Концентрация ионов водорода говорит нам, насколько кислотным или основным является любой данный раствор. Больше ионов водорода? Более кислый. Меньше ионов водорода? Более простой. Довольно просто, правда? Давайте посмотрим, как определять и рассчитывать концентрацию ионов водорода. Во-первых, вы увидите, как в воду попадают ионы водорода и ионы гидроксида.
Самоионизация воды
Вода в небольшой степени самоионизируется:
Это упрощение, поскольку свободных ионов водорода в растворе фактически не существует. Вот как это выглядит на самом деле:
Через водородную связь ион водорода связывается с молекулой воды, создавая H3О+, или же гидроксоний. Таким образом, когда вы рассчитываете концентрацию ионов водорода, вы также рассчитываете концентрацию ионов гидроксония.
Для воды продукт с ионами воды или же Kш сообщает нам концентрацию H+ или H3О+ и концентрация OH- или гидроксид-ионы.
При 25 градусах Цельсия экспериментально определенное значение KW составляет 1,0 х 10-14 M2.
Давайте посмотрим, как вы можете использовать свои знания о диссоциации и K
W для расчета концентрации ионов водорода для сильных кислот или оснований.Расчет концентрации ионов водорода по молярности сильной кислоты
Сильная кислота увеличивает концентрацию ионов водорода по сравнению с присутствующими ионами гидроксида.
Пример - HCl:
Поскольку HCl - сильная кислота, она полностью диссоциирует в воде. Итак, предположим, что у вас есть 1,5М раствор HCl. Какая концентрация ионов водорода?
Что ж, это довольно просто и даже не требует математики! Поскольку кислота полностью диссоциирует, концентрация ионов водорода такая же, как и молярность раствора. В данном случае это означает концентрацию ионов водорода, или [H+], составляет 1,5 млн.
С другой стороны, сильное основание содержит больше гидроксид-ионов, чем ионов водорода. Допустим, у вас есть 0,1 М раствор NaOH. Какая концентрация H+ в таком случае? Теперь вам нужно будет использовать свои знания KW.
Вы знаете, что, поскольку это сильное основание полностью диссоциирует, концентрация гидроксида или ОН- равна молярности раствора. [OH-] = 0,1 М.
Так,
Решая для [H +], вы получаете:
Это имеет смысл! Поскольку это основной раствор, гидроксид-ионов намного больше, чем ионов водорода.
Расчет концентрации ионов водорода по pH
Постоянно иметь дело с научными обозначениями и обсуждать концентрацию ионов водорода немного обременительно. Вместо этого ученые используют шкалу pH.
Вот определение pH:
pH - это отрицательный логарифм концентрации водорода. Буква p буквально означает отрицательный журнал.
Итак, учитывая значение pH 5,5, вы можете найти концентрацию ионов водорода:
Погружение на отрицательную единицу и взятие обратной логарифмы дает вам:
Решая, вы получаете:
Концентрация водородных ионов в растворе с pH = 5,5 составляет 3,2 * 10.-6М. Видите ли, вот почему говорить о pH намного проще, чем о целой длинной цифре, которую вы получили для ответа! Значение pH 5,5 говорит о кислотности, и при необходимости вы можете рассчитать молярность.
Что означают значения pKa?
При этом рассчитать концентрацию ионов водорода сильных кислот достаточно просто, так как они диссоциируют. полностью в растворе, вычислить концентрацию ионов водорода в слабых кислотах совсем немного. сложнее. Эти кислоты не полностью ионизируются в воде. Каждая кислота имеет тенденцию терять ион водорода в водном растворе. Более сильная кислота с большей вероятностью потеряет свой водородный ион, чем слабая кислота.
Константы равновесия для реакций ионизации называются константами кислотной диссоциации (Kа). Более сильные кислоты имеют более высокий Kа в то время как более слабые кислоты имеют более низкий Kа. Теперь, как и в случае с концентрацией ионов водорода, когда вы переключились на pH вместо H, ученые используют pKа чтобы указать, насколько сильная или слабая кислота. Чем выше тенденция к потере протона, тем сильнее кислота, и поэтому pKа меньше.
Советы
Чем выше значение pKa, тем слабее кислота; чем ниже значение pKa, тем сильнее кислота.