеличении в растворе концентрации ионов водорода H + (растворение кислоты) происходит уменьшение концентрации гидроксид-ионов, и наоборот.
Если [H + ]=[OH — ]=10 -7 моль/л, то среда раствор нейтральная;
если [H + ]>10 -7 моль/л, то раствор кислый;
если [OH — ]>10 -7 моль/л, то раствор щелочной.
Поскольку значения концентрации ионов водорода в химии растворов используется очень часто, то для удобства введено представление о водородном показателе.
Водородный показатель pH – величина, характеризующая концентрацию ионов водорода и кислотность среды. pH – это отрицательный логарифм концентрации ионов водорода:
Гидроксидный показатель pOH – величина, характеризующая концентрацию гидроксид-ионов и щелочность среды. pOH – это отрицательный логарифм концентрации гидроксид-ионов
Водородный и гидроксидный показатели связаны между собой соотношением
Источник
