Iloczyn jonowy wody. pH w roztworach wodnych, skala pH

Woda jest rozpuszczalnikiem amfiprotycznym, co oznacza że może pełnić rolę zarówno kwasu jak i zasady.

Na gruncie teorii Arrheniusa dysocjację wody zapisujemy jako:

H₂O H⁺ + OH^-

i nazywamy autodysocjacją lub jonizacją wody.

Z kolei w teorii Bronsteda cząsteczka wody, jako cząsteczka rozpuszczalnika amfiprotycznego, może oddać proton lub go przyjąć. Takie przeniesienie protonu pomiędzy dwiema cząsteczkami wody zapisujemy jako:

H₂O + H₂O OH^- + H₃O⁺

kwas1 zasada2 zasada1 kwas2

i ten proces protolizy wody nazywamy autoprotolizą wody.

Z punktu widzenia zagadnień obliczeniowych nie ma znaczenia czy obecność jonów wodorowych zapisujemy jako H⁺, czy H₃O⁺ (tak naprawdę w roztworach wodnych nie występują w żadnej z tych form - ale o tym będzie mowa na kursie chemii fizycznej).
Pozostaniemy więc przy notacji najprostszej.

Proces autodysocjacji wody jest odwracalny i jego stała równowagi może być zapisana jako

K_H2O =

gdzie [H₂O] oznacza stężenie formy niezdysocjowanej czystej chemicznie wody (czytaj rozpuszczalnika). Stężenie to, jako wartość stała w danej temperaturze, może być włączone do wartości stałej równowagi, co daje

K_H2O [H₂O] = [H⁺] [OH^-] = K_wody (proszę zauważyć,dla wody K_H2OK_wody)

K_wody nazywamy iloczynem jonowym wody, który jak wynika z powyższych rozważań, ma wartość stałą w stałej temperaturze. Z doświadczenia wynika, że w temperaturze 22ºC , w chemicznie czystej wodzie [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 mol/dm³. Stąd wartość iloczynu jonowego wody w tej samej temperaturze wynosi 10^-14 mol²/dm⁶. Oczywistym jest, że wartość K_wody zmienia się gdy zmienimy temperaturę. Należy w tym miejscu zauważyć, że wartość iloczynu jonowego wody, jako wielkość wyprowadzona ze stałej równowagi, pozostaje stała w każdym roztworze wodnym, pod warunkiem T= const. Wynika stąd, że gdy wartość [H⁺] wzrasta (maleje) to równocześnie stężenie [OH^-] maleje (wzrasta).

Uwaga! Stwierdzenie zaznaczone kolorem czerwonym oznacza, że jeśli tylko znamy temperaturę roztworu wodnego (a zatem można odczytać z tablic wartość K_wody) i znamy równocześnie stężenie np. jonu H⁺, to ZAWSZE wyliczymy stężenie jonów OH^- w tym roztworze, bez względu na to czy jest to roztwór cukru, soli czy egzotycznych soków.

Stężenia jonów [H⁺] lub [OH^-] , które są w roztworach wodnych wartościami bardzo małymi, od początku XX wieku podaje się jako pH i pOH roztworu. Pojęcie pH wprowadził w 1909 roku Soren Sorensen. (Ciekawostką jest, że wprowadził to pojęcie w celu kontroli jakości produktów w ….browarze Carlsberg!)
pH (z niem. potenz, z ang. power i łaciny Hydrogenium) jest to ujemny logarytm dziesiętny wartości stężenia molowego jonów wodorowych w danym roztworze, pH = -log [H⁺], z kolei, przez analogię pOH = -log [OH^-].(W dokładnych obliczeniach, biorących pod uwagę oddziaływania między jonami i cząsteczkami w badanym układzie, wartość stężenia molowego jonów zastępuje się wartością aktywności; wtedy w miejsce [H⁺] wpisujemy wartość [a_H+].)

Często mówi się o pH jako wykładniku stężenia jonów wodorowych, co wynika z relacji [H⁺] = 10^-pH. Natomiast nie jest poprawnym określenie „współczynnik” pH często używane „w telewizorni”.

Skala pH dotyczy roztworów wodnych i praktycznie zawiera się w granicach 0 14, ale nie ogranicza się do wartości z tego przedziału (pH może przyjmować zarówno wartości ujemne, jak i większe od 14; jednakże w praktyce występują one rzadko i niedokładnie opisują stan rzeczywisty układu). Niskie wartości pH dotyczą roztworów o charakterze kwasowym; wysokie wartości pH obserwujemy w roztworach zasadowych; roztwory o odczynie obojętnym mamy wyłącznie kiedy pH = pOH czyli [H⁺] = [OH^-].

Ćwiczenia obliczeniowe

A) Ile moli jonów OH^- znajduje się w 220 cm³ roztworu HClO₄ (stopień dysocjacji =1), o stężeniu 8,543% i gęstości 1,095g/cm³. M_HClO4 = 100,5 [g/mol]
(Odp. n_OH- = 0,2363x10^-14 [mol])

B) Pewien roztwór wodny mocnej zasady wykazuje w temperaturze pokojowej pOH=3,5. Do jego 320 cm³ dodano 180 cm³ roztworu innej mocnej zasady o pH=11,5. Potem całość uzupełniono wodą do objętości 1,500 dm³. Oblicz stężenie molowe jonów H⁺ w roztworze końcowym.
(Odp. 2,239x10^-11[mol/dm³])

C) Mieszamy 2,5 g mocnej zasady MeOH i 250 cm³ mocnego kwasu HX o stęż. 0,25 mol/dm³. Dodajemy tyle wody, że roztwór końcowy ma objętość 0,5 dm³; jego pH wynosi 2,25. Oblicz masę molową zasady.

(Odp. 41,876 [g/mol])

ch wodnych, skala pH

---