§ 1. Что такое pH и как его считать

Начнём с того, что молекулы в растворах распадаются на заряженные частицы. Этот процесс называется диссоциацией. Например, если растворить поваренную соль (`NaCl`), произойдёт такой распад:

`NaCl harr Na^+ + Cl^-`

Как ни странно, вода также может диссоциировать:

`H_2O harr OH^(-) + H^+`

Однако вода диссоциирует очень слабо - к этому способна лишь одна молекула из миллионов. Другие молекулы могут быть более активными. Количество молекул вещества, которые диссоциируют на ионы определяется константой диссоциации. Константа диссоциации для воды расчитывается так:

`K_д = ([H^+][OH^-])/([H_2O])`

То есть это умноженные концентрации ионов, делённые на концентрацию не распавшихся (недиссоциировавших) молекул. Константа диссоциации для воды равна `1.8 * 10^(-16)`

От константы диссоциации воды можно придти к другому термину - ионному произведению воды. Как видно из названия, это произведение концентраций ионов, на которое распадается вещество.

`K_(H_2O) = [H^+][OH^-] = 10^(-14)`

Ионное произведение воды является константой. Как видно из уравнения диссоциации чистой воды, число частиц `H^+` равно числу частиц `OH^-`, а следовательно

`[H^+] = [OH^-] = 10^(-7)`

Теперь перейдём непосредственно к pH, который также называют водородным показателем. pH это просто отрицательный десятичный логарифм от концентрации ионов `H^+`. То есть

`pH = -lg[H^+]`

Таким образом, зная концентрацию ионов `H^+` и имея под рукой калькулятор, можно вычислить pH раствора. Так, pH чистой воды равен 7 (исходя из ионного произведения воды) то есть среда нейтральная. Если pH меньше 7, то раствор будет иметь кислую среду, если больше - то щелочную. Но почему кислоты дают именно кислую среду, а щёлочи - щелочную? Рассмотрим диссоциацию угольной кислоты:

`H_2CO_3 harr H^+ + HCO_3^-`

Как видно из этого уравнения, при диссоциации кислоты образуются ионы `H^+`. Соответственно, концентрация этих ионов увеличивается, а логарифм (как и pH) уменьшается. Если в растворе находится щёлочь (например гидроксид натрия), то концентрация ионов `H^+` уменьшается, так как образующиеся `OH^-` группы связываются с ними, pH при этом повышается:

`NaOH harr Na^+ + OH^-`
`OH^(-) + H^+ harr H_2O`

Минимальный pH равен 0, в то время как максимальный равен 14 (отрицательный логарифм от ионного произведения воды).

Иногда нам может быть неизвестна концентрация ионов `H^+`, например когда по условию задачи мы расстворяем щёлочь. Предположим, у нас есть 1 литр раствора, в котором содержится 0.1 моль гидроксида натрия и все молекулы распадаются на ионы. Тогда, согласно уравнению

`NaOH harr Na^+ + OH^-`

концентрация ионов `OH^-` также будет равна 0.1 моль/литр. Исходя из ионного произведения воды, мы можем вычислить концентрацию `H^+`:

`[H^+][OH^-] = 10^(-14)`
`[H^+]*0.1 = 10^(-14)`
`[H^+] = 10^(-14) / 0.1 = 10^(-13)`
`pH = -lg10^(-13) = 13`

Однако, в данном случае лучше пользоваться показателем pOH. pOH - это тот же обратный десятичный логарифм, но от концентрации ионов `OH^-`:

`pOH = -lg[OH^-]`

pH и pOH связаны отношением

`pOH + pH = 14`

Используя это, задачу можно решить так:

`pOH = -lg0.1 = 1`
`pH = 14 - pOH = 13`