Διδακτικά Βιβλία του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου
3.3 Ιοντισμός οξέων, βάσεων και νερού - pH
Ιοντισμός του νερού - pH
Το καθαρό νερό δεν αποτελείται αποκλειστικά και μόνο από μόρια νερού. Μετρήσεις μεγάλης ακρίβειας της αγωγιμότητας του νερού, έδειξαν ότι στο καθαρό νερό υπάρχουν ιόντα Η3Ο+ (οξωνίου) και ΟΗ- (υδροξειδίου). Τα ιόντα αυτά προκύπτουν λόγω του ιοντισμού του νερού, σύμφωνα με το σχήμα:
Η αμφίδρομη αντίδραση ιοντισμού του νερού: H2O + H2O [pic] H3Ο+ + OH- έχει μια σταθερά χημικής ισορροπίας, η οποία ονομάζεται σταθερά ιοντισμού ή γινόμενο ιόντων του νερού, συμβολίζεται με Kw και δίνεται από τη σχέση, Kw = [H3O+] [OH-]
Στη σχέση αυτή δεν αναγράφεται η συγκέντρωση του νερού, όπως γενικώς συμβαίνει σε όλους τους νόμους χημικής ισορροπίας αραιών υδατικών ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων. Η συγκέντρωση του νερού θεωρείται σταθερή και ίση με: [Η20]= [pic] ή [pic] Μ, κάνοντας την παραδοχή, ότι σε 1 L νερού περιέχονται 1000 g νερού, δηλαδή ότι το διάλυμα είναι πολύ αραιό και ότι η πυκνότητα του νερού είναι ρ =1 g mL-1 (25 oC) Η Kw, όπως γενικώς συμβαίνει στις σταθερές ισορροπίας αραιών υδατικών διαλυμάτων, μεταβάλλεται μόνο με τη θερμοκρασία. Μάλιστα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, καθώς οι αντιδράσεις ιοντισμού είναι ενδόθερμες. Στους 25 οC ισχύει: Kw = 10-14 (25 oC)
Επίσης οι μονάδες του Kw (mol2/L2) χάριν ευκολίας παραλείπονται, όπως συνήθως γίνεται και στις άλλες σταθερές ισορροπίας. Εδώ θα πρέπει να επισημάνουμε, ότι η ισορροπία ιοντισμού του νερού γίνεται σε όλα τα υδατικά διαλύματα, ως εκ τούτου σε κάθε υδατικό διάλυμα ισχύει η σχέση: [Η3Ο+] [ΟΗ-] = 10-14 (στους 25 oC) Στο καθαρό νερό: αν θέσουμε [Η3Ο+] = [ΟΗ-] = x Μ, τότε x2 = 10-14 ή x = 10-7 Μ. Δηλαδή,
- Στο καθαρό νερό στους 25 oC έχουμε: [Η3Ο+] = [ΟΗ-] =10-7 Μ
- Σε ένα υδατικό διάλυμα στους 25 oC που περιέχει οξύ έχουμε: [Η3Ο+] >10-7 Μ και [ΟΗ-] < 10-7 Μ.
Π.χ. αν [Η3Ο+] = 10-5 Μ, τότε από τη σχέση [Η3Ο+] [ΟΗ-] = 10-14 προκύπτει ότι [ΟΗ-] = 10-9 Μ. Παρατηρούμε, δηλαδή, ότι στα όξινα υδατικά διαλύματα υπάρχουν και ιόντα ΟΗ- που προκύπτουν από τον αυτοϊοντισμό του νερού. Αντίστοιχα,
- Σε ένα βασικό υδατικό διάλυμα στους 25 oC έχουμε: [ΟΗ-] > 10-7 M και [Η3Ο+] < 10-7 M.
Συνοπτικά καταλήγουμε στον ακόλουθο πίνακα:
Σε όλα τα υδατικά διαλύματα / 25 ?C: - [Η3Ο+] [ΟΗ-] = Kw = 10-14 Σε ουδέτερα διαλύματα και στο νερό / 25 ?C - [Η3Ο+] = 10-7 M = [ΟΗ-] Σε όξινα διαλύματα / 25 ?C - [Η3Ο+] > 10-7 M > [ΟΗ-] Σε βασικά (αλκαλικά) διαλύματα / 25 οC - [Η3Ο+] < 10-7 M < [ΟΗ-]
Επεκτείνοντας την έννοια του pH ορίζουμε: pKw = -logKw pKa = -logKa pKb = -logKb
Πολλά φυσικοχημικά φαινόμενα εξαρτώνται από την οξύτητα, δηλαδή την συγκέντρωση των Η3Ο+ του διαλύματος. Για τη διευκόλυνση των υπολογισμών της συγκέντρωση Η3Ο+ ο Sorensen εισήγαγε το 1909 την έννοια του pH:
- Το pH ( πε-χά) ορίζεται ως ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της αριθμητικής της συγκέντρωσης των ιόντων Η3Ο+ σε ένα υδατικό διάλυμα.
pH = - log [H3Ο+] δηλαδή, αν [Η3Ο+] = 10-3 Μ, τότε pH = -log 10-3 = 3. Ομοίως ορίστηκε το pOH (πε-οχά): pΟH = - log [ΟH-] και γενικά pX = - logX. Με βάση τα παραπάνω καταλήγουμε στον πίνακα:
Σε όλα τα υδατικά διαλύματα / 25 ?C: - pH + pOH = 14 Σε ουδέτερα διαλύματα και στο νερό / 25 ?C - pH = 7 = pOH Σε όξινα διαλύματα / 25 ?C - pH < 7 < pOH Σε βασικά (αλκαλικά) διαλύματα / 25 ?C - pH > 7 > pOH
Δηλαδή, σε όλα τα υδατικά διαλύματα υπάρχουν Η3Ο+ και ΟΗ-. Αν σε μια άσκηση μας ζητάνε να υπολογίσουμε τις τιμές των : [Η3Ο+], [ΟΗ-], pH και pOH, είναι προφανές ότι αν βρούμε την τιμή ενός εξ’ αυτών, εύκολα μπορούμε να βρούμε τις τιμές των υπολοίπων. Π.χ. αν γνωρίζουμε ότι [ΟΗ-] = 10-3 Μ εύκολα υπολογίζουμε την τιμή [Η3Ο+] = 10-11 Μ και στη συνέχεια των pH = 11 και pOH = 3.
Η γνώση της τιμής του pH είναι πρωταρχικής σημασίας στη βιομηχανία, αναλυτική χημεία, βιοχημεία, ιατρική κλπ. Για παράδειγμα τα διάφορα υγρά στον οργανισμό μας, όπως το αίμα, το γαστρικό υγρό κλπ. θα πρέπει να έχουν περίπου σταθερό pH ή να μεταβάλλονται σε αυστηρά καθορισμένα όρια pH. Επίσης στη βιομηχανία πολλές χημικές - βιοχημικές διεργασίες γίνονται σε καθορισμένο pH και τα παραγόμενα προϊόντα πολλές φορές ελέγχονται με βάση την τιμή του pH. Ο προσδιορισμός του pH γίνεται σε πρώτη προσέγγιση με τη βοήθεια των δεικτών, που θα εξετάσουμε παρακάτω, ή ακριβέστερα με τη βοήθεια ενός οργάνου που λέγεται πεχάμετρο. Το πεχάμετρο είναι από τα πλέον δημοφιλή και απαραίτητα όργανα σε κάθε χημικό εργαστήριο.