Водородный показатель pH: общее понятие и методы определения. Таблицы величин pH

Важной характеристикой водных растворов является уровень концентрации в них положительно заряженных ионов водорода  и отрицательно заряженных гидроксид-ионов относительно друг друга. При одинаковых концентрациях и раствор считается нейтральным, при избытке катионов – кислотным и при избытке анионов – основным (щелочным). Величина, называемая водородным показателем, или pH раствора, – это количественное выражение кислотности.

Понятие о водородном показателе

Определение pH-фактора базируется на кислотно-основных свойствах воды. Ее молекулы способны к самопроизвольной диссоциации, благодаря чему в воде всегда присутствует некоторое количество ионов и . Их концентрация мала вследствие обратимости процесса диссоциации, который выражается формулой

H_{2}OH^{+} + OH^{-}

Из формулы видно, что ионы водорода и гидроксила содержатся в воде в равной концентрации: [H^{+}]=[OH^{-}]. В стандартных условиях (при температуре 22–25° C) она составляет 10^{-7} моль⁄л.

Величина K_{W}=[H^{+}]∙[OH^{-}]  называется ионным произведением воды. При заданной температуре она является постоянной (при 22–25° C K_{W}=10^{-14} мольмоль^{2}л^{2}) не только для воды, но и для разбавленных растворов. При добавлении кислоты к воде повышается концентрация [H^{+}] и понижается [OH^{-}] (кислотность возрастает), при добавлении щелочи падает [H^{+}] и растет [OH^{-}] (кислотность понижается).

В качестве показателя кислотности удобно использовать десятичный логарифм величины [H^{+}] с обратным знаком:

pH = -lg [H^{+}]

Для воды и любой нейтральной среды водородный показатель составит: pH = — lg⁡ 10^{-7} = -(-7) = 7

Шкала pH

На основе постоянства значения ионного произведения воды построена шкала величин pH различных растворов. Отметка «7» в ней соответствует нейтральной среде, числа слева от 7 – кислотной, и справа – основной (щелочной).

Шкала значений pН

Важно помнить, что, поскольку для определения показателя кислотности для избавления от знака «минус» в показателе степени используется отрицательный логарифм, понижение pH означает повышение концентрации H^{+}, то есть кислотных свойств, и наоборот. Так, значение pH =5  соответствует концентрации [H^{+}] = 10^{-5} моль⁄л и большей кислотности, чем pH =9, означающее, что в растворе содержится 10^{-9} моль⁄л катионов водорода.

Методы определения величины pH

В зависимости от целей и условий значение водородного показателя устанавливается различными методами. Качественно оценить кислотность среды позволяет применение индикаторов. Точные количественные результаты получают с помощью измерительных методов.

Использование индикаторов

Метод основан на способности ряда органических веществ к изменению окраски в зависимости от кислотности среды. Распространенные индикаторы – лакмус, метилоранж, фенолфталеин. Каждый из них проявляет свои свойства в ограниченном диапазоне значений pH.

Индикатор Интервал шкалы pH Характер изменения цвета

по мере уменьшения кислотности

Лакмус 5,0–8,0 Лакмус

красный → фиолетовый → синий

Метилоранж 3,1–4,4 Метилоранж

красный → оранжевый → желтый

Фенолфталеин 8,2–10,0 Фенолфталеин

бесцветный → малиновый

 

Индикаторный метод отличает простота наглядность и быстрота, но он недостаточно точен и зависит от субъективного восприятия цвета.

Достичь большей точности позволяет применение универсального индикатора. Он представляет собой смесь веществ и охватывает широкий диапазон pH от 0 до 14. Цвет, приобретенный нанесенным на бумажную полосу индикатором в той или иной среде, сравнивают с эталонной шкалой. Универсальный индикатор дает возможность определять pH с точностью до десятых долей.

Универсальный индикатор

Индикаторные методы неэффективны в случаях, когда раствор слишком слабый, имеет собственную яркую окраску или замутнен.

Ионометрический метод

Водородный показатель можно определить с точностью до 0,01 в широком диапазоне, применяя pH-метр. Прибор представляет собой электронный милливольтметр, определяющий разность потенциалов на электродах, один из которых (измерительный pH-электрод) помещен в исследуемый раствор. Другой (электрод сравнения) погружен в электролит с определенным pH. На нем создается стабильный потенциал, относительно которого измеряют pH анализируемой среды. Разность потенциалов пропорциональна величине показателя кислотности.

pH-метр требует тщательной калибровки. Для нее используются специально приготовленные буферные растворы с эталонными значениями pH, устойчивыми при разбавлении или добавкам небольших количеств сильных кислот или оснований. В приготовлении буферных растворов для pH-метрии применяются стандарт-титры – наборы чистых реактивов с точно известной массой, которые разводят дистиллированной водой до необходимой концентрации.

