Водородный показатель pH и среда раствора

Капни лимонного сока на полоску универсальной индикаторной бумаги, и она покраснеет. Раствор питьевой соды окрасит такую же полоску в зеленовато-голубой цвет. Цвет полоски — грубая шкала pH. Индикатор в бумаге — смесь нескольких красителей, каждый из которых меняет окраску в своём интервале кислотности, поэтому полоска проходит от красного через жёлтый и зелёный к синему и фиолетовому, когда раствор становится всё более щелочным.

Опыт с индикаторной бумагой раскладывает кухонные растворы по кислотности

1. Налей в четыре стакана немного воды и подпиши их.

2. В первый выжми лимонный сок, во второй ничего не добавляй, в третий насыпь ложку питьевой соды NaHCO₃, в четвёртый настругай хозяйственного мыла.

3. Опусти в каждый стакан полоску универсальной индикаторной бумаги и сразу сравни цвет со шкалой на упаковке.

4. Запиши среду: у лимонного сока кислая, у воды близкая к нейтральной, у соды слабощелочная, у мыла щелочная.

Результат с содой многих сбивает. Питьевая сода NaHCO₃ — кислая соль, а раствор у неё слабощелочной. Слово «кислая» в названии соли говорит о составе, где остался атом водорода кислоты, и ничего не говорит о среде.

Сёренсен связал кислотность с концентрацией ионов водорода

Датский химик Сёрен Сёренсен в 1909 году ввёл водородный показатель: pH = −lg[H⁺]. Он изучал ферменты в лаборатории пивоваренной компании «Карлсберг» в Копенгагене и видел, что их работа сильно зависит от кислотности. Логарифм превратил неудобные числа вроде 0,0000001 моль/л в простое число 7.

Вода сама слабо распадается на ионы: H₂O ⇄ H⁺ + OH⁻. При 25 °C произведение [H⁺] · [OH⁻] равно 10⁻¹⁴, это ионное произведение воды. В нейтральной среде обе концентрации одинаковы и равны 10⁻⁷ моль/л. Отсюда pH = 7.

Шкала логарифмическая. Изменение pH на единицу означает, что ионов H⁺ стало в 10 раз больше или меньше. Раствор с pH 3 содержит их в 1000 раз больше, чем раствор с pH 6.

Для щелочей удобна вторая формула: pH + pOH = 14 при 25 °C. Сначала по концентрации OH⁻ находят pOH, потом вычитают его из 14.

Задача 1. В 1 л раствора содержится 0,365 г хлороводорода. Вычисли pH раствора.

1. M(HCl) = 36,5 г/моль, n(HCl) = 0,365 / 36,5 = 0,01 моль.

2. Соляная кислота сильная и диссоциирует полностью: HCl → H⁺ + Cl⁻. Значит, [H⁺] = 0,01 моль/л, то есть 10⁻² моль/л.

3. Показатель степени равен −2, поэтому pH равен 2.

Ответ: pH = 2, среда кислая.

Так просто считают только сильные кислоты. Уксусная кислота CH₃COOH той же концентрации 0,01 моль/л распадается на ионы лишь частично, ионов H⁺ в растворе намного меньше 0,01 моль/л, и pH выходит выше 2.

Задача 2. Растворили 0,4 г гидроксида натрия и довели объём раствора водой до 1 л. Вычисли pH.

1. M(NaOH) = 40 г/моль, n(NaOH) = 0,4 / 40 = 0,01 моль.

2. Щёлочь диссоциирует полностью, [OH⁻] = 0,01 моль/л, то есть 10⁻² моль/л, и pOH равен 2.

3. pH = 14 − 2 = 12.

Ответ: pH = 12, среда щелочная.

Среду раствора соли задаёт гидролиз

Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой, даёт щелочную среду. Анион слабой кислоты отнимает у воды ион водорода: CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻. Так ведут себя растворы Na₂CO₃, K₂S и той же питьевой соды.

Соль сильной кислоты и слабого основания даёт кислую среду. Здесь с водой реагирует катион: NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃ · H₂O + H⁺. Кислые растворы у NH₄Cl, AlCl₃, ZnSO₄. Ион аммония связывает гидроксид-ионы воды в слабое основание, а освободившиеся ионы водорода остаются в растворе, поэтому лакмус в растворе нашатыря NH₄Cl краснеет, хотя ни одной кислоты туда никто не наливал.

Соли сильных кислот и сильных оснований гидролизу не подвергаются. У растворов NaCl, KNO₃, Na₂SO₄ среда нейтральная.

В задачах на pH чаще всего путают направление шкалы

• ❌ Раствор с pH 3 «в два раза кислее», чем с pH 6 → ✅ разница в 3 единицы означает 10 · 10 · 10 = 1000 раз.

• ❌ Раствор любой соли нейтрален → ✅ у Na₂CO₃ среда щелочная, у AlCl₃ кислая.

• ❌ При разбавлении кислоты водой pH уменьшается → ✅ pH растёт и приближается к 7, но выше 7 не поднимается.

• ❌ Для щёлочи сразу берут −lg[OH⁻] как pH → ✅ это pOH, а pH = 14 − pOH.

Задача 3. Расположи растворы одинаковой концентрации 0,1 моль/л в порядке возрастания pH: NaOH, NH₄Cl, HCl, Na₂CO₃, NaCl.

1. HCl — сильная кислота, [H⁺] = 0,1 моль/л, pH равен 1.

2. NH₄Cl гидролизуется по катиону, среда слабокислая: pH меньше 7, но больше, чем у HCl.

3. NaCl не гидролизуется, pH равен 7.

4. Na₂CO₃ гидролизуется по аниону, среда щелочная, pH больше 7.

5. NaOH — сильная щёлочь, pOH равен 1, pH = 14 − 1 = 13.

Ответ: HCl, NH₄Cl, NaCl, Na₂CO₃, NaOH.

pH крови и дождя держится в узких рамках

У крови человека pH 7,35–7,45, среда слабощелочная. Организм удерживает это значение буферными системами, и сдвиг даже на несколько десятых требует срочной медицинской помощи.

Чистая дождевая вода слегка кислая, потому что в ней растворён углекислый газ. Кислотными называют дожди с pH ниже 5,6. Их дают оксиды серы и азота из дымовых труб и выхлопных газов: в каплях они превращаются в серную и азотную кислоты. Такие дожди разрушают известняк и мрамор, подкисляют озёра и вымывают из почвы питательные вещества, причём выпадают они часто далеко от заводов, которые дали выбросы.