Vesimolekyylien ionituotteen laskeminen ja pH-arvon määrittäminen

OSA 3.
AIHE 5. Veden ionitulo. Vedyn osoitin ja pH-asteikko.

Vedyn osoitin (pH) on suure, joka kuvaa vedyn ionien aktiivisuutta tai konsentraatiota liuoksissa. Vedyn osoitin merkitään pH:lla.
Vedyn osoitin on numeerisesti yhtä suuri kuin vedyn ionien aktiivisuuden tai konsentraation negatiivinen kymmenkantainen logaritmi, ilmaistuna moolia litrassa:
pH = -lg[H⁺]

Vedessä vedyn ionien konsentraatio määräytyy veden elektrolyyttisen dissosiaation mukaan reaktiossa:
H₂O ⇄ H⁺ + OH⁻

Dissosiaatiovakio 22 °C:ssa on

Jättäen huomioimatta pienen osan dissosioituneita molekyylejä, voidaan dissosioitumattoman veden konsentraatio olettaa olevan yhtä suuri kuin veden kokonaiskonsentraatio: C[H₂O] = 1000/18 = 55,55 mol/l.
Tällöin:
C[H⁺] · C[OH⁻] = K · C[H₂O] = 1,8·10⁻¹⁶ · 55,55 = 10⁻¹⁴

Vedelle ja sen liuoksille vedyn ja hydroksyylin ionien konsentraatioiden tulo on vakio tietyssä lämpötilassa. Tätä kutsutaan veden ionituloksi K_W, ja 25 °C:ssa se on 10⁻¹⁴.

Veden ionitulon vakioisuus mahdollistaa vedyn ionien konsentraation laskemisen, jos hydroksyylionien konsentraatio tunnetaan, ja päinvastoin.

Käsitteet hapan, neutraali ja emäksinen saavat määrällisen merkityksen.
Jos [H⁺] = [OH⁻], nämä konsentraatiot (kumpikin) ovat 10⁻⁷ mol/l, eli [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ mol/l ja liuos on neutraali. Tällöin
pH = -lg[H⁺] = 7 ja pOH = -lg[OH⁻] = 7.

Jos [H⁺] > 10⁻⁷ mol/l ja [OH⁻] < 10⁻⁷ mol/l — liuos on hapan; pH < 7.
Jos [H⁺] < 10⁻⁷ mol/l ja [OH⁻] > 10⁻⁷ mol/l — liuos on emäksinen; pH > 7.

Kaikissa vesiliuoksissa pH + pOH = 14, missä pOH = -lg[OH⁻].

pH-arvolla on suuri merkitys biokemiallisissa prosesseissa, teollisissa prosesseissa, luonnonvesien ominaisuuksien tutkimisessa ja niiden käyttömahdollisuuksien arvioinnissa jne.

Liuosten pH:n laskeminen hapoille ja emäksille.

Happojen ja emästen liuosten pH:n laskemiseksi on ensin laskettava vapaiden vedyn ionien ([H⁺]) tai vapaiden hydroksyylionien ([OH⁻]) moolinen konsentraatio ja sen jälkeen käytettävä kaavoja:
pH = -lg[H⁺]; pOH = -lg[OH⁻]; pH + pOH = 14

Elektrolyytin liuoksessa minkä tahansa ionin konsentraatio mol/l voidaan laskea yhtälöllä:

C_ion = C_m · α · n

missä:
C_ion – ionin moolinen konsentraatio mol/l,
C_m – elektrolyytin moolinen konsentraatio mol/l,
α – elektrolyytin dissosiaatioaste,
n – tämän ionin määrä, joka syntyy yhden elektrolyyttimolekyylin hajoamisesta.

Jos elektrolyytti on heikko, dissosiaatioasteen arvo voidaan määrittää Ostwaldin laimennuslain perusteella:

Tällöin C_ion = C_m · α · n = √(C_m · K_diss).

Esimerkki 1. Laske 0,001 M natriumhydroksidiliuoksen pH.
Ratkaisu: Natriumhydroksidi on vahva elektrolyytti, ja sen dissosiaatio vesiliuoksessa tapahtuu reaktion mukaan:
NaOH → Na⁺ + OH⁻
Laimennetussa liuoksessa dissosiaatioaste voidaan olettaa olevan 1. Hydroksyyli-ionien konsentraatio (mol/l) liuoksessa on yhtä suuri kuin elektrolyytin konsentraatio: [OH⁻] = 0,001 mol/l.

Esimerkki 2. Laske 1 % muurahaishappoliuoksen pH, kun liuoksen tiheys on 1 g/ml ja K_diss = 2,1·10⁻⁴.
Ratkaisu: 1 litra liuosta sisältää 10 g HCOOH:ta, mikä vastaa 10/46 = 0,22 mol, missä 46 g/mol on muurahaishapon moolimassa.
Näin ollen liuoksen moolinen konsentraatio on 0,22 mol/l.
Muurahaishappo on heikko elektrolyytti, joten:

HCOOH ⇄ H⁺ + HCOO⁻

ja [H⁺] voidaan laskea dissosiaatiovakion avulla.

Esimerkki 3. Liuoksen pH on 4,3. Laske [H⁺] ja [OH⁻].
Ratkaisu:
[H⁺] = 10⁻ᵖᴴ = 10⁻⁴·³ = 5·10⁻⁵ mol/l
[OH⁻] = 10⁻¹⁴ / 5·10⁻⁵ = 2·10⁻¹⁰ mol/l