Концентрация ионов водорода (значения рН воды)

Часть молекул воды диссоциируют на ионы согласно уравнению

Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^-. (3.1.)

В химически чистой воде при стандартных условиях (Т = 298 К) концентрации ионовН⁺ и ОН^-равны друг другу и составляют 1·10^-7 моль/л т.е. С н⁺ = С он^- = 1·10^-7 [моль/л] или [М] В этом случае говорят, что вода химически нейтральна. При увеличении в растворе концентрации ионов водорода Н⁺ (например, в процессе гидролиза некоторых растворимых солей) и уменьшении концентрации гидроксильных ионов ОН^- и реакция воды кислая, а при увеличении концентрации гидроксильных ионов ОН^- и уменьшении концентрация ионов Н⁺ (например, при взаимодействии ионов Н⁺ с гидрокарбонат ионами НСО₃^-, всегда присутствующими в воде) реакция воды щелочная. Таким образом, нейтральная реакция воды при С н^а = 10^{-7 М, кислая реакция воды при С на} >10^{-7 М и С он-} <10^{-7 М, щелочная реакция при С н+} <10^{-7 М и С он-} >10^{-7 М.}

В водных растворах концентрации ионов водорода Н⁺ и гидроксильных ионов ОН^- связаны между собой:

Сн⁺·Сон^- = Кн₂о = 1·10^-14. (3.2.)

Выражение (3.2.) называется константой воды или ионным произведением воды.

На практике концентрация водородных ионов в воде выражается водородным показателем рН, численное значение которого равно отрицательному десятичному логарифму молярной концентрации Н⁺ в растворе:

рН = -lg Cн⁺ . (3.3)

Химически нейтральному водному раствору соответствует значение рН = -lg10^-7 = 7, вода с кислой реакцией характеризуется значениями рН<7, щелочной – значениями рН>7.

Концентрацию ионов водорода по значениям рН раствора можно определить из выражения:

Cн⁺ = 10^-рН. (3.4.)

Отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации гидроксильных ионов ОН^- обозначают рОН:

рОН = -lg Cно^- , (3.5.)

аналогично

Cон^- = 10^-рОН. (3.6.)

Показатели рН и рОН связаны между собой следующим образом:

рН + рОН = 14. (3.7.)

Все примеси загрязняющие воду. Можно разделить по степени дисперсности на три группы: 1) грубодисперсные с размером частиц более 100 нм; 2) коллоидно-дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм; 3) молекулярно- и ионно-дисперсные с размером частиц менее 1 нм. Молекулярные и ионно-дисперсные примеси, присутствующие в воде, вступают с молекулами воды в различные химические (гидролиз) или физико-химические (растворение веществ с образованием гидратированных ионов) взаимодействия, в результате которых будет происходить изменение соотношения ионов водорода и гидроксильных ионов в воде, т.е. водородного показателя воды – рН.

Численное значение рН воды, используемой в теплоэнергетике, взаимосвязано с другими характеристиками воды, влияющими на надежность работы теплоэнергитического оборудования: коррозионной активностью, склонность к накипеобразованию и др. Подготовка подпиточной и питательной воды, выбор водных режимов котельных установок, очистка сточных вод и т. д. производится при строго определенных значениях рН.

Например, коллоидные частицы, содержащиеся в воде, обладают амфотерными свойствами, т. е. способны в зависимости от рН диссоциировать в воде как кислоты или щелочи. Для коллоидных частиц одного вещества существует такое значение рН среды, при котором их молекулы не диссоциируют на ионы и заряды частиц равны нулю. Такое состояние коллоидной системы называется изоэлектрическим. Если рН среды больше рН изоэлектрического состояния, молекулы вещества диссоциируют как кислоты, если меньше – как щелочи (т. е. частицы приобретают соответственно отрицательный или положительный заряды). Подкисляя или подщелачивая воду, можно нейтрализовать заряды частиц, снизить устойчивость коллоидной системы и создать благоприятные условия для коагуляции коллоидных частиц раствора.

Определение концентрации ионов водорода Н⁺ (значения рН) проводят потенциометрическим методом, т.е. определяют разность потенциалов между измерительным и вспомогательным электродами, помещенными в исследуемый раствор. В качестве измерительного электрода обычно используют стеклянный, в качестве вспомогательных электродов – каломельный или хлорсеребряный.

Пример 1 Определить рН 0,1 н. раствора НСl при 289 К.

