Jonprodukt av vatten. Vätejonkoncentration och pH-skalan

DEL 3.
TEMA 5. Vattnets jonprodukt. Vätejonkoncentration och pH-skala.
Vätejonkoncentration (pH) är en storhet som karakteriserar aktiviteten eller koncentrationen av vätejoner i lösningar. Vätejonkoncentration betecknas pH.
Vätejonkoncentrationen är numeriskt lika med den negativa dekadiska logaritmen av aktiviteten eller koncentrationen av vätejoner, uttryckt i mol per liter:
pH = -lg[ H+ ]
I vatten bestäms koncentrationen av vätejoner genom vattnets elektrolytiska dissociation enligt ekvationen H2O = H+ + OH-
Dissociationskonstanten vid 22° C är

Genom att bortse från den lilla delen av sönderdelade molekyler kan koncentrationen av den odissocierade delen av vatten anses vara lika med den totala koncentrationen av vatten, som är: C[ H2O ] = 1000/18 = 55,55 mol/l.
Då gäller: C[ H+ ] · C[ OH- ] = K · C[ H2O ] = 1,8 · 10^-16 · 55,55 = 10^-14
För vatten och dess lösningar är produkten av koncentrationerna av H+ och OH- en konstant vid en viss temperatur. Den kallas vattnets jonprodukt K_V och är vid 25° C 10^-14.
Konstanten för jonprodukten av vatten ger möjlighet att beräkna koncentrationen av H+-joner om koncentrationen av OH--joner är känd och vice versa.
Begreppen sur, neutral och basisk lösning får en kvantitativ innebörd.
Om [ H+ ] = [ OH- ] är dessa koncentrationer (var och en) lika med 10^-7 mol/l, dvs [ H+ ] = [ OH- ] = 10^-7 mol/l och lösningen är neutral. I dessa lösningar gäller:
pH = -lg[ H+ ] = 7 och pOH = -lg[ OH- ] = 7
Om [ H+ ] > 10^-7 mol/l, [ OH- ] < 10^-7 mol/l – lösningen är sur; pH < 7.
Om [ H+ ] < 10^-7 mol/l, [ OH- ] > 10^-7 mol/l – lösningen är basisk; pH > 7.
I varje vattnig lösning gäller pH + pOH = 14, där pOH = -lg[ OH- ]
Värdet på pH har stor betydelse för biokemiska processer, för olika industriella processer, vid studier av naturvatten och dess användbarhet osv.
Beräkning av pH för syror och baser.

För att beräkna pH för syror och baser bör man först beräkna den molära koncentrationen av fria vätejoner (H+) eller fria hydroxidjoner (OH-), och sedan använda följande formler:
pH = -lg[ H+ ]; pOH = -lg[ OH- ]; pH + pOH = 14
Koncentrationen av vilken jon som helst i mol/l i en elektrolytisk lösning kan beräknas med hjälp av ekvationen

där C_jon är den molära koncentrationen av jonen i mol/l;
C_elektrolyt är den molära koncentrationen av elektrolyten i mol/l;
α är dissociationsgraden för elektrolyten;
n är antalet joner av den typen som produceras när en molekyl elektrolyt sönderdelas.
Om elektrolyten är svag kan värdet på dissociationsgraden bestämmas med hjälp av Ostwalds utspädningslag:

då C_jon = C_elektrolyt · α · n = v C_Kdiss
Exempel 1. Beräkna pH för 0,001 M NaOH-lösning.
Lösning: Natriumhydroxid är en stark elektrolyt, dissociationen i vattenlösning sker enligt: NaOH → Na+ + OH-
Dissociationsgraden i en utspädd lösning kan antas vara 1. Koncentrationen av OH--joner (mol/l) i lösningen är:

Exempel 2. Beräkna pH för en 1%-ig formiinsyralösning, där densiteten är 1 g/ml; Kdiss = 2,1·10^-4
Lösning: 1 liter lösning innehåller 10 g HCOOH, vilket motsvarar 10/46 = 0,22 mol, där 46 g/mol är den molära massan för formiinsyra. Därmed är den molära koncentrationen av lösningen 0,22 mol/l. Formiinsyra är en svag elektrolyt, så

eftersom HCOOH ⇌ H+ + HCOO-

Exempel 3. pH för lösningen är 4,3. Beräkna [ H+ ] och [ OH- ]
Lösning:
[ H+ ] = 10^-pH = 10^-4,3 = 5·10^-5 mol/l

[ OH- ] = 10^-14 / 5·10^-5 = 2·10^-10 mol/l