Del 3. Tema 5: Vannets ioniske produkt, pH-verdi og pH-skalaen

DEL 3.
TEMA 5. Vannens ionprodukt. Hydrogennivå og pH-skala.
Hydrogennivå (pH) er en størrelse som karakteriserer aktiviteten eller konsentrasjonen av hydrogenioner i løsninger. Hydrogennivået betegnes som pH.
Hydrogennivået er numerisk lik den negative dekadiske logaritmen av aktiviteten eller konsentrasjonen av hydrogenioner, uttrykt i mol per liter:
pH = -lg[ H+ ]
I vann bestemmes konsentrasjonen av hydrogenioner ved elektrolyttisk dissosiasjon av vann ifølge ligningen H2O = H+ + OH-
Dissosiasjonskonstanten ved 22 °C er
Hvis vi ser bort fra den ubetydelige mengden av dissosierte molekyler, kan konsentrasjonen av ikke-dissosierte vannmolekyler antas å være lik den totale konsentrasjonen av vann, som er: C[ H2O ] = 1000 / 18 = 55,55 mol/L.
Da: C[ H+ ] · C[ OH- ] = K · C[ H2O ] = 1,8 · 10^(-16) · 55,55 = 10^(-14)
For vann og dets løsninger er produktet av konsentrasjonene av H+ og OH- et konstant beløp ved en gitt temperatur. Dette kalles ionisk produkt av vann (KW), og ved 25 °C er det 10^(-14).
Konstanten for det ioniske produktet av vann gjør det mulig å beregne konsentrasjonen av H+ ioner hvis konsentrasjonen av OH- ioner er kjent, og omvendt.
Begrepene sur, nøytral og alkalisk miljø får en kvantitativ betydning.
Hvis [ H+ ] = [ OH- ], er disse konsentrasjonene (hver av dem) lik 10^(-7) mol/L, det vil si at [ H+ ] = [ OH- ] = 10^(-7) mol/L, og miljøet er nøytralt. I disse løsningene:
pH = -lg[ H+ ] = 7 og pOH = -lg[ OH- ] = 7
Hvis [ H+ ] > 10^(-7) mol/L, [ OH- ] < 10^(-7) mol/L, er miljøet surt; pH < 7.
Hvis [ H+ ] < 10^(-7) mol/L, [ OH- ] > 10^(-7) mol/L, er miljøet alkalisk; pH > 7.
I alle vannløsninger er pH + pOH = 14, hvor pOH = -lg[ OH- ]
pH-verdi har stor betydning for biokjemiske prosesser, forskjellige industrielle prosesser, studier av naturvann og deres anvendelser, etc.
Beregning av pH i løsninger av syrer og baser.
For å beregne pH i løsninger av syrer og baser, bør man først beregne molær konsentrasjon av frie hydrogenioner ( H+ ) eller frie hydroksylioner ( OH- ), og deretter bruke følgende formler:
pH = -lg[ H+ ]; pOH = -lg[ OH- ]; pH + pOH = 14
Konsentrasjonen av et hvilket som helst ion i mol/L i en elektrolyttløsning kan beregnes ved hjelp av ligningen
C_ion = C_elektrolytt · α · n,
hvor C_ion er den molære konsentrasjonen av ionet i mol/L,
C_elektrolytt er den molære konsentrasjonen av elektrolytten i mol/L,
α er dissosiasjonsgraden av elektrolytten,
n er antall ioner av denne typen som dannes ved dissosiasjon av én molekyl av elektrolytten.
Hvis elektrolytten er svak, kan dissosiasjonsgraden bestemmes ved hjelp av Ostwalds fortynningslov:
C_ion = C_elektrolytt · α · n = v · C_diss
Eksempel 1. Beregn pH for en 0,001M løsning av natriumhydroksid.
Løsning: Natriumhydroksid er en sterk elektrolytt, dissosiasjon i vannløsning skjer etter denne reaksjonen: NaOH → Na+ + OH-
Dissosiasjonsgraden i en fortynnet løsning kan antas å være 1. Konsentrasjonen av OH- ioner (mol/L) i løsningen er:
Eksempel 2. Beregn pH for en 1% løsning av maursyre, med antagelsen at tettheten av løsningen er 1 g/ml; K_diss = 2,1·10^(-4).
Løsning: 1 liter løsning inneholder 10 g HCOOH, som utgjør 10/46 = 0,22 mol, hvor 46 g/mol er den molare massen av maursyre. Dermed er den molære konsentrasjonen av løsningen 0,22 mol/L. Maursyre er en svak elektrolytt, derfor
HCOOH ⇌ H+ + HCOO-
Eksempel 3. pH for løsningen er 4,3. Beregn [ H+ ] og [ OH- ].
Løsning:
[ H+ ] = 10^(-pH) = 10^(-4,3) = 5 · 10^(-5) mol/L
[ OH- ] = 10^(-14) / 5 · 10^(-5) = 2 · 10^(-10) mol/L