Химия Онлайнс Ольгой Лагуновой
Все уроки
Общая химияУрок 1830 мин

Среда водных растворов. Водородный показатель pH

Ионное произведение воды. Водородный и гидроксильный показатели. Кислая, нейтральная, щелочная среда. Шкала pH, индикаторы.

Содержание урокапрочитано 0%

Цели урока

  • Рассчитывать pH для сильных кислот и оснований
  • Определять среду раствора по значению pH
  • Предсказывать цвет индикаторов в различных средах
  • Понимать связь pH с концентрацией ионов H+H^+ и OH−OH^-

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 21 проверяет умение определять среду раствора (кислая, нейтральная, щелочная) и связывать её с pH. Задание тесно связано с гидролизом: нужно определить, какую среду имеет раствор данной соли и как изменить pH. Также знание индикаторов пригодится при описании экспериментов.

Теория

Автопротолиз воды

Чистая вода в очень незначительной степени диссоциирует:

H2O⇌H++OH−H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-

Точнее:

2H2O⇌H3O++OH−2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-

(один протон переходит от одной молекулы к другой).

Ионное произведение воды — постоянная при данной температуре величина:

Kw=[H+]⋅[OH−]=10−14(при 25 ∘C)K_w = [H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14} \quad (\text{при } 25\ ^\circ C)

В чистой воде [H+]=[OH−]=10−7[H^+] = [OH^-] = 10^{-7} моль/л — среда нейтральная.

При растворении кислоты [H+][H^+] увеличивается → [OH−][OH^-] уменьшается (Kw=constK_w = \text{const}). При растворении щёлочи [OH−][OH^-] увеличивается → [H+][H^+] уменьшается.

Водородный показатель pH

pH (лат. potentia Hydrogenii — «сила водорода») — отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода:

pH=−lg⁡[H+]pH = -\lg[H^+]

Аналогично:

pOH=−lg⁡[OH−],pH+pOH=14(при 25 ∘C)pOH = -\lg[OH^-], \quad pH + pOH = 14 \quad (\text{при } 25\ ^\circ C)

Шкала pH

pH[H+][H^+], моль/лСреда
01сильнокислая
10,1кислая
310−310^{-3}кислая
510−510^{-5}слабокислая
710−710^{-7}нейтральная
910−910^{-9}слабощелочная
1110−1110^{-11}щелочная
1410−1410^{-14}сильнощелочная

Правила:

  • pH<7pH < 7 → кислая среда ([H+]>[OH−][H^+] > [OH^-])
  • pH=7pH = 7 → нейтральная среда ([H+]=[OH−][H^+] = [OH^-])
  • pH>7pH > 7 → щелочная среда ([H+]<[OH−][H^+] < [OH^-])

Расчёт pH для сильных кислот и оснований

Для сильных кислот (полная диссоциация):

  • HClHCl, c=0,01c = 0,01 моль/л → [H+]=0,01=10−2[H^+] = 0,01 = 10^{-2} → pH=2pH = 2
  • HNO3HNO_3, c=0,001c = 0,001 моль/л → [H+]=10−3[H^+] = 10^{-3} → pH=3pH = 3
  • H2SO4H_2SO_4, c=0,005c = 0,005 моль/л → [H+]=2⋅0,005=0,01=10−2[H^+] = 2 \cdot 0,005 = 0,01 = 10^{-2} → pH=2pH = 2 (двухосновная!)

Для сильных оснований:

  • NaOHNaOH, c=0,01c = 0,01 моль/л → [OH−]=0,01[OH^-] = 0,01 → pOH=2pOH = 2 → pH=14−2=12pH = 14 - 2 = 12
  • Ba(OH)2Ba(OH)_2, c=0,005c = 0,005 моль/л → [OH−]=2⋅0,005=0,01[OH^-] = 2 \cdot 0,005 = 0,01 → pOH=2pOH = 2 → pH=12pH = 12

Для слабых электролитов расчёт сложнее (нужно учитывать степень диссоциации), на ЕГЭ обычно не требуется точный расчёт.

