Значення водневого показника грає важливу роль для багатьох хімічних і біологічних перетворень, йдуть як в лабораторіях і на виробництві, так і в живих організмах і навколишньому середовищу. Кількість іонів водню не тільки впливає на результат будь-якої реакції, але і на можливість її протікання. Для підтримки заданого значення рН використовують буферні розчини. Їх завдання полягає у збереженні цього рівня при розведенні розчинів або додаванні в них кислот і лугів.
Показник рН води є одним з ознак якості вод різного призначення. В природі від нього залежить розвиток рослин, агресивність дії середовища на металеві та бетонні конструкції. Слід пам’ятати, що водневий показник змінює токсичність забруднюючих речовин для організмів, що живуть у річках, озерах, ставках.
Водневий показник рН
Цей параметр характеризує вміст іонів Η+ в розчинах. Позначається він рН. Математично водневий показник дорівнює зворотному десятичному логарифму концентрації Η+ (СН+, моль/л): рН = −lgCН+. Кількість іонів Н+ у воді визначається дисоціацією молекул Н2О, що відбувається, згідно виразу: Н2О Н+ + ОН-.
Незважаючи на те, що воду не прийнято відносити до електролітів, вона є малодиссоциирующим речовиною. Для неї можна записати константу дисоціації: Кд=(СН+·СОН-)/СН2О. При t=22 °C її значення становить 1.8ˑ10-16.
Ця цифра настільки мала, що іонами Η+ і ОН – в воді можна було б знехтувати. Але в хімії розчинів значення водневого показника застосовується для створення шкали рН. Розглянемо її значення.
Шкала рН
З її допомогою можна кількісно виразити кислотність якого-небудь розчину.
| Значення рН | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Якість середовища | кисла | нейтральна | лужна |
Водневий показник середовища легко обчислити. Потрібно лише знати концентрацію катіонів водню і скористатися формулою: Сн+ = 10n, де n і є значення рН з протилежним знаком. Наприклад, концентрація Н+ в розчині становить СН+ = 10-5 моль/л. тобто n = -5, а рН = 5.
Значення рН деяких середовищ і розчинів
Все в оточуючому людину середовищі має свої певні значення рН. Це допомагає різних систем організму легше справлятися зі своїми завданнями. Як відомо, для чистої нейтральної води водневий показник дорівнює 7. Однак шкірні покриви людини мають слабокислу реакцію. Їх рН=5,5. Частково цей факт впливає на появу сухості шкіри при частому контакті її з водою. Нижче наведені показники Рн для деяких речовин.
| Речовина | pΗ |
| Електроліт акумуляторний | <1.0 |
| Шлунковий сік | 1,0—2,0 |
| Сік лимона | 2,0 |
| Столовий оцет | 2,4 |
| Кола | 3,0 |
| Сік яблука | 3,0 |
| Кава | 5,0 |
| Шампуні | 5,5 |
| Чай чорний | 5,5 |
| Шкіра людини | 5,5 |
| Кислотні дощі | <5,6 |
| Слина | 6,5 |
| Молоко | 6,7 |
| Вода | 7,0 |
| Кров | 7,36 |
| Морська вода | 8,0 |
| Тверде мило | 9,5 |
| Відбілювач (хлорне вапно) | 12,5 |
Типи розчинів
Водні розчини, як вже зазначено вище, можуть мати нейтральну, кислу або лужну реакцію середовища. Той факт, що кислотність розчину обумовлена наявністю іонів Н+, а лужність – іонами ОН-, не означає, що в них не містяться інші. У кислих середовищах можна виявити саме надлишок іонів водню, а в лужних – надлишок гідроксид-іонів.
В нейтральних розчинах водневий показник дорівнює 7. Це означає, що концентрація катіонів Н+ в них дорівнює 10-7 моль/л, але при цьому і зміст гідроксид-аніонів – також 10-7 моль/л. Іншими словами, в нейтральних розчинах немає надлишку іонів Η+ або ОН-.
Іонний добуток води
Чому ж рН може приймати значення від 1 до 14? Для відповіді на це питання варто повернутися до вираження константи дисоціації. Перетворивши його, можна записати Кд·СН2О=СН+·СОН-. Величина Кд відома, а концентрацію молекул води можна легко обчислити. Розглядаючи воду як розчин Н2О в Н2О, можна дізнатися її молярную концентрацію, склавши пропорцію: 18 г Н2О – 1 моль,1000 г Н2О – х моль. Звідси х=1000/18=55,6 моль/л. Цю постійну величину позначають Кw і називають іонним добутком води.
Далі множимо значення Кд на знайдену величину: 55,6·1,8ˑ10–16= СН+·СОН–; 10-14 = СН+·СОН–. Тобто, можемо записати: Кw= СН+·СОН– = 10-14.
Ця величина дозволила зробити висновок про те, що рН + рОН = 14, що і є відповіддю на вище поставлене питання.
Кисле середовище
Всі сильні кислоти у воді дисоціюють незворотнім чином. Так, соляна кислота повністю розпадається на катіони Η+ і хлорид-аніони Cl-: ΗCl = Η++ Cl-. Якщо у воду об’ємом 1 л додали 1ˑ10-2 моль ΗCl, то і концентрація іонів Η+ також буде дорівнює 1.10-2 моль. Тобто для такого розчину водневий показник дорівнює 2.
Слабкі кислоти дисоціюють зворотній, тобто, як і у випадку з водою, частина протилежно заряджених іонів знову з’єднується в молекули кислоти. Наприклад, вугільна кислота розпадається на наступні іони: Η2CO3 Η++ ΗCO3-. Мало того, що далеко не всі молекули дисоціюють, так ще й розпалися знову утворюють єдине ціле. Тому для знаходження водневого показника кислот використовують константу дисоціації.
Крім того, за рН розчину можна побічно оцінити силу кислоти: чим вона більше, тим нижче значення рН.
Лужна середа
При розчиненні підстав у воді починається їх дисоціація з появою гідроксид-аніонів. Вони вступають у взаємодію з іонами Н+, які присутні в нейтральній чистій воді. Це призводить до зниження їх концентрації, тобто до підвищення рН.
Наприклад: NaOΗ = Na++ OΗ-; Η++ OΗ-= Η2O.
У розчині гідроксиду натрію з концентрацією 1ˑ10-2 моль/л з’являється 1ˑ10-2 моль/л гідроксид-аніонів. Концентрація катіонів Η+ в такому розчині дорівнює 1ˑ10-12 моль/л, а рН має значення 12.
У всіх розчинах підстав кількість катіонів Н+ завжди менше 1ˑ10-7 моль/л, а водневий показник більше 7.
Визначення рН індикаторами
Один з найпростіших способів наближено визначити рН розчину – скористатися смужками універсального індикатора. Порівнявши з індикаторною шкалою їх колір, що виявляється після обмакувания в робочий розчин, можна оцінити концентрацію іонів Η+. Універсальний індикатор є сумішшю декількох речовин, яка змінює свій колір послідовно від червоного до фіолетового (як у веселці) зі зменшенням кислотності.
Головними недоліками такого методу є неможливість визначення водневого показника в забарвлених або каламутних розчинах, а також лише приблизна оцінка концентрації іонів Η+ в розчині.
Для ще більш грубого визначення рН середовища застосовують різні індикатори. Найбільш часто використовують лакмус, метилоранж, фенолфталеїн та інші. Щодо зміни їх забарвлення можна лише з’ясувати, чи є досліджуваний склад кислих, лужних або нейтральних.
| Індикатор | рН<7 | рН=7 | рН>7 |
| Лакмус | червона | фіолетова | синя |
| Фенолфталеїн | безбарвна | безбарвна | малинова |
| Метилоранж | рожева | помаранчева | жовта |
Вимірювання рН приладами
Значно більш точне значення концентрації іонів Η+, а отже, рН розчину, можна дізнатися за допомогою рН-метра. Такий метод аналізу називають потенціометричним. Він заснований на вимірі електродного потенціалу і визначення залежності між його значенням і концентрацією компонента в досліджуваному розчині. Електродний потенціал виникає через йде на кордоні поверхні розділу метал-розчин електрохімічного процесу.
Для проведення вимірювання складають гальванічний елемент з двох полуэлементов з електродами, потенціал одного з яких відомий заздалегідь. Потім вимірюють ЕРС. Найчастіше визначення водневого показника у водних розчинах проводять з використанням хлорсеребряного та скляного електродів. Перший з них є електродом порівняння. Значення потенціалу другого залежить від концентрації іонів Η+ в розчині.
Також значення рН в лабораторіях визначають колориметрически. Цей метод заснований на здатності двоколірних індикаторів змінювати свій колір або інтенсивність забарвлення, залежно від вмісту катіонів водню. З’являється в розчині забарвлення порівнюється зі стандартною шкалою, яка складена на підставі даних про розчинах з відомим значенням рН.
Причини для вимірювання рН
Вони наступні:
1. Для виробництва продукції із заданими властивостями. В ході виробничого процесу відхилення від технологічного значення рН може спровокувати порушення, що призводять до зміни характеристик продукту. Такими показниками можуть бути смак або зовнішній вигляд.
2. Для зниження собівартості. У деяких виробництвах вихід продукту прямо або побічно залежить від рН реакційної середовища. Відповідно, чим вище вихід продукту реакції, тим нижче його собівартості.
3. В цілях охорони праці або навколишнього середовища. Так як багато сполуки проявляють свої шкідливі властивості лише при певному рН, дуже важливо контролювати його значення.
4. Для відповідності продукції стандартам. В багатьох нормативних документах, стандартизирующих якість товару, продукту, ліки і т. д., існує перелік показників, яким вони повинні відповідати. Одним з них є рН. Таким чином, його визначення в деякій мірі сприяє захисту населення від шкідливих речовин.
5. Для захисту обладнання. Велика частина виробничого обладнання, що контактує з хімічними речовинами, схильна до корозії. Швидкість її розвитку дуже сильно залежить від значень рН. Іншими словами, вимірювання рН важливо для захисту виробничого обладнання від зайвих пошкоджень.
6. У дослідницьких цілях. Рівень рН важливий для вивчення різних біохімічних процесів. Також його вимірюють і в медичних цілях для підтвердження того чи іншого діагнозу.
Математичне визначення рН
Для розрахункового визначення рН розчину потрібні дані про молярної концентрації катіонів Η+ або ОН–аніона. Якщо вони відомі, то можна скористатися однією з формул:
- pΗ = – lg[Η+].
- рОН = -lg[OΗ-].
- рН + рОН =14.
Концентрацію того чи іншого іона в моль/л розчині електролітів легко дізнатися по рівнянню:
См іона = Смˑаˑ⋅n, де:
См іона і См – молярні концентрації іона і електроліту відповідно (моль/л).
α -ступінь дисоціації.
n – кількість іонів розглянутого виду, який утворюється при розпаді лише однієї молекули електроліту.
Ступінь дисоціації слабких електролітів можна визначити за законом розведення Оствальда: α=√(Кд/См).
Приклади розв’язання задач
1. Потрібно обчислити рН 0,001 Н розчину NaOH.
Рішення: Оскільки гідроксид натрію -це сильний електроліт, то дисоціація його у водному розчині необоротна. Йде вона по рівнянню: NaOΗ → Na + OΗ.
Скористаємося формулою См іона = Смˑаˑп. Ступінь дисоціації приймемо рівною 1. При руйнуванні однієї молекули NaOH утворюється один іон ОН-, отже n=1. См за умовою задачі відома і дорівнює 0,001 або 10-3. Звідси СОН−=10-3ˑ1ˑ1=10-3.
Концентрацію іонів Η+ можна визначити із співвідношення Кw= СН+·СОН– = 10-14. Перетворивши формулу отримуємо СН+=Кw/СОН–=10-14/10-3=10-11. Далі можемо обчислити водневий показник: рН=-lg10-11=11.
Відповідь: рН=11.
2. Потрібно обчислити [Η+] і [ВІН-], якщо в заданому розчині рН=4,3.
Рішення: Найлегше спочатку знайти концентрацію катіонів водню: [Η+] = 10-рН =10-4,3 = 5ˑ10-5 моль/л.
Концентрацію гідроксид-аніонів зручно знайти із співвідношення іонного добутку води: СОН-=Кw/СН+=10-14/5ˑ10-5=2ˑ10–10 моль/л.
Відповідь: 5ˑ10-5 моль/л і 2ˑ10–10 моль/л.
