КИСЛОТА ИЛИ ЩЕЛОЧЬ?

Рассказывая об электролитах, выше упомянуты понятия «кислота» и «щелочь». Отличительная особенность кислот — создание в растворе повышенной концентрации ионов водорода H+ (за счет электролитической диссоциации). Именно эти ионы придают кислый вкус растворам и
обусловливают целый ряд других свойств. Чем больше в растворе ионов водорода, тем более кислой будет вода