Chemia

2019
CHEMIA
1
Precyzyjny i rzeczowy
40.
Woda destylowana zachowuje się jak izolator (p. doświadczenie Badanie przewodnictwa
elektrycznego roztworów wodnych), z czego można wnioskować, że nie zawiera
ona swobodnych jonów, zdolnych do przenoszenia ładunku elektrycznego. Jednak wiązania
O–H w cząsteczkach H 2 O są dość silnie spolaryzowane i woda w pewnym, bardzo
małym stopniu, dysocjuje zgodnie z równaniem:
H 2 O H + + OH –
Stężenie jonów H + jest w czystej wodzie równe stężeniu
jonów OH – i w tempera turze 25°C (298 K) wynosi
10 –7 mol/dm 3 .
[H + ] = [OH – ] = 10 –7
Dysocjacja elektrolityczna wody i słabych elektrolitów
jest przykładem reakcji odwracalnej, która
prowadzi do ustalenia się równowagi dynamicznej
– z taką samą szybkością zachodzi rozpad cząsteczek
na jony i ponowne łączenie się jonów w niezdysocjowane
cząsteczki.
Jednoczesny przebieg tych dwóch procesów symbolizują
strzałki skierowane w przeciwne strony: ,
które stosujemy w zapisie równań reakcji odwracalnych.
Charakterystyczną cechą tego stanu równowagi
jest stałość wartości iloczynu stężeń jonów H +
i OH – . Jest on nazywany iloczynem jonowym wody
i oznaczany symbolem K w .
K w + – –7 –7 –14
H 2 O
jon H +
jon OH –
cząsteczka H 2 O
+ – .
-
-
+ 3 ,
–7 3 + +
Wobec tego
pH czystej wody = –log [H + ] = 7.
W tabeli 40.1 przedstawiono kolejne etapy przeliczania stężenia mocnego kwasu na pH
roztworu.
+ c *
3
Kwas
a [H ]
+ ]
HCl 0,1 0,1 (10 –1 ) –1 1
HNO 3 0,0001 0,0001 (10 –4 ) –4 4
H 2 SO 4 0,005 0,01 (10 –2 ) –2 2
H 2SO 4 0,001 0,002 (2 · 10 –3 ) –2,7** 2,7
*c a – stężenie molowe kwasu, indeks „a” pochodzi od angielskiego acid (kwas).
** Obliczone za pomocą kalkulatora.
Mocne elektrolity są całkowicie zdysocjowane, więc w roztworze kwasu jednoprotonowego
stężenie jonów wodoru jest równe stężeniu molowemu kwasu: [H + ] = c a , a w roztworze
kwasu dwuprotonowego stężenie jonów wodoru jest dwa razy większe od stężenia
molowego kwasu: [H + ] = 2 c a . Zatem im większe stężenie jonów wodoru, czyli im
bardziej kwasowy roztwór, tym niższe jego pH.
Stałość iloczynu jonowego wody K w = [H + ] · [OH – ] = 10 –14 powoduje, że stężenia jonów
H + i OH – są ze sobą ściśle związane zależnością:
+ K
[H ]=
−
10 14 = lub
− K
[OH ]=
−
10 14
=
w
w
−
[OH ]
−
[OH ]
+
[H ]
+
[H ]
Wykorzystanie właściwości logarytmów (log a · b = log a + log b) pozwala otrzymać
wyrażenie:
pK w = pH + pOH = 14
Dzięki temu, że w roztworach wodnych stężenia jonów wodoru i jonów wodorotlenkowych
są wzajemnie zależne, wartość pH może służyć do określania odczynu roztworów
zarówno kwasów, jak i zasad.
2