Ионное произведение воды.
Количественная мера кислотности среды.
Чистая вода принадлежит к слабым електролитам. Она плохо проводит электрический ток. При температуре 25⁰ С константа диссоциации воды равна 1,8 · 10-16. Это означает, что диссоциирует незначительное число молекул воды (из 550млн молекул распадается на ионы только одна).
H2O ⇄ H+ + OH–
Константа диссоциации воды равна 1 · 10 -14 . Указанную константу для воды называют ионным произведением воды.
При диссоциации воды на каждый ион Н+ образуется один ион ОН-, следовательно, в чистой воде концентрация этих ионов должны быть одинаковы: [H+ ] = [OH–]. Используя значение ионного произведения воды, находим:
[H+ ] = [OH–] = √10-14 = 10-7моль/л
Такова концентрация ионов H+ и OH– в чистой воде. Рассмотрим, как изменится концентрация при добавлении других веществ, например соляной кислоты. Соляная кислота – сильный электролит, диссоциирующий в воде на ионы Н+ и Cl-. Следовательно, концентрация ионов Н в растворе будет увеличиваться. Однако ионное произведение воды от концентрации не зависит, поэтому при увеличении [H+ ] должна уменьшаться [OH–].
Напротив, если к воде добавить щелочь, то концентрация [OH–] увеличится, а [H+ ] уменьшится. Таким образом, концентрации катионов и анионов воды взаимосвязаны: чем больше одна величина, тем меньше другая.
Концентрации ионов водорода, выраженные в молях на 1 л, обычно составляют малые доли единицы. Использование таких чисел не всегда удобно. Поэтому введена особая единица измерения концентрации ионов водорода, называемая водородным показателем и обозначаемая рН. Водородным показателем называют отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода:
рН = –lg [Н+].
Таким образом, если, например, концентрация ионов водорода равна 10-5 моль/л, то –lg 10-5 = 5. Значит, рН = 5.
Если рН находится в интервале от 0 до 3, то среда будет считаться сильнокислой. Если рН будет в интервале от 4 до 6, то среда – слабокислая . При рН равной 7, - среда нейтральная, а выше – слабощелочная и сильнощелочная.
Нужно отметить, что рН среды преимущественно изменяется в интервале от 0 до 14. Однако в растворах сильных кислот рН может быть отрицательной величиной. А в растворах сильных оснований – значение рН может быть больше, чем 14.
Водородный показатель растворов сильных и слабых электролитов можно вычислить теоретически, если известна концентрация ионов водорода или гидроксид-ионов, или определить экспериментально при помощи приборов, которые называются рН-метрами. Для приблизительной оценки рН растворов используют кислотно-основные индикаторы.
При температуре 37ºС кислыми являются растворы с рН ≤ 6,8, а щелочными являются растворы с рН ≥ 6,8.
Для многих процессов величина рН играет большую роль. Так, рН крови человека 7,36. Изменение рН на 0,2 приводит к тяжелым болезням, летальному исходу.
Величина рН является важной характеристикой всех физиологических жидкостей, от значения которой зависит функция клеток, тканей, органов и организма человека в целом. Желудочный сок, кровь, слюна, сок поджелудочной железы и другие жидкости характеризуются определенным значением рН, которое в норме может изменяться в узком интервале. Отклонения значений рН от нормы приводит к возникновению патологических состояний организма, поскольку ионы водорода и гидроксид-ионы определяют структуру и биологические функции белков, нуклеиновых кислот, активность ферментов и других клеточных компонентов организма.