В помощь учителю и учащимся. Водородный показатель рН.

Водородный показатель ( pH ) – является одним из наиболее широко используемых характеристик водных растворов, как в технике так и в биологии. Важность которую имеет водородный показатель можно себе представить, если вспомнить что снижение pH во внутренних средах организма всего на пол единицы приведет к смерти. Водородный показатель – отрицательный логарифм концентрации водородных ионов.  
pH = — ln[H⁺] . Понятие водородного показателя введено датским химиком Сёренсеном в 1909 году. Обозначается первыми буквами английских слов potentia hydrogeni(сила водорода) или  pondus hydrogenii (вес водорода). Произносится «пэ аш» в русской транскрипции, «пи эйч» в английской.

В чистой воде при температуре 25 градусов по Цельсию концентрация ионов водорода [H⁺]  и гидроксид ионов [OH^-] одинаковы и равны 10⁻⁷ моль/л. Что вытекает из уравнения [H⁺] *[OH^-] =10⁻¹⁴ моль²/л²  при 25 градусах по Цельсию. Если концентрации обоих видов ионов в воде равны [H⁺] =[OH^-], то раствор имеет нейтральную реакцию. То есть рН=7. Если концентрация водородных ионов[H⁺]  увеличивается, то значение pH уменьшается и становится меньше семи, а кислотность раствора увеличивается, а щелочность соответственно уменьшается. Если же увеличивается концентрация гидроксид ионов [OH^-], то значение pH увеличивается (становится больше 7). Щелочность раствора увеличивается, а кислотность снижается. На сегодняшний день используется шкала рН поделенная на 14 делений. 0 – минимум (очень кислая среда). 7- нейтральная. 14 – максимум (сильно щелочная среда). В воде всегда присутствует немного катионов водорода и гидроксид-ионов, которые образуются в результате обратимой диссоциации: H₂O = H⁺ + OH^-. В растворах кислот содержание катионов водорода увеличивается, а содержание гидроксид-ионов уменьшается, в растворах щелочей наблюдается обратная картина. В соответствии с этим меняется и значение водородного показателя (рН). Кислоты, попадая в воду, диссоциируют, и содержание катионов водорода в расчете на 1 л раствора становится больше 1 ^.10^-7 моль. Сильные кислоты в водной среде диссоциируют необратимо. Например, хлороводородная кислота полностью превращается в катионы водорода H⁺ и хлоридные анионы Cl^-:  HCl = H⁺ + Cl^-. Если в 1 л водного раствора содержится 1 ^.10^-2 моль HCl, то катионов водорода H⁺ в этом объеме тоже 1 ^.10^-2 моль. Значение водородного показателя (рН) для этого раствора оказывается равным 2. Когда в том же объеме раствора содержится 1 ^.10^-3 моль HCl, то катионов H⁺ становится уже 1 ^.10^-3 моль (рН = 3), если хлороводородной кислоты 1 ^.10^-4 моль, то содержание H⁺ - 1 ^.10^-4 моль (рН = 4). Диссоциация слабых кислот, например угольной, протекает обратимо:   H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^-. Далеко не все присутствующие в растворе молекулы H₂CO₃ превращаются в катионы H⁺ и анионы HCO₃^-. Тем не менее катионов H⁺ в растворах таких кислот больше, чем в чистой воде (например, 1 ^.10^-5 или 1 ^.10^-6 моль в каждом литре раствора). Таким образом, в растворах кислот катионов водорода в 1 л раствора содержится всегда больше, чем 1 ^.10^-7, а рН оказывается меньше 7. Водородный показатель рН, меньший 7, отвечает кислотной среде раствора. Если рН находится в интервале 5-7, то среда раствора считается слабокислотной, если рН меньше 5, то сильнокислотной: чем сильнее кислота, тем ниже значение рН. В результате диссоциации оснований в водном растворе появляются гидроксид-ионы, которые связывают катионы водорода, присутствующие в чистой воде, и уменьшают их количество в щелочном растворе:  NaOH = Na⁺ + OH^- ;  H⁺ + OH^- = H₂O. Растворение в 1 л воды 1 ^.10^-2 моль сильного основания - гидроксида натрия NaOH - приводит к появлению 1 ^.10^-2 моль гидроксид-ионов. Содержание катионов водорода в полученном растворе оказывается равным 1 ^.10^-12 моль, а рН принимает значение 12. Если в 1 л воды растворить 1 ^.10^-3 моль NaOH, то гидроксид-ионов получится 1 ^.10^-3 моль (1 ^.10^-11 моль катионов H⁺, рН = 11). Растворение в том же объеме 1 ^.10^-4 моль NaOH даст 1 ^.10^-4 моль OH^- (1 ^.10^-10 моль катионов H⁺, рН = 10), и т.д. Таким образом, в растворах оснований содержание катионов водорода всегда меньше 1 ^.10^-7 моль в 1 л, а водородный показатель (рН) - больше 7. Среда в таких растворах щелочная. Для растворов сильных оснований, диссоциация которых идет необратимо, значение рН будет существенно выше 7. Диссоциация слабых оснований, например, гидрата аммиака, протекает лишь частично, гидроксид-ионов в этом случае образуется меньше, и рН не столь заметно превышает значение, характерное для нейтральной среды. Раствор считается слабощелочным при рН от 7 до 9 и сильнощелочным при рН выше 9. Значения водородного показателя (рН) водных растворов распространенных веществ обычно находятся в интервале от 1 до 13. Приближенно оценить рН растворов можно с помощью кислотно-основных индикаторов. Многие органические вещества могут изменять свой цвет в зависимости от кислотности. Самый известный подобный «индикатор» это чай. Когда вы бросаете в стакан с крепким коричневым чаем ломтик лимона, чай в стакане становится значительно светлее. При снижении pH, то есть при увеличении кислотности благодаря лимонной кислоте чай меняет свою окраску на более светлую. Другим не менее известным «индикатором» является сок столовой свеклы. Хозяйки давно знают его способность принимать более насыщенный красный цвет в кислой среде. После того как борщ практически готов и имеет оранжевый цвет добавьте в него немного уксуса и прямо на глазах ваше блюдо окрасится в ярко красный цвет.

