egc-3.4· Глава 3: Растворы и вычисления· ~13 мин

Водородный показатель (pH) и реакция среды

Ионное произведение воды, водородный показатель pH=−lg⁡[H+]pH = -\lg[H^+], кислая, нейтральная и щелочная среда, изменение окраски индикаторов и вычисления по pH

Вода является очень слабым электролитом и в незначительной степени диссоциирует: H2O⇌H++OH−H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-. При 25 ∘^\circC ионное произведение воды постоянно: [H+]⋅[OH−]=10−14[H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14}. В чистой воде и нейтральной среде [H+]=[OH−]=10−7[H^+] = [OH^-] = 10^{-7} моль/л. Для удобного выражения кислотности раствора используют водородный показатель: pH=−lg⁡[H+]pH = -\lg[H^+]. В нейтральной среде pH=7pH = 7, в кислой среде [H+]>10−7[H^+] > 10^{-7}, поэтому pH<7pH < 7, в щелочной среде pH>7pH > 7. При уменьшении pH среда становится более кислой, при увеличении — более щелочной. Индикаторы позволяют определить реакцию среды: лакмус в кислой среде красный, в щелочной — синий; фенолфталеин в кислой и нейтральной среде бесцветен, в щелочной — малиновый (ярко-красный); метиловый оранжевый в кислой среде красно-розовый, в щелочной — жёлтый.

📌Пример

Например: в растворе с [H+]=10−3[H^+] = 10^{-3} моль/л pH=−lg⁡(10−3)=3pH = -\lg(10^{-3}) = 3, поэтому среда кислая и лакмус окрасится в красный цвет.

Ключевые термины

Ионное произведение воды (KwK_w) — При 25 ∘^\circC постоянная величина [H+]⋅[OH−]=10−14[H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14}; справедливо для всех водных растворов.
Водородный показатель (pH) — Отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода: pH=−lg⁡[H+]pH = -\lg[H^+].
Нейтральная среда — Среда, в которой [H+]=[OH−]=10−7[H^+] = [OH^-] = 10^{-7} моль/л, pH=7pH = 7.
Кислая среда — Среда, в которой [H+]>10−7[H^+] > 10^{-7} моль/л, то есть pH<7pH < 7.
Щелочная среда — Среда, в которой [H+]<10−7[H^+] < 10^{-7} моль/л, [OH−]>10−7[OH^-] > 10^{-7}, pH>7pH > 7.
Индикатор — Вещество, изменяющее окраску в зависимости от реакции среды (лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый).
Реакция среды, [H+][H^+] и pH
Среда[H+][H^+] (моль/л)pH
Кислая>10−7> 10^{-7}<7< 7
Нейтральная10−710^{-7}7
Щелочная<10−7< 10^{-7}>7> 7

При уменьшении pH кислотность возрастает, при увеличении — щёлочность возрастает.

Окраска индикаторов в зависимости от среды
ИндикаторКислая средаНейтральная средаЩелочная среда
ЛакмусКрасныйФиолетовыйСиний
ФенолфталеинБесцветныйБесцветныйМалиновый (ярко-красный)
Метиловый оранжевыйКрасно-розовыйОранжевыйЖёлтый

Фенолфталеин даёт малиновую окраску только в щелочной среде.

✎pH раствора 4 г NaOHNaOH в 1 литре воды
  1. 1Количество молей: n(NaOH)=mM=440=0,1n(NaOH) = \frac{m}{M} = \frac{4}{40} = 0{,}1 моль
  2. 2Концентрация: C=nV=0,11=0,1C = \frac{n}{V} = \frac{0{,}1}{1} = 0{,}1 моль/л, [OH−]=10−1[OH^-] = 10^{-1} моль/л
  3. 3pOH: pOH=−lg⁡(10−1)=1pOH = -\lg(10^{-1}) = 1
  4. 4pH: pH=14−pOH=14−1=13pH = 14 - pOH = 14 - 1 = 13
✎Концентрация [OH−][OH^-] в растворе с pH=12pH = 12
  1. 1Найти [H+][H^+]: [H+]=10−pH=10−12[H^+] = 10^{-pH} = 10^{-12} моль/л
  2. 2Из ионного произведения: [OH−]=10−14[H+]=10−1410−12[OH^-] = \frac{10^{-14}}{[H^+]} = \frac{10^{-14}}{10^{-12}}
  3. 3Результат: [OH−]=10−2[OH^-] = 10^{-2} моль/л (показатели степени вычитаются: −14−(−12)=−2-14-(-12) = -2)
⚠️Внимание

В формуле pH=−lg⁡[H+]pH = -\lg[H^+] есть знак минус; запись lg⁡[H+]\lg[H^+] без минуса является ошибкой.

🚫Частая ошибка

Ионное произведение [H+]⋅[OH−]=10−14[H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14} получается умножением: 10−7⋅10−7=10−1410^{-7} \cdot 10^{-7} = 10^{-14}, а не сложением.

⚠️Внимание

Каждая единица pH означает 10-кратную разницу: разница pH на 2 → [H+][H^+] отличается в 102=10010^2 = 100 раз.

💡Заметка

Если дана [OH−][OH^-], сначала найди pOH=−lg⁡[OH−]pOH = -\lg[OH^-], затем pH=14−pOHpH = 14 - pOH.

🚫Частая ошибка

Ca(OH)2Ca(OH)_2 даёт 2 моль OH−OH^- на каждый моль: 0,005 моль/л → [OH−]=0,01[OH^-] = 0{,}01, pH=12pH = 12.

Правила

  1. 1Ионное произведение воды (25 ∘^\circC): [H+]⋅[OH−]=10−14[H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14}; в нейтральной воде [H+]=[OH−]=10−7[H^+] = [OH^-] = 10^{-7} моль/л.
  2. 2Водородный показатель: pH=−lg⁡[H+]pH = -\lg[H^+]; [H+]=10−pH[H^+] = 10^{-pH}.
  3. 3pH<7pH < 7 — кислая, pH=7pH = 7 — нейтральная, pH>7pH > 7 — щелочная среда; при уменьшении pH кислотность возрастает.
  4. 4Лакмус: в кислой среде красный, в щелочной синий, в нейтральной фиолетовый.
  5. 5Фенолфталеин даёт малиновую окраску только в щелочной среде; метиловый оранжевый в кислой среде красный, в щелочной жёлтый.

Тренировка

15 лёгких · 15 средних · 15 сложных

В каждом тесте — 10 случайных вопросов

ЛёгкийСреднийСложныйМикс