рН - метр

Конструкция современных pH-метров предусматривает вместо двух электродов один комбинированный, что значительно упрощает их использование.

Аналитический объемный метод

В данном способе определения водородного показателя применяется процедура кислотно-основного титрования, ведущую роль в которой играет реакция нейтрализации исследуемого образца титрантом – стандартным раствором с определенным pH. Если титруется раствор кислоты, в качестве титранта используют щелочь (гидроксид натрия или калия), если основание – титрантом является раствор сильной кислоты (соляной или серной).

Титрант медленно добавляют к образцу до достижения точки эквивалентности – момента, когда происходит полная нейтрализация титруемого раствора. Фиксация конечной точки титрования может производиться несколькими способами: с помощью индикатора, потенциометрии, спектрофотометрии или измерения электропроводности. Определив необходимый для нейтрализации объем титранта и зная его концентрацию, вычисляют pH препарата.

Титрование

Влияние температуры на значение pH

Повышение температуры приводит к росту диссоциации слабых электролитов, в том числе и воды. Повышается равновесная концентрация ионов и  и возрастает величина ионного произведения. Соответственно меняется и водородный показатель для нейтральной среды:

Температура

T, 0° C

0 20 25 40 60 80 100
Ионное произведение воды, K_{W}, моль ^{2}⁄л^{2}

 

Нейтральный pH = — lg(√(K_W ))=-lg K_W/2

 

7,5 7,1 7 6,8 6,5 6,3 6,1

Температурные изменения оказывают сложное и неоднозначное влияние на измерения pH. В целом органические и щелочные пробы более зависимы от них, чем неорганические и кислотные. При pH-метрии и титровании температура строго контролируется, а полученные результаты пересчитываются с целью приведения к значению, характерному при 25° C.

Значения pH некоторых растворов

При определении величины pH для растворов кислот и оснований принято выражать концентрацию раствора в единицах нормальности. Нормальная концентрация – это количество моль-эквивалентов вещества в 1 л раствора: .

Эквивалентом называется частица (реальная либо условная), которая в химических реакциях равноценна одному катиону или одному электрону. Моль-эквивалент содержит  эквивалентов, а его масса в единицах  называется молярной массой эквивалента .

Многоосновные кислоты могут отдавать один или более ионов водорода, поэтому число моль-эквивалентов в растворе и, соответственно, нормальность будет в разных случаях неодинакова. Она имеет обозначение «н.» с указанием доли нормальной концентрации. Например, серная кислота, молекула которой при диссоциации отдает два протона , при молярной концентрации  имеет нормальность 1н.

pH растворов кислот

Кислота Концентрация pH
Азотная 0,1 н. 1,0
Борная 0,1 н. 5,2
Муравьиная 0,1 н. 2,3
Серная н. 0,3
0,1 н. 1,2
0,01 н. 2,1
Сернистая 0,1 н. 1,5
Сероводородная 0,1 н. 4,1
Уксусная н. 2,4
0,1 н. 2,9
0,01 н. 3,4
Соляная н. 0,1
0,1 н. 1,1
0,01 н. 2,0
Щавелевая 0,1 н. 1,3

 

pH растворов оснований

Нормальность щелочей определяется аналогично нормальности кислот, исходя из количества гидроксид-ионов, которые отщепляются при диссоциации.

Основание Концентрация pH
Гидроксид калия н. 14,0
0,1 н. 13,0
0,01 н. 12,0
Гидроксид кальция насыщенный 12,4
Гидроксид натрия н. 14,0
0,1 н. 13,0
0,01 н. 12,0

 

Значения pH некоторых бытовых веществ и пищевых продуктов

Вещество pH Продукт pH
электролит аккумуляторный на основе <1 сок лимонный 2,0–2,6
шампуни 4,5–7,0 уксус пищевой 2,4–3,1
мыла жидкие на основе синтетических ПАВ 5,5–7,0 кетчуп 3,9
средства для мытья стекол 6,2–7,3 томаты 4,3–4,9
средства для мытья пола 6,9–8,6 сыр 4,8–6,4
вода морская 8,0 кофе 5,0
мыло натуральное 9,0–11,0 чай 5,5
нашатырный спирт 11,5 вода питьевая 6,5–8,5
хлорная известь (отбеливатель) 12,5 молоко 6,5–6,9
раствор соды 13,5 яйцо куриное свежее 7,6–8,0

 

Роль показателя кислотности

Знание и использование водородного показателя играет значительную роль во многих областях жизни людей, особенно в здравоохранении и медицине, в водоснабжении, в производстве и грамотном потреблении продуктов питания и средств бытовой химии. Оно также важно в организации сельского хозяйства, в производстве кормов и удобрений. Показатель pH имеет большое значение при проведении научно-исследовательских работ в химии и биологии, а также при мониторинге многих технологических процессов в нефтехимической, топливной, атомной и других отраслях промышленности.

Ссылка на основную публикацию