9. Дисоціація води. pH

Водa і як слабкий електроліт незначною мірою дисоціює на іони Н⁺ і ОН^-, що перебувають у рівновазі з недисоційованими молекулами:

Н₂O ⇆ Н⁺ + ОН^-.

Концентрацію іонів звичайно виражають у молях іонів в 1 л. Як видно з рівняння дисоціації води, в ній величини [Н⁺] і [ОН^-] однакові.

Експериментально встановлено, що в одному літрі води за кімнатної температури (22 °С) дисоціації піддається лише 10^-7моль води і при цьому утворюється 10 моль/л іонів Н⁺ і 10^-7 моль/л іонів ОН^- .

Добуток концентрації іонів гідрогену і гідроксид-іонів у воді називається іонним добутком води (позначається K_в). За певної температури К_в — величина стала, чисельно дорівнює при 22 °С 10^-14 :

K_в = [Н⁺] [ОН^-] = 10^-7 • 10^-7 = 10^-14.     

Сталість добутку [Н⁺] [ОН^-] означає, що в будь-якому водному розчині ні концентрація іонів гідрогену, ні концентрація гідроксид-іонів не може дорівнювати нулю. Іншими словами, бyдь-який водний розчин кислоти, основи або солі містить як Н⁺, так і ОН^- -іони. Дійсно, для чистої води [Н⁺] = [OН^-] =  10^-7 моль/л. Якщо до води додати кислоту, то [Н⁺] стане більшою ніж 10^-7, а [ОН^- ] — меншою ніж 10^-7 моль/л. Навпаки, якщо до води додати луги, то [Н⁺] стає меншою ніж 10^-7 , а [ОН^-] — більшою ніж 10^-7  моль/л.

Зі сталості добутку [Н⁺] [ОН^-] випливає, що при збільшенні концентрації одного з іонів води відповідно зменшується концентрація іншого іона. Це дає змогу обчислити концентрацію Н⁺ -іонів, якщо відома концентрація ОН^- -іонів, і навпаки. Наприклад, якщо у водному розчині [Н⁺] = 10^-3 моль/л, то [ОН^-] визначатиметься так:

[ОН^-] = Kв/[Н⁺] = 10^-14/10^-3 = 10^-11 моль/л.

Отже, кислотність і основність розчину можна виражати через концентрацію або іонів Н⁺, або іонів ОН^-. На практиці користуються першим способом. Тоді для нейтрального розчину [Н⁺] = 10^—7 моль/л, для кислого [Н⁺] > 10 ^-7, для лужного [Н⁺] < 10-⁷ моль/л.

Щоб уникнути незручностей, пов’язаних із застосуванням чисел з від’ємними показниками ступеня, концентрацію іонів гідрогену прийнято виражати через водневий показник, що позначається символом pH (читається “пе-аш”).

Водневим показником pH називається десятковий логарифм концентрації водневих іонів, взятий з протилежним знаком:

pH = -lg[Н⁺]

[Н⁺] = 10^-рН,                  

де [Н⁺] — концентрація іонів гідрогену, моль/л.

Поняття “водневий показник” введене датським хіміком С. Серенсеном у 1909 p.: літера “р” — початкова літера датського слова potenz — математичний ступінь, буква “Н” — символ гідрогену.

За допомогою pH реакція розчинів характеризується так: нейтральна — pH =7, кисла — pH < 7, лужна — pH > 7.

Чим менший pH, тим більша концентрація іонів Н , тобто вища кислотність середовища; і навпаки, чим більший pH, тим менша концентрація іонів Н+ , тобто вища основність середовища.

Наведемо значення pH деяких найвідоміших розчинів і зазначимо відповідну їм реакцію середовища: шлунковий сік — pH = 1,7 (сильнокисла реакція), торф’яна вода — pH = 4 (слабкокисла), дощова вода — pH = 6 (слабкокисла), вода з водопроводу — pH = 7,5 (слабколужна), кров — pH = 7,4 (слабколужна), слина — pH = 6,9 (слабкокисла), сльози — pH = 7 (нейтральна).

Винятково значна роль pH в найрізноманітніших явищах і процесах — і в природі, і в техніці. Багато виробничих процесів у хімічній, харчовій, текстильній та інших галузях промисловості відбуваються лише за певної реакції середовища. Так само необхідна для нормального розвитку сільськогосподарських культур і одержання високих урожаїв і певна реакція ґрунтового розчину. Залежно від значення pH ґрунтового розчину ґрунти поділяються на сильнокислі (pH = 3...4), кислі (pH = 4...5), слабкокислі (pH = 5...6), нейтральні (pH = 6...7), слабколужні (pH = 7...8), лужні (pH = 8...9) і, нарешті, сильнолужні (pH = 9... 11).

Найчастіше рослини страждають від підвищеної кислотності, для усунення якої застосовують вапнування ґрунтів — внесення в них вапняків — карбонатів кальцію або магнію. Якщо ж ґрунти відрізняються підвищеною лужністю (солонцюваті і солончакові ґрунти), то для її усунення застосовують гіпсування — внесення розмеленого гіпсу CaSO₄• 2Н₂О.

Необхідність вапнування або гіпсування ґрунтів встановлюють із урахуванням водневого показника розчину (сольової витяжки); залежно від величини pH визначають за таблицями і дози речовин, які вносять.