Концентрація іонів водню говорить нам, наскільки кислим або основним є будь-який розчин. Більше іонів водню? Більш кислий. Менше іонів водню? Більш базовий. Досить просто, правда? Давайте подивимось, як визначити та розрахувати концентрацію іонів водню. Спочатку ви побачите, як ви отримуєте іони водню та гідроксид-іони у воді.
Самоіонізація води
Вода самоіонізується незначною мірою:
Це спрощення, оскільки вільні іони водню насправді не існують у розчині. Ось як це насправді виглядає:
За допомогою водневого зв’язку іон водню асоціюється з молекулою води, утворюючи Н3О+, або гідроній. Таким чином, коли ви розраховуєте концентрацію іонів водню, ви також розраховуєте концентрацію іонів гідронію.
Для води водний іонний продукт або Кw говорить нам про концентрацію H+ або H3О+ і концентрація ОН- або гідроксид-іони.
При 25 градусах Цельсія експериментально визначене значення KW дорівнює 1,0 х 10-14 М2.
Давайте подивимось, як ви можете використовувати свої знання про дисоціацію та КW для розрахунку концентрації іонів водню або для сильних кислот, або для основ.
Розрахунок концентрації іонів водню за молярністю сильної кислоти
Сильна кислота збільшує концентрацію іонів водню над наявними іонами гідроксиду.
Прикладом є HCl:
Оскільки HCl є сильною кислотою, вона повністю дисоціює у воді. Отже, припустимо, у вас є 1,5М розчин HCl. Яка концентрація іонів водню?
Ну, це досить просто і навіть не вимагає ніякої математики! Оскільки кислота повністю дисоціює, концентрація іонів водню така ж, як і молярність розчину. У цьому випадку це означає концентрацію іонів водню, або [H+], становить 1,5 млн.
З іншого боку, сильна основа має більше гідроксид-іонів, ніж іони водню. Скажімо, у вас є 0,1М розчин NaOH. Яка концентрація Н+ в цьому випадку? Тепер вам потрібно буде використати свої знання К.W.
Ви знаєте, що оскільки ця сильна основа повністю дисоціює, концентрація гідроксиду або OH- дорівнює молярності розчину. [OH-] = 0,1 М.
Так,
Вирішуючи для [H +], ви отримуєте:
Це має сенс! Оскільки це основний розчин, іонів гідроксиду набагато більше, ніж іонів водню.
Розрахунок концентрації іонів водню з рН
Зараз постійно мати справу з науковими позначеннями, щоб обговорити концентрацію іонів водню, трохи громіздко. Натомість вчені використовують шкалу рН.
Ось визначення рН:
pH - негативний журнал концентрації водню. Буква p буквально означає негативний журнал.
Отже, враховуючи значення рН 5,5, ви можете знайти концентрацію іонів водню:
Занурення на мінус і взяття зворотного журналу дає вам:
Вирішуючи, ви отримуєте:
Концентрація іонів водню в розчині з рН = 5,5 становить 3,2 * 10-6М. Дивіться, ось чому говорити про рН набагато легше, ніж про все довге число, яке ви отримали для відповіді! РН 5,5 говорить вам про кислотність, і ви можете розрахувати молярність, якщо вам це потрібно.
Що означають значення pKa?
Під час обчислення концентрації іонів водню сильних кислот досить легко, оскільки вони дисоціюють повністю в розчині, обчислення концентрації іонів водню в слабких кислотах лише трохи хитріший. Ці кислоти не повністю іонізуються у воді. Кожна кислота має тенденцію втрачати іон водню у водному розчині. Більш сильна кислота швидше втрачає іон водню, ніж слабка кислота.
Константами рівноваги для реакцій іонізації називають константи дисоціації кислоти (Kа). Більш сильні кислоти мають вищий Ка тоді як слабкі кислоти мають нижчий Kа. Тепер, подібно до концентрації іонів водню, коли ви перейшли на рН замість просто Н, вчені використовують pKа щоб вказати, наскільки сильною чи слабкою є кислота. З вищою тенденцією до втрати протона кислота сильніша, а отже, і рКа менше.
Поради
Чим вище значення рКа, тим слабша кислота; чим нижче значення рКа, тим сильніша кислота.