logo
Химическая характеристика природных вод - объектов эколого-аналитического контроля

2. Водородный показатель рН, влияние малых концентраций кислот и щелочей на рН природной воды

Для всего живого в воде минимально возможная величина рН=5, дождь, имеющий рН<5,5, считается кислотным. В питьевой воде допускается рН= 6,0-9,0, в воде водоемов хозяйственно-бытового и культурно-бытового водопользования - 6,5-8,5.

Водородный показатель рН является наиболее значимым показателем качества воды. Для всего живого в воде (за исключением некоторых бактерий) минимально допустимая величина рН=5. В питьевой воде допускается рН 6,0 - 9,0. В воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения допускается рН 6,5 - 8,5.

(1)

Для химически чистой воды величину водородного показателя можно определить экспериментально или рассчитать, используя величину - ионного произведения воды. Вода - типичный амфотерный электролит, электролитическая диссоциация которого отражается уравнениями вида:

(2)

Константа ионизации воды равна 1,810-16 (при температуре 250С). Если рассматривать 1 л воды (1000 г), то ее «молярная концентрация» будет равна:

моль/л (3)

(4)

(5)

В химически чистой воде есть величина постоянная, при этом концентрации ионов гидроксония () и гидроксил-ионов () равны и составляют по 10-7 моль/л. Химически чистая вода имеет (среда нейтральная).

В природной воде значение водородного показателя может быть больше или меньше 7. Если концентрация ионов гидроксония в природной воде значительно больше концентрации гидроксил-ионов, то и среда кислая. Если больше концентрация гидроксил-ионов, то и среда щелочная.

Влияние растворенных кислот и оснований на рН природной воды.

Если в природной воде присутствуют кислоты или основания, то отклонение рН от значения 7 будет зависеть от концентрации соответствующего соединения в таком растворе.

Известно, что величину рН можно рассчитать.

Пример 1. Определить концентрацию Н+ и рН раствора при 220С, если концентрация гидроксид-иона равна 210-4 моль.

Решение: Величина ионного произведения воды при 220С равна 0,8110-14.

моль/л

Пример 2. Как изменится концентрация ионов Н+, если температура воды увеличилась от 200С до 900С?

Решение. При изменении температуры изменяется величина ионного произведения воды.

Таблица 6

t0C

KW

t0C

KW

0

0,1110-14

0,3310-7

35

2,0910-14

1,4510-7

5

0,1710-14

0,4210-7

40

2,9510-14

1,7010-7

10

0,3010-14

0,5410-7

50

5,5010-14

2,3410-7

15

0,4610-14

0,6810-7

60

9,5510-14

3,0910-7

18

0,6010-14

0,7710-7

70

15,8010-14

3,9810-7

20

0,6910-14

0,8310-7

80

25,110-14

5,0110-7

22

0,8110-14

0,8910-7

90

38,010-14

6,1710-7

25

1,0010-14

1,0010-7

100

55,010-14

7,4110-7

30

1,4810-14

1,2210-7

;

Концентрация увеличилась в 8 раз:

Пример 3. Концентрация ионов Н+ в растворе равна 410-4 моль/л. Вычислить

Водородный поазатель рН и гидроксильный показатель рОН.

Решение. ;

;

Пример 4. Вычислить рН природной воды, содержащей 10-4 моль/л сильной одноосновной кислоты (соляной).

Решение. Соляная кислота - сильный электролит, в растворе полностью ионизиро ванный:

Концентрация иона гидроксония при этом практически равна исходной молярной концентрации соляной кислоты. Концентрация (или ), образующегося при ионизации молекул воды, пренебрежимо мала и может не учитываться в расчетах:

; ;

Пример 5. Определить рН воды, содержащей 0,003 моль/л угольной кислоты.

Решение: угольная кислота диссоциирует в растворе в несколько ступеней:

(первая ступень),

(вторая ступень),

Константа диссоциации по второй ступени значительно меньше константы диссоциации кислоты по первой ступени, потому концентрацию Н+ следует определять по первой ступени.

; ;

моль/л ;

Пример 6. Вычислить рН природной воды, содержащей: а) 210-7 моль/л сильной одноосновной кислоты (соляной).

Решение; в области не очень малых концентраций кислоты ( до 10-6 моль/л ) концентрацией ионов Н+ (Н3О+), образующихся при диссоциации молекул воды, можно пренебречь. В области очень малых концентраций надо учитывать электролитическую диссоциации воды, как электролита.

Приближенное вычисление рН (без учета ионизации воды):

моль/л;

Более точное вычисление с учетом влияния воды как электролита:

Из уравнений ионизации кислоты и воды (приведен упрощенный вид соответствующих уравнений) следует, что равновесие ионизации воды в растворе сильной соляной кислоты будет смещено влево из-за влияния иона Н+:

Обозначим - концентрацию иона Н+, образующегося при ионизации воды в присутствии кислоты. Тогда общая концентрация иона Н+ в растворе будет равна сумме концентраций этого иона, образующегося при ионизации кислоты и при ионизации воды:

Ионное произведение воды , откуда:

моль/л

Чем меньше концентрация сильной кислоты в растворе, тем больше разница между результатами приближенных и более точных растворов.

Аналогичные результаты можно получить и для растворов сильных оснований.

Расчетные значения рН в разбавленных растворах и :

Таблица 7

Концентрация растворов, моль/л

110-6

510-7

210-7

110-7

510-8

210-8

110-8

510-9

510-9

рН в присутствии

5,996

6,29

6,70

6,80

6,90

6,96

6,98

6,99

7,00

рН в присутствии

8,004

7,71

7,35

7,20

7,10

7,04

7,02

7,01

7,00

В случае слабых кислот или оснований раствор приобретает нейтральную реакцию при значительно больших концентрациях электролита.

Значение водородного показателя рН природных вод, содержащих примеси кислот и оснований (сильных и слабых) стремится к 7 (при отсутствии контакта воды с СО2 воздуха).

Экспериментально достоверно обнаружить кислую или щелочную реакцию среды можно при концентрациях сильных кислот и оснований в воде не ниже 10-8 моль/л. Часто говорят, что растворы кислот окрашивают лакмус в красный цвет, а растворы щелочей - в синий цвет. В общей форме это неверно, так как очень разбавленные растворы кислот и щелочей такой способностью не обладают. Эта способность связана не только со свойствами электролита, но и с его концентрацией. Следовательно, природная вода может содержать кислоты и основания, но присутствие их при помощи индикатора обнаружить невозможно.