Индикаторы

Индикаторы — вещества, меняющие цвет в зависимости от среды раствора:

ИндикаторКислая среда (pH<7pH < 7)Нейтральная (pH≈7pH \approx 7)Щелочная (pH>7pH > 7)
Лакмускрасныйфиолетовыйсиний
Метилоранжрозовый (красный)оранжевыйжёлтый
Фенолфталеинбесцветныйбесцветныймалиновый (розовый)
Универсальныйкрасно-оранжевыйжёлто-зелёныйсине-фиолетовый

Фенолфталеин — особый: он бесцветен и в кислой, и в нейтральной среде, окрашивается только в щелочной (малиновый). Это часто используется в ловушках на ЕГЭ.

Среда растворов солей

Среда раствора соли определяется гидролизом (подробно — урок 19):

  • Соль сильного основания и сильной кислоты → pH≈7pH \approx 7 (NaClNaCl, K2SO4K_2SO_4, BaCl2BaCl_2)
  • Соль сильного основания и слабой кислоты → pH>7pH > 7 (Na2CO3Na_2CO_3, K2SK_2S, CH3COONaCH_3COONa)
  • Соль слабого основания и сильной кислоты → pH<7pH < 7 (NH4ClNH_4Cl, AlCl3AlCl_3, FeSO4FeSO_4)
  • Соль слабого основания и слабой кислоты → зависит от относительной силы (NH4CH3COONH_4CH_3COO, pH≈7pH \approx 7)

Примеры

Пример 1. Расчёт pH

Задача: Определите pH раствора HClHCl с концентрацией 0,001 моль/л.

Решение: HClHCl — сильная кислота, α=100%\alpha = 100\%: HCl→H++Cl−HCl \rightarrow H^+ + Cl^-. [H+]=0,001=10−3[H^+] = 0,001 = 10^{-3} моль/л.

pH=−lg⁡(10−3)=3pH = -\lg(10^{-3}) = 3

Пример 2. pH щёлочи

Задача: Определите pH раствора KOHKOH с концентрацией 0,1 моль/л.

Решение: KOH→K++OH−KOH \rightarrow K^+ + OH^-. [OH−]=0,1=10−1[OH^-] = 0,1 = 10^{-1} моль/л.

pOH=1,pH=14−1=13pOH = 1, \quad pH = 14 - 1 = 13

Пример 3. Индикаторы

Задача: Как будет выглядеть лакмус и фенолфталеин в растворе Na2CO3Na_2CO_3?

Решение: Na2CO3Na_2CO_3 — соль сильного основания и слабой кислоты → щелочная среда (pH>7pH > 7). Лакмус — синий. Фенолфталеин — малиновый.

Вопросы для самопроверки

  1. Чему равен pH чистой воды при 25 °C? Почему?
  2. Как изменится pH, если к воде добавить NaOHNaOH?
  3. Определите pH раствора Ba(OH)2Ba(OH)_2 с концентрацией 0,05 моль/л.
  4. Почему фенолфталеин не подходит для определения кислой среды?
  5. Раствор имеет pH=4pH = 4. Какова концентрация H+H^+? Какой цвет примет метилоранж?

Краткий конспект

  • Kw=[H+]⋅[OH−]=10−14K_w = [H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14} (при 25 °C)
  • pH=−lg⁡[H+]pH = -\lg[H^+]; pH+pOH=14pH + pOH = 14
  • pH<7pH < 7 — кислая; pH=7pH = 7 — нейтральная; pH>7pH > 7 — щелочная
  • Для сильных кислот: [H+]=c⋅(число H+ в формуле)[H^+] = c \cdot (\text{число } H^+ \text{ в формуле})
  • Для щелочей: [OH−]=c⋅(число OH−)[OH^-] = c \cdot (\text{число } OH^-), затем pH=14−pOHpH = 14 - pOH
  • Индикаторы: лакмус (красный/фиолетовый/синий), метилоранж (розовый/оранжевый/жёлтый), фенолфталеин (бесцветный/бесцветный/малиновый)

Что изучать дальше

Тема pH плотно связана с уроком 19 «Гидролиз солей» (гидролиз смещает pH) и уроком 20 «Реакции ионного обмена» (реакции нейтрализации изменяют кислотность среды). Для практики расчётов по растворам изучите урок 63 «Концентрация растворов, растворимость, кристаллогидраты».