Решение. С н⁺ = 10^{-1 М и рН = -} lg 10^-1 = 1.

Пример 2 Определить рН 0,05 М раствора Н₂SО₄.

Решение. При диссоциации одной молекулы серной кислоты в растворе образуется два иона Н⁺. Отсюда следует, что С н⁺= 2· С (Н₂SО₄) = 2·0,05 = 0,1 М. Тогда рН = - lg 10^-1 = 1

Пример 3 Значение рН раствора Н₂SО₄ составляет 2,8. Найти молярную концентрацию серной кислоты в растворе.

Решение. C н⁺ = 10^-рН = 1,58·10^{-3 М. Так как для серной кислоты С (Н+}) = 2· С (Н₂SО₄), то С (Н₂SО₄) = С н⁺/2 = 0,79·10^{-3 М.}

Пример 4 Определить концентрацию водородных и гидроксильных ионов, рОН и рН 0,05 М растворе NаОН.

Решение. При диссоциации 1 моль NаОН в растворе образуется 1 моль ионов ОН^-. Следовательно С он^- = С _NаОН = 0.05 М. рОН = - lg C но^- = - lg 0,05= 1,3. рН + рОН = 14 при 298 К, тогда рН = 14 – 1,3 = 12,7. Следовательно C н⁺ = 10^{-12,7 М.}

Задача 3.1 Определить рН растворов, в котором концентрация ионов ОН^- при 298 К равна:

а) 10^-5; б) 10^-8; в) 10^-2; г) 10^-10; д)1.

Задача 3.2 Определить концентрацию ионов ОН^- в растворе, если рН раствора при 298 К равен:

а) 10; б) 8,5; в) 11; г) 9,2; д) 0.

Задача 3.3 Определить рН растворов, в котором концентрация ионов Н⁺ при 298 К равна:

а) 10^-4; б) 10^-1; в) 10^-12; г) 10^-2; д) 10^-3.

Задача 3.4 Определить концентрацию Н⁺ ионов в растворе, если рН раствора при 298 К равен:

а) 0; б) 1; в) 5,5; г) 6; д) 7,5.

Задача 3.5 Определить рОН и растворов, в котором концентрация ионов ОН^- при 298 К равна:

а) 10^-9; б) 10^-11; в) 10^-6; г) 10^-8,5; д)10^-14.

Задача 3.6 Определить концентрацию ионов ОН^- в растворе, если рОН раствора при 298 К равен:

а) 4; б) 1; в) 11; г) 9,2; д) 8,3.

Задача 3.7 Насыщенный раствор Са(ОН)₂ содержит 1650 мг/л гидрата окиси кальция. Определить рН этого раствора, если он приготовлен на чистом дистилляте и молекулы Са(ОН)₂ полностью диссоциированы.

Задача 3.8 К раствору с рН = 5, прибавлено кислоты столько, что значение C н⁺ увеличилось в 10 раз. Определить рОН и рН полученного раствора.

Задача 3.9 Смешали равные объемы растворов НСl с рН = 3 и рН = 4. Определить C н⁺ и рН полученного раствора.

Задача 3.10 В 1 л дистиллированной воды растворили 0,4 г NаОН. Определить рН полученного раствора.

Задача 3.11 Определить рОН 0,01 н. раствора НСl.

Задача 3.12 Смешали равные объемы растворов NаОН с рН = 10 и рН = 11. Определить C он^-, рОН и рН полученного раствора.

Задача 3.13 рН раствора равен 2.Во сколько раз нужно изменить (уменьшить или увеличить) концентрацию ионов Н⁺, чтобы рН раствора стал равен 6.

Задача 3.14 рН раствора равен 12.Во сколько раз нужно изменить (уменьшить или увеличить) концентрацию ионов ОН^-, чтобы рН раствора стал равен 9.

Задача 3.15 рН раствора равен 3.Во сколько раз нужно изменить (уменьшить или увеличить) концентрацию ионов Н⁺, чтобы рОН раствора стал равен 13.

Задача 3.16 рОН раствора равен 6.Во сколько раз нужно изменить (уменьшить или увеличить) концентрацию ионов ОН^-, чтобы рН раствора стал равен 12.

Рекомендуемая литература

1) Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., стереот. – М.: Изд. дом МЭИ, 2006. – 309 с., ил.

2) Белан Ф.И. Водоподготовка: Расчеты, примеры, задачи. – М.: Энергия, 1980. 256., ил.

Поиск по сайту: