Чистая вода, не содержащая примеси, обладает вполне измеримой электропроводностью, так как молекулы ее, хотя и незначительно, все же распадаются на ионы. Вода является типичным амфотерным электролитом: H2O + H2O ↔ H3O+ + ОН-
кислота1 основание2 кислота2 основание1
Такой процесс ионизации, воды становится понятным, если учесть, что стереохимия молекулы воды определяется конфигурацией из четырех внешних электронных пар вокруг центрального атома кислорода, из четырех две пары связывающие и две неподеленные.
Из четырех внешних электронных пар, окружающих ядро атома кислорода, две пары обобществлены между ядром кислорода и двумя протонами водорода, а две пары электронов кислорода остаются неподеленными; они направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра, в центре которого расположен ион кислорода. При равновесном положении ядер молекулы воды в парообразном состоянии имеют следующие характеристики: расстояние между атомами кислорода и водорода в воде равно 0,0958 нм; расстояние между атомами водорода равно 0,1515 нм; угол между атомом кислорода и атомами водорода равен 104°27΄; дипольный момент молекулы воды составляет 1,86 (дебая), или 1,86 · 10-18 электростатических единиц.
При взаимной ориентации двух молекул воды вследствие притяжения протона одной из неподеленных электронных пар кислорода связь между кислородом и протоном Н+, расположенным по оси ориентации, ослабляется и становится возможным протекание реакции (рис. 3.1). Следовательно, ион водорода Н+ в водных растворах существует в виде иона гидроксония H3O+. Однако в целях упрощения записей в расчетах вместо Н3О+ пишут Н+, так как такая замена не влияет на результаты вычисления.
По электропроводности можно вычислить активность ионов Н+ и ОН- и константу ионизации воды. Ионизация воды представляет собой обратимый процесс, который схематично представляется так:
Следовательно, для чистой воды, так же как и для сильно разбавленных растворов электролитов, произведение концентраций водородных и гидроксильных ионов практически равно ионному произведению воды:
[Н+] · [ОН-] = Кн2о
Ионизация воды является эндотермическим процессом, протекающим с поглощением теплоты. Поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье при повышении температуры равновесие ионизации смещается в сторону образования ионов, что приводит к увеличению Кн2о Концентрация ионов [Н+] и [ОН-] изменяется в обратной пропорциональной зависимости относительно друг друга, но никогда не становится равной нулю:
Характеризовать кислотность и основность растворов концентраций ионов водорода, выражаемых числами с отрицательными показателями степени, оказалось практически неудобным. Поэтому
С. П. Зеренсен предложил реакцию водных растворов характеризовать водородным показателем :
рН = - lg [H +]
В нейтральной среде рН = 7 (при 25 °С), в кислой среде рН < 7, в щелочной среде рН > 7. Чем меньше величина рН, тем больше концентрация ионов водорода, тем больше кислотность раствора.
При анализах, а также в технологических процессах многих химических производств большое значение имеет концентрация водородных ионов. Поэтому аналитику приходится часто или определять рН растворов опытным путем, или же вычислять теоретически