10.5: Вимірювання кислотності у водних розчинах-шкала рН

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21816

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Визначте шкалу рН і використовуйте її для опису кислот і підстав.

Знання кількості кислоти та основи в розчині надзвичайно важливо для широкого спектру застосувань, починаючи від пивоваріння пива чи вина до вивчення наслідків підкислення океану на здоров'я та медицину. Вчені добре вміють розраховувати і вимірювати концентрацію водню в розчині, однак, є більш зручний спосіб проведення порівнянь між розчинами — шкала рН.

Шкала рН

Однією з якісних показників міцності кислоти або розчину основи є шкала рН, яка заснована на концентрації іона гідронію (або водню) у водному розчині.

\[pH = -\log[H^+] \nonumber \]

або

\[pH = -\log[H_3O^+] \nonumber \]

Рисунок\(\PageIndex{1}\) illus оцінює цей зв'язок разом з деякими прикладами різних рішень. Оскільки концентрації іонів водню, як правило, менше одиниці (наприклад\(1.3 \times 10^{-3}\,M\)), той журнал числа буде від'ємним числом. Щоб з рН було ще простіше працювати, рН визначається як негативний журнал\([H_3O^+]\), який дасть позитивне значення для рН.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Взаємозв'язок між [H ⁺] та\(pH\) *значеннями для кількох поширених матеріалів.*

Нейтральний (ні кислий, ні основний) розчин має рН 7. РН нижче 7 означає, що розчин кислий, з більш низькими значеннями рН, що відповідають все більш кислим розчинам. РН більше 7 вказує на базовий розчин, з більш високими значеннями рН, що відповідають все більш основним розчинам. Таким чином, з огляду на рН декількох розчинів, можна констатувати, які з них кислі, які - основні, а які більш кислі або основні, ніж інші. Вони зведені в таблицю\ (\ pageIndex {1}.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Кислі, основні та нейтральні значення рН

Класифікація	Відносні концентрації іонів	рН при 25 °C
кислотні	[H ⁺] > [О ⁻]	рН < 7
нейтральний	[H ⁺] = [ОН ⁻]	рН = 7
основні	[H ⁺] < [ОН ⁻]	рН > 7

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Знайдіть рН, враховуючи\([H^+]\) наступне:

1 × 10 ^-3 М
2.5 × 10 ^-11 М
4.7 ×10 ^-9 М

Рішення

рН = - лог [Н ₃ О ⁺]

Підставляємо відому величину в рівняння і вирішуємо. Використовуйте науковий калькулятор для b і c.

рН = - журнал [1 × 10 ⁻³] = 3. 0 (1 десятковий розряд, оскільки 1 має 1 значну цифру)
рН = - журнал [2,5 ×10 ^-11] = 10. 60 (2 знака після коми, оскільки 2.5 мають 2 значущі цифри)
рН = - журнал [4,7 ×10 ^-9] = 8. 33 (2 знака після коми, оскільки 4.7 має 2 значущі цифри)

Зверніть увагу на значні цифри:

Оскільки число (и) перед десятковою крапкою у значенні рН відносяться до потужності на 10, кількість цифр після коми (підкреслена) - це те, що визначає кількість значущих цифр у підсумковій відповіді.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Знайдіть рН, враховуючи [H ⁺] наступного:

5.8 ×10 ^-4 М
1,0 × 10 ^-7 М

Відповідь

а. 3,24

б. 7.00

На\(\PageIndex{2}\) малюнку вказано рН декількох поширених розчинів. Найбільш кислотним серед перерахованих розчинів є 1 М HCl з найменшим значенням рН (0,0): акумуляторна кислота - наступний найбільш кислий розчин зі значенням рН 0,3. Найосновнішим є 1М розчин NaOH з найвищим значенням рН 14,0. Зверніть увагу, що деякі біологічні рідини (шлункова кислота і сеча) ніде не є нейтральними. Ви також можете помітити, що багато продуктів харчування є слабокислими. Вони кислі, оскільки містять розчини слабких кислот. Якби кислотними компонентами цих продуктів були сильні кислоти, їжа, швидше за все, була б неїстівна.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ділянка pH проти [H ⁺] для деяких поширених водних розчинів. Хоча багато речовин існують в діапазоні значень рН (вказані в дужках), вони побудовані з використанням типових значень.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Позначте кожен розчин як кислий, основний або нейтральний на основі лише заявленого\(pH\).

