Część 3. Temat 5. Iloczyn jonowy wody. Wskaźnik wodoru i skala pH.

CZĘŚĆ 3.
TEMAT 5. Iloczyn jonowy wody. Wskaźnik wodoru i skala pH.
Wskaźnik wodoru (pH) to wielkość charakteryzująca aktywność lub stężenie jonów wodoru w roztworach. Wskaźnik wodoru oznaczany jest jako pH.
Wskaźnik wodoru jest równy ujemnemu logarytmowi dziesiętnemu aktywności lub stężenia jonów wodoru wyrażonego w molach na litr:
pH = -lg[ H+ ]
W wodzie stężenie jonów wodoru określa dysocjacja elektrolityczna wody zgodnie z równaniem:
H2O = H+ + OH-
Stała dysocjacji przy 22°C wynosi

Pomijając nieznaczny udział rozpadających się cząsteczek, można przyjąć, że stężenie nierozdysocjowanej wody jest równe ogólnemu stężeniu wody, które wynosi:
C[ H2O ] = 1000/18 = 55,55 mol/l.
Wówczas: C[ H+ ] · C[ OH- ] = K · C[ H2O ] = 1,8 · 10^-16 · 55,55 = 10^-14
Dla wody i jej roztworów iloczyn stężeń jonów H+ i OH- jest wielkością stałą w danej temperaturze. Nazywa się to iloczynem jonowym wody K_W, który przy 25°C wynosi 10^-14.
Stałość iloczynu jonowego wody umożliwia obliczenie stężenia jonów H+, jeśli znane jest stężenie jonów OH- i odwrotnie.

Pojęcia środowiska kwasowego, neutralnego i zasadowego nabierają znaczenia ilościowego.
W przypadku, gdy [ H+ ] = [ OH- ], te koncentracje (każda z nich) wynoszą 10^-7 mol/l, tzn. [ H+ ] = [ OH- ] = 10^-7 mol/l i środowisko jest neutralne, w tych roztworach
pH = -lg[ H+ ] = 7 i pOH = -lg[ OH- ] = 7
Jeśli [ H+ ] > 10^-7 mol/l, [ OH- ] < 10^-7 mol/l - środowisko jest kwasowe; pH < 7.
Jeśli [ H+ ] < 10^-7 mol/l, [ OH- ] > 10^-7 mol/l - środowisko jest zasadowe; pH > 7.
W każdym roztworze wodnym pH + pOH = 14, gdzie pOH = -lg[ OH- ]
Wartość pH ma duże znaczenie dla procesów biochemicznych, różnych procesów przemysłowych, przy badaniu właściwości wód naturalnych i ich potencjalnego zastosowania itd.

Obliczanie pH roztworów kwasów i zasad.

Aby obliczyć pH roztworów kwasów i zasad, należy najpierw obliczyć molarne stężenie wolnych jonów wodoru ( H+ ) lub wolnych jonów wodorotlenkowych ( OH- ), a następnie skorzystać z poniższych wzorów:
pH = -lg[ H+ ]; pOH = -lg[ OH- ]; pH + pOH = 14
Stężenie dowolnego jonu w mol/l w roztworze elektrolitu można obliczyć na podstawie równania:

gdzie C_m jon – molarne stężenie jonu w mol/l;
C_m – molarne stężenie elektrolitu w mol/l;
α – stopień dysocjacji elektrolitu;
n – liczba jonów danego rodzaju, które powstają przy rozpadzie jednej cząsteczki elektrolitu.
Jeśli elektrolit jest słaby, wartość stopnia dysocjacji można określić na podstawie prawa rozcieńczenia Ostwalda:

wówczas CM jon = C_m · α · n = v · C_M K_dys

Przykład 1. Obliczyć pH roztworu 0,001 H wodorotlenku sodu.
Rozwiązanie: wodorotlenek sodu jest silnym elektrolitem, dysocjacja w roztworze wodnym zachodzi według schematu:
NaOH → Na+ + OH-
Stopień dysocjacji w rozcieńczonym roztworze można przyjąć równy 1. Stężenie jonów OH- (mol/l) w roztworze wynosi:

Przykład 2. Obliczyć pH roztworu 1%-owego kwasu mrówkowego, zakładając, że gęstość roztworu wynosi 1 g/ml; K_dys = 2,1 · 10^-4
Rozwiązanie: 1 l roztworu zawiera 10 g HCOOH, co stanowi 10/46 = 0,22 mol, gdzie 46 g/mol to masa molowa kwasu mrówkowego. Zatem molarne stężenie roztworu wynosi 0,22 mol/l. Kwas mrówkowy jest słabym elektrolitem, dlatego

HCOOH ⇄ H+ + HCOO-

Przykład 3. pH roztworu wynosi 4,3. Obliczyć [ H+ ] i [ OH- ]
Rozwiązanie:
[ H+ ] = 10^-pH = 10^-4,3 = 5 · 10^-5 mol/l
[ OH- ] = 10^-14 / 5 · 10^-5 = 2 · 10^-10 mol/l