pH и среда раствора. Индикаторы

Кислотность раствора определяется концентрацией ионов водорода. Чтобы не работать с числами вроде 0,0000001 моль/л, датский химик С. Сёренсен в 1909 году предложил водородный показатель pH. Им пользуются в химии, медицине и сельском хозяйстве: pH крови человека — 7,4, желудочного сока — около 1,5, морской воды — около 8.

Диссоциация воды

Вода — очень слабый электролит: \(\ce{H2O <=> H+ + OH-}\). В чистой воде при 25 °C концентрации обоих ионов равны \(10^{-7}\) моль/л, а их произведение постоянно — это ионное произведение воды:

\[ [\ce{H+}]\cdot[\ce{OH-}] = 10^{-14} \]

Это равенство выполняется в любом водном растворе: если кислота увеличила \([\ce{H+}]\), то \([\ce{OH-}]\) во столько же раз уменьшилась.

Водородный показатель

Водородный показатель — десятичный логарифм концентрации ионов водорода со знаком минус: \(\mathrm{pH} = -\lg[\ce{H+}]\). В нейтральной среде \(\mathrm{pH} = 7\), в кислой меньше 7, в щелочной больше 7. Изменение pH на единицу означает изменение \([\ce{H+}]\) в 10 раз.

Примеры расчёта. В 0,01 М растворе \(\ce{HCl}\) кислота диссоциирует полностью: \([\ce{H+}] = 10^{-2}\), \(\mathrm{pH} = 2\). В 0,001 М растворе \(\ce{NaOH}\) \([\ce{OH-}] = 10^{-3}\), значит, \([\ce{H+}] = 10^{-14} : 10^{-3} = 10^{-11}\), \(\mathrm{pH} = 11\). Слабая кислота той же концентрации даёт меньше ионов \(\ce{H+}\), и pH у неё выше: у 0,1 М \(\ce{HCl}\) \(\mathrm{pH} = 1\), у 0,1 М \(\ce{CH3COOH}\) — около 3.

Индикаторы

Индикаторы — вещества, меняющие окраску в зависимости от pH. Это слабые органические кислоты или основания, у которых молекулярная и ионная формы окрашены по-разному.

Среду создают не только кислоты и щёлочи, но и многие соли — из-за гидролиза (следующий раздел): раствор соды окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет, раствор хлорида цинка — метилоранж в розовый.