Краткие теоретические сведения

Небольшая часть молекул воды диссоциирована на водородные и гидроксильные ионы. В химически чистой воде молярные концентрации упомянутых ионов равны друг другу, составляя при t 25 °С 10^-7 моль/л. Таким образом, величина произведения обеих концентраций равна 10^-14. Это произведение сохраняет постоянную величину и в присутствии веществ, при диссоциации которых освобождаются водородные и гидроксильные ионы. Поэтому вполне достаточно определить концентрацию одного из них. Практически определяют концентрацию водородных ионов.

Поскольку концентрация водородных ионов может достигать различной величины в пределах различных порядков, принято выражать ее величиной рН, представляющей отрицательный десятичный логарифм:

С_Н+ = 10^-рН; (1)

рН = -lgС_Н+; (2)

С_Н+·С_ОН- = 10^-14 (при t = 25 ⁰C) (3)

Определение концентрации водородных ионов осуществляется в интервале от 1 до 10^-14 моль\л, что соответствует величине рН от 0 до 14. Величина рН = 7 отвечает нейтральному состоянию раствора, понижение этой величины - кислотному, а повышение - щелочному.

Величина рН является важным показателем кислотности или щелочности воды и показывает содержание веществ, которые вызывают соответствующую кислотность или щелочность. Она служит вспомогательной величиной при различных аналитических расчетах.

В большинстве природных вод концентрация водородных ионов обусловлена лишь отношением между концентрациями свободной двуокиси углерода и гидрокарбонат-ионов. В этих случаях значение рН колеблется от 4,5 до 8,3. На величину рН может оказать влияние повышенное содержание гуминовых веществ, основных карбонатов и гидроокисей, образующихся вследствие поглощения СО₂ в процессе фотосинтеза, а в отдельных случаях - также и повышенное содержание солей, подверженных гидролизу и пр. В загрязненных поверхностных водах, кроме этого, могут содержаться и другие вещества, в том числе сильные кислоты и основания.

В зависимости от уровня рН воды можно условно разделить на несколько групп.

Величину рН определяют электрометрическим методом, измеряя потенциал, возникающий на соответствующем измерительном электроде.

Учитывая, что рН часто является результирующей величиной равновесия веществ переменного состава, рекомендуется производить определение немедленно после отбора пробы. Если это не выполнимо, то рекомендуется доставлять пробу к месту анализа с собой бутылке, наполненной по способу, описанному при определении кислотности.

Результаты определений выражают в рН и в отдельных случаях в миллиграмм-эквивалентах водородных или гидроксильных ионов в 1 л.

Методы определения значения pH

Для определения значения pH растворов широко используют несколько методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путем, проведением кислотно-основного титрования.

1. Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы - органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. К наиболее известным индикаторам принадлежатлакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и другие. Индикаторы способны существовать в двух по-разному окрашенных формах - либо в кислотной, либо в основной. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своем интервале кислотности, обычно составляющем 1-2 единицы.

Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через желтый, зеленый, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.

2. Использование специального прибора - pH-метра - позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H⁺ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.

3. Аналитический объемный метод - кислотно-основное титрование- также дает точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакция. Точка эквивалентности - момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, - фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объем добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.