Среда водных растворов. Водородный показатель pH

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 $H^+$ и $OH^-$

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:

$$H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$$

Точнее:

$$2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-$$

(один протон переходит от одной молекулы к другой).

Ионное произведение воды — постоянная при данной температуре величина:

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

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

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

Водородный показатель pH

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

$$pH = -\lg[H^+]$$

Аналогично:

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

Шкала pH

Правила:

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

Расчёт pH для сильных кислот и оснований

Для сильных кислот (полная диссоциация):

• $HCl$, $c = 0,01$ моль/л → $[H^+] = 0,01 = 10^{-2}$ → $pH = 2$
• $HNO_3$, $c = 0,001$ моль/л → $[H^+] = 10^{-3}$ → $pH = 3$
• $H_2SO_4$, $c = 0,005$ моль/л → $[H^+] = 2 \cdot 0,005 = 0,01 = 10^{-2}$ → $pH = 2$ (двухосновная!)

Для сильных оснований:

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

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:

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 → $pH \approx 7$ ($NaCl$, $K_2SO_4$, $BaCl_2$)
• Соль сильного основания и слабой кислоты → $pH > 7$ ($Na_2CO_3$, $K_2S$, $CH_3COONa$)
• Соль слабого основания и сильной кислоты → $pH < 7$ ($NH_4Cl$, $AlCl_3$, $FeSO_4$)
• Соль слабого основания и слабой кислоты → зависит от относительной силы ($NH_4CH_3COO$, $pH \approx 7$)

Примеры

Пример 1. Расчёт pH

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

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

$$pH = -\lg(10^{-3}) = 3$$

Пример 2. pH щёлочи

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

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

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

Пример 3. Индикаторы

Задача: Как будет выглядеть лакмус и фенолфталеин в растворе $Na_2CO_3$?

Решение: $Na_2CO_3$ — соль сильного основания и слабой кислоты → щелочная среда ($pH > 7$). 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 $NaOH$?
3. Определите pH раствора $Ba(OH)_2$ с концентрацией 0,05 моль/л.
4. Почему фенолфталеин не подходит для определения кислой среды?
5. Раствор имеет $pH = 4$. Какова концентрация $H^+$? Какой цвет примет метилоранж?

Краткий конспект

• $K_w = [H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14}$ (при 25 °C)
• $pH = -\lg[H^+]$; $pH + pOH = 14$
• $pH < 7$ — кислая; $pH = 7$ — нейтральная; $pH > 7$ — щелочная
• Для сильных кислот: $[H^+] = c \cdot (\text{число } H^+ \text{ в формуле})$
• Для щелочей: $[OH^-] = c \cdot (\text{число } OH^-)$, затем $pH = 14 - pOH$
• 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».