Водородный показатель рН. Индикаторы

Как было указано выше, в 1 л чистой воды при комнатной температуре содержится 1 · 10⁻⁷ моль катионов водорода и 1 · 10⁻⁷ моль гидроксид−ионов. Поскольку оперировать числами такого порядка неудобно, для количественной характеристики кислотности среды используют так называемый водородный показатель рН ("пэ аш", от латинского "пундус гидрогениум" − "вес водорода"), равный отрицательному десятичному логарифму молярной концентрации катионов водорода в растворе:

pH = −lg c(H⁺)

Каждое значение рН отвечает определенному содержанию катионов водорода в 1 л раствора. В чистой воде и в нейтральных растворах, где концентрация катионов водорода составляет 1 · 10⁻⁷ моль, значение рН равно 7. В растворах кислот содержание катионов водорода увеличивается, а содержание гидроксид-ионов уменьшается, в растворах щелочей наблюдается обратная картина. В соответствии с этим меняется и значение водородного показателя (рН).

Кислоты, попадая в воду, диссоциируют, и концентрация катионов водорода становится больше 1 · 10⁻⁷ моль. Сильные кислоты в водной среде диссоциируют необратимо. Например, хлороводородная кислота полностью превращается в катионы водорода H⁺ и хлоридные анионы Cl⁻:

HCl = H⁺ + Cl⁻

Если в 1 л водного раствора содержится 1 · 10⁻² моль HCl, то катионов водорода H⁺ в этом объеме тоже 1 · 10⁻² моль. Значение водородного показателя (рН) для этого раствора оказывается равным 2. Когда в том же объеме раствора содержится 1 · 10⁻³ моль HCl, то катионов H⁺ становится уже 1 · 10⁻³ моль (рН = 3), если хлороводородной кислоты 1 . 10⁻⁴ моль, то содержание H⁺ равно 1 · 10⁻⁴ моль (рН = 4), и т.д.

Диссоциация слабых кислот, например угольной H₂CO₃, протекает обратимо, и далеко не все присутствующие в растворе молекулы H₂CO₃ превращаются в катионы H⁺ и анионы HCO₃⁻. Тем не менее катионов H⁺ в растворах таких кислот больше, чем в чистой воде (например, 1 · 10⁻⁵ или 1 · 10⁻⁶ моль в каждом литре раствора). Таким образом, концентрация катионов водорода в растворах кислот в растворе всегда больше, чем 1 · 10⁻⁷ моль/л, а рН − меньше 7.
Водородный показатель рН, меньший 7, отвечает кислотной среде раствора.

Если рН находится в интервале 5−7, то среда раствора считается слабокислотной, если рН меньше 5, то сильнокислотной: чем сильнее кислота, тем ниже значение рН.

В результате диссоциации оснований в водном растворе появляются гидроксид-ионы, которые связывают катионы водорода, присутствующие в чистой воде, и уменьшают их количество в щелочном растворе:

NaOH = Na⁺ + OH⁻

Растворение в 1 л воды 1 · 10⁻² моль сильного основания − гидроксида натрия NaOH − приводит к появлению 1 · 10⁻² моль гидроксид-ионов. Содержание катионов водорода в полученном растворе оказывается равным 1 · 10⁻¹² моль, а рН принимает значение 12. Если в 1 л воды растворить 1 · 10⁻³ моль NaOH, то гидроксид-ионов получится 1 · 10⁻³ моль (1 · 10⁻¹¹ моль катионов H⁺, рН = 11). Растворение в том же объеме 1 · 10⁻⁴ моль NaOH даст 1 · 10⁻⁴ моль OH⁻ (1 · 10⁻¹⁰ моль катионов H⁺, рН = 10), и т.д.

Таким образом, в растворах оснований концентрация катионов водорода всегда меньше 1 · 10⁻⁷ моль/л, а водородный показатель рН − всегда больше 7. Среда в таких растворах щелочная.

Для растворов сильных оснований, диссоциация которых идет необратимо, значение рН будет существенно выше 7.

Диссоциация слабых оснований, например, гидрата аммиака, протекает лишь частично, гидроксид-ионов в этом случае образуется меньше, и рН не столь заметно превышает значение, характерное для нейтральной среды. Раствор считается слабощелочным при рН от 7 до 9 и сильнощелочным при рН выше 9.

Значения водородного показателя (рН) водных растворов распространенных веществ обычно находятся в интервале от 1 до 13.
Приближенно оценить рН растворов можно с помощью кислотно-основных индикаторов. Для более точного измерения водородного показателя используют приборы − рН-метры.

Индикаторы

Индикаторы − органические вещества, принимающие характерную окраску в нейтральной, кислотной и щелочной среде, в зависимости от значения рН.

Метилоранж, или метиловый оранжевый (индикатор на кислотную среду) становится розовым в сильнокислотном растворе, а фенолфталеин (индикатор на щелочную среду) − малиновым в сильнощелочном растворе.