Конечно, такие индикаторы в технике и биологии на сегодняшний день не применяются в силу различных причин. Сейчас наиболее известными индикаторами  в химии являются лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и ряд других. Эти индикаторы могут иметь два цвета в зависимости от кислотности среды. Цвет для каждого из индикаторов  может изменяться в диапазоне 1 – 2 единицы рН. Следовательно, этот метод определения водородного показателя имеет ряд недостатков. Во-первых, определять кислотность можно лишь в определенном небольшом диапазоне значений рН. Этот недостаток иногда обходят, приготовляя универсальный индикатор – смесь нескольких из выше перечисленных индикаторов. Но этот индикатор все же не охватывает всю шкалу активности водорода. Во вторых использование изменения окраски индикатора для определения активности водородных ионов сильно затруднено, а иногда и невозможно в мутных и цветных средах.

С помощью кислотно-основного метода можно точно определить величину концентрации ионов водорода. 

 

Методика в общих чертах заключается в следующем. В определенный объем исследуемого раствора с индикатором по каплям прибавляют раствор с известной концентрацией водородных ионов до изменения окраски раствора. Что свидетельствует о том, что в исследуемый раствор добавлено количество титранта необходимое для полного завершения реакции. Далее зная точную концентрацию титранта и его объем добавленный до изменения окраски можно вычислить концентрацию водородных ионов в испытуемом растворе. Не смотря на точность метода, он все же нам не совсем подходит для домашнего использования. Во-первых, он требует дополнительного химического оборудования. А мы же не хотим превращать нашу квартиру в химическую лабораторию. Во-вторых, он требует определенных навыков в приготовлении химических растворов точной концентрации, так же к минусам относится необходимость химических расчетов. То есть метод громоздкий и не оперативный.

И в-третьих проведение анализа так же затруднено в цветных и мутных жидкостях. Однако при наличии доступа к химической лаборатории это, наверное, единственный метод для первичной  калибровки приборов и тест полосок и дальнейшей проверки их показаний. Для более точного измерения водородного показателя используют приборы - рН-метры.

 

На сегодняшний день, наверное, самый удобный способ определить водородный показатель это электронная pH - метрия. Основана на измерении ЭДС гальванической цепи, в состав которой входит специальный стеклянный электрод. Потенциал этого электрода зависит от концентрации водородных ионов  в исследуемом растворе. pH метры имеют давнюю историю. Особенно стимулировалось развитие подобной измерительной аппаратуры в 1940 – 1950 годах оборонным заказом. Вследствие острой необходимости в подобных приборах для контроля технологических процессов на вредных производствах и в агрессивных средах. Результатом исследований, которые прошли ряд открытий, много удач и столько же ошибок являются современные компактные приборы с электродной парой, в которой основным электродом является стеклянный. А вспомогательным – хлорсеребряный. Электронная схема прибора прошла тоже не малый путь от мостовой схемы до современных схем построенных на аналого-цифровых преобразователях и управляемых микропроцессорами. Всем хорош pH метр. Охватывает весь диапазон концентрации водородных ионов. Имеет точность измерения порядка 0,01. Можно измерять водородный показатель в мутных и цветных средах.

Источники: ресурсы Интернет.