Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель

Вода является слабым электролитом, который диссоциирует по уравнению: .

Это явление называется самоионизацией или автопротолизом.

Константа диссоциации воды при 25⁰ С составляет:

Так как константа диссоциации воды очень мала, можно считать концентрацию воды постоянной величиной:

Тогда:

(при 295 К)

Величина K_w называется ионным произведением воды.

Ионное произведение воды характеризует равновесие между ионами водорода и гидроксид-ионами в водных растворах и является постоянной при данной температуре величиной.

Кислотность или основность водного раствора может быть выражена концентрацией ионов водорода или гидроксид-ионов. Чаще всего для этой цели используют величину рН, которая связана с концентрацией ионов водорода следующим соотношением:

В нейтральной среде:

; рН = 7

В кислой среде:

; рН < 7

В щелочной среде:

; рН > 7

Зная рН, легко рассчитать рОН, и наоборот, т.к.: рН + рОН = 14.

Расчёт рН и рОН растворов сильных и слабых электролитов.

Концентрацию ионов Н⁺ определяют по уравнению Оствальда: [H⁺]= ; аналогично для гидроксила: [ОH^–]= ;

Свойство растворов сохранять определенное значение рН называется буферным действием. Растворы, обладающие буферными свойствами, называют буферными.

В широком смысле буферными называют системы, поддерживающие определенное значение какого-либо параметра при изменении состава. Буферные растворы могут быть кислотно – основные – поддерживают постоянство рН при введении кислот или оснований, окислительно – восстановительными – сохраняют постоянным потенциал систем при введении окислителей или восстановителей. Буферный раствор представляет собой сопряженную пару. Например:

1. слабая кислота и соль этой кислоты и сильного основания (уксусная кислота и ацетат натрия – ацетатный буфер)

2. слабое основание и соль этого основания и сильной кислоты (гидроксид аммония и хлорид аммония – аммиачный буфер)

3. растворы, содержащие соли многоосновных кислот (гидрофосфат натрия и дигидрофосфат натрия – фосфатный буфер)

Рассмотрим механизм поддержания рН в ацетатном буфере. Там протекаю реакции:

СН₃СООН ↔ СН₃СОО^-­ + Н⁺

СН₃СООNa ↔ СН₃СОО^-­ + Na⁺

Первая реакция практически полностью подавляется из-за большой концентрации ацетат ионов, вызванной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия.

Если к раствору добавить сильную кислоту, то ионы водорода будут взаимодействовать с анионами с образованием молекул уксусной кислоты и реакция среды не изменится. Если к раствору добавить сильное основание, то гидроксид-ионы будут взаимодействовать с ионами водорода (или молекулами уксусной кислоты). Образование воды не повлияет на рН среды. Пошедшие на реакцию с ОН – ионами ионы водорода будут компенсированы за счет смещения равновесия реакции диссоциации уксусной кислоты вправо.

Константа электролитической диссоциации уксусной кислоты:

откуда

Значение концентрации водородных ионов:

Степень электролитической диссоциации уксусной кислоты незначительна, поэтому в растворе преобладают ее недиссоциированные молекулы. Концентрация недиссоциированных молекул будет почти равна концентрации кислоты. Тогда концентрацию недиссоциированной кислоты можно заменить общей концентрацией кислоты в растворе:

[СН₃СООН] = [кислота],

а концентрацию ацетатных ионов — концентрацией соли в растворе:

[СН₃СОО^-­] = [соль].

Подставив эти величины в выражение (2), получим уравнение расчёта [Н⁺] для буферного раствора:

Величина К (константа электролитической диссоциации кислоты) при данных условиях постоянна.

Прологарифмируя уравнения получим:

рН =

рК – отрицательный логарифм константы диссоциации уксусной кислоты.

Применяя такие же рассуждения, для смеси слабого основания и соли сильной кислоты можно вывести уравнение:

рН =

Из уравнений следует, что рН буфера зависит от величины константы слабой кислоты или слабого основания, а также от соотношения концентраций компонентов буферных смесей.

Поскольку константа электролитической диссоциации при данных условиях постоянна, то рН буферного раствора будет зависеть только от отношения концентрации кислоты (или основания) и соли, взятых для приготовления буферной смеси. и не зависит от абсолютного значения этих концентраций. Опыт показывает, что даже при значительном разбавлении буферных растворов в 10-20 раз рН мало изменяется.

Способность буферных растворов противодействовать резкому изменению рН ограничена. Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной емкостью (В). Численно буферная емкость определяется количеством моль-эквивалентов сильной кислоты или основания, которое надо добавить к 1 л буферной смеси, чтобы изменить величину рН на единицу.

Величина буферной емкости зависит от концентрации компонентов буферной смеси и их отношения. Чем выше концентрация компонентов буферной смеси, тем больше ее емкость. Максимальное буферное действие наблюдается в случае, если кислота и соль находятся в растворе в эквивалентных количествах.

Наличие буферных смесей в живых организмах определяет постоянство рН крови, молока, клеточного сока растений. Карбонатная и фосфатная буферные системы имеют большое значение в регулировании биохимических процессов в организме, почве.

Лекция 5 «Слабые и сильные электролиты»

Электролиты – это вещества, растворы которых проводят электрический ток посредством ионов, на которые они распадаются под действием полярных молекул растворителя.

Количественной характеристикой диссоциации электролита является степень диссоциации , которая равна отношению числа продиссоциировавших молекул к общему числу молекул:

По степени диссоциации различают сильные электролиты слабые электролиты и электролиты средней силы