pH: что скрывается за одной единицей
Двигай pH и сравнивай H⁺ и OH⁻. Переключение показывает концентрации или изменение относительно нейтральной среды.
Нейтральной среде в этих условиях соответствует pH ≈ 7.
Модель для разбавленных водных растворов при 25 °C. Цветовая шкала условная; реальная окраска зависит от состава индикатора.
В воде одновременно есть H⁺ и OH⁻
Даже чистая вода в небольшой степени образует ионы: 2H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻. Краткая школьная запись H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻ использует H⁺ как обозначение гидратированного протона, а не свободной частицы, плавающей без окружения. При 25 °C в чистой воде концентрации обоих ионов примерно равны 10⁻⁷ моль/л.
| Признак / объект | Что означает | Пояснение |
|---|---|---|
| Кислая среда | c(H⁺) > c(OH⁻) | Избыток ионов H⁺ |
| Нейтральная среда | c(H⁺) = c(OH⁻) | Равенство концентраций |
| Щелочная среда | c(H⁺) < c(OH⁻) | Избыток ионов OH⁻ |
В разбавленных водных растворах при 25 °C c(H⁺)·c(OH⁻) ≈ 10⁻¹⁴ (моль/л)². Если концентрация одного вида ионов растёт, концентрация другого уменьшается. В кислой среде гидроксид-ионы всё равно присутствуют, а в щелочной есть ионы H⁺; речь идёт о соотношении, а не о полном исчезновении.
Кислотность среды определяется соотношением H⁺ и OH⁻. Оба вида ионов присутствуют в любом водном растворе.
pH превращает степени десяти в удобную шкалу
Для разбавленного раствора pH ≈ −lg c(H⁺), если численное значение концентрации выражено в моль/л. Когда c(H⁺) = 10⁻³ моль/л, получаем pH = 3; когда c(H⁺) = 10⁻⁵ моль/л, pH = 5. Меньший pH соответствует большей концентрации H⁺.
pH: равные деления — разные порядки концентрации
ВОДНЫЙ РАСТВОР ПРИ 25 °C
Концентрации указаны в моль/л. Каждый показанный шаг на две единицы соответствует изменению c(H⁺) в 100 раз.
Разница на единицу означает десятикратное различие c(H⁺), а на две единицы — стократное. При 25 °C нейтральный pH близок к 7. При другой температуре значение нейтрального pH меняется вместе с ионным произведением воды; общее определение нейтральности — равенство H⁺ и OH⁻ — сохраняется.
Подробности: понятия и примеры
| c(H⁺), моль/л | pH | Среда при 25 °C |
|---|---|---|
| 10⁻³ | 3 | Кислая |
| 10⁻⁵ | 5 | Кислая |
| 10⁻⁷ | 7 | Нейтральная |
| 10⁻¹¹ | 11 | Щелочная |
Шкала pH логарифмическая: единица соответствует десятикратному изменению c(H⁺). Нейтральный pH равен примерно семи именно при 25 °C.
Шкала универсального индикатора
Шкала универсального индикатора связывает цвет с диапазоном кислотности; у разных составов шкалы могут различаться.
A.Spielhoff · Wikimedia Commons · CC0. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Окраска фенолфталеина в щелочной среде
Фенолфталеин делает щелочную среду заметной благодаря малиновой окраске.
Andyman1125 · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Сильная кислота и щёлочь: два маршрута
Для 0,001 моль/л HCl при практически полной диссоциации c(H⁺) ≈ 0,001 моль/л, поэтому pH ≈ 3. Для 0,01 моль/л NaOH сначала находим c(OH⁻) ≈ 10⁻² моль/л, затем c(H⁺) = 10⁻¹⁴/10⁻² = 10⁻¹² моль/л: pH ≈ 12 при 25 °C.
- 1. Найти ион
Кислота даёт H⁺, основание — OH⁻
- 2. Учесть коэффициент
Один Ba(OH)₂ даёт два OH⁻
- 3. Использовать K воды
При необходимости перейти от OH⁻ к H⁺
- 4. Вычислить логарифм
pH ≈ −lg c(H⁺)
Коэффициенты диссоциации важны: при полном растворении и диссоциации 0,005 моль/л Ba(OH)₂ даёт 0,010 моль/л OH⁻. Для слабой кислоты нельзя принять c(H⁺) равной аналитической концентрации: надо учитывать степень диссоциации или равновесие. В очень разбавленных растворах учитывают также вклад самой воды.
Для расчёта pH сначала находят концентрацию ионов с учётом диссоциации. Формулы для сильных электролитов нельзя автоматически переносить на слабые.
Измерение и смешение: сначала химия
Индикатор меняет окраску в определённом интервале pH, поэтому даёт оценку, а не бесконечно точное значение. Универсальный индикатор сочетает несколько переходов, pH-метр использует электрический отклик электрода и требует калибровки. Цветные растворы могут затруднять визуальное определение.
- Количество ионов
n = cV, объём в литрах
- Нейтрализация
H⁺ + OH⁻ → H₂O
- Избыток
Сравниваем реагирующие моли
- Конечный pH
Рассчитываем по оставшимся ионам
При смешении 100 мл 0,10 моль/л HCl и 100 мл 0,10 моль/л NaOH реагируют по 0,010 моль H⁺ и OH⁻. Избытка нет, раствор NaCl близок к нейтральному при 25 °C. Усреднять исходные pH нельзя: сначала составляют реакцию, находят избыток и делят его количество на конечный объём раствора.
Индикатор показывает диапазон pH, прибор позволяет измерить его точнее. При смешении растворов сначала учитывают реакцию и избыток ионов.
Шесть выводов
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Химия, 11 класс», § 26. Материал переработан и дополнен разъяснениями; источник: 11 класс. Химия — § 26. Понятие о водородном показателе (рН) раствора.pdf. Указаны условия реакций, единицы величин и границы применимости моделей. Числовые примеры решены по шагам.
Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.
OpenStax: Chemistry 2e