молоко магнезії, рН = 10,5
чиста вода, рН = 7
вино, рН = 3,0

Рішення

При рН більше 7, молоко магнезії є основним. (Молоко магнезії в основному Mg (OH) ₂.)
Чиста вода, з рН 7, нейтральна.
При рН менше 7 вино кисле.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Визначте кожну речовину як кислотну, основну або нейтральну на основі лише заявленого\(pH\).

людська кров з\(pH\) = 7,4
побутовий аміак з\(pH\) = 11,0
вишні з\(pH\) = 3,6

Відповідь

a. трохи базовий

б. базовий

c. кислий

Вимірювання рН

Розроблено інструменти, які роблять вимірювання рН простим і зручним (рис. 4.3.3 і 4.3.4). Наприклад, pH-папір складається з смужок паперу, просочених одним або декількома кислотно-основними показниками, які представляють собою інтенсивно забарвлені органічні молекули, кольори яких різко змінюються в залежності від рН розчину. Розміщення краплі розчину на смужку pH-паперу і порівняння його кольору зі стандартами дають приблизний рН розчину. Більш точний інструмент, рН-метр, використовує скляний електрод - прилад, напруга якого залежить від концентрації іонів Н ⁺ (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Кислотний дощ

Звичайна дощова вода має рН між 5 і 6 завдяки наявності розчиненого СО ₂, який утворює вугільну кислоту:

\[\ce{H2O (l) + CO2(g) ⟶ H2CO3(aq)} \label{14} \]

\[\ce{H2CO3(aq) \rightleftharpoons H^+(aq) + HCO3^- (aq)} \label{15} \]

_{Кислотний дощ - це дощова вода, яка має рН менше 5, завдяки різноманітним неметалевим оксидам, включаючи CO _{2, SO 2}, SO ₃, NO та NO ₂, розчиняються у воді і вступають в реакцію з нею, утворюючи не тільки вугільну кислоту, але сірчану кислоту та азотну кислоту.} Освіта і подальша іонізація сірчаної кислоти показані тут:

\[\ce{H2O (l) + SO3(g) ⟶ H2SO4(aq)} \label{16} \]

\[\ce{H2SO4(aq) ⟶ H^+(aq) + HSO4^- (aq)} \label{17} \]

Вуглекислий газ природним чином присутній в атмосфері, оскільки ми та більшість інших організмів виробляємо його як відхідний продукт обміну речовин. Вуглекислий газ також утворюється, коли пожежі виділяють вуглець, що зберігається в рослинності, або коли ми спалюємо деревину або викопне паливо. Триоксид сірки в атмосфері природним чином виробляється вулканічною активністю, але він також походить від спалювання викопного палива, що має сліди сірки, і від процесу «випалу» руд сульфідів металів в процесах переробки металів. Оксиди азоту утворюються в двигунів внутрішнього згоряння, де високі температури дозволяють азоту і кисню в повітрі хімічно поєднуватися.

Кислотні дощі є особливою проблемою в промислових районах, де продукти згоряння і виплавки виділяються в повітря, не позбавляючись від оксидів сірки та азоту. У Північній Америці та Європі до 1980-х років він відповідав за знищення лісів та прісноводних озер, коли кислотність дощу фактично вбивала дерева, пошкодила ґрунт та зробила озера непридатними для життя для всіх, крім самих кислотолерантних видів. Кислотні дощі також роз'їдають скульптурні і фасади будівель, які виготовлені з мармуру і вапняку (рис.\(\PageIndex{4}\)). Правила, що обмежують кількість оксидів сірки та азоту, які можуть виділятися в атмосферу промисловістю та автомобілями, зменшили тяжкість пошкодження кислотою як природних, так і техногенних середовищ у Північній Америці та Європі. Зараз це зростаюча проблема в промислових районах Китаю та Індії.

Показані дві фотографії. Фотографія зліва показує верхню частину дерев на тлі яскраво-синього неба. Верхівки кількох дерев у центрі фотографії мають голі гілки і здаються мертвими. На зображенні b зображена статуя людини, яка з'являється з епохи революційної війни або в мармурі або вапняку.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): (а) Кислотні дощі роблять дерева більш сприйнятливими до посухи та зараження комахами та виснажує поживні речовини в ґрунті. (б) Він також роз'їдає статуї, вирізані з мармуру або вапняку. (Кредит а: модифікація роботи Кріса М. Морріса; кредит б: модифікація роботи «Еден, Джанін і Джим» /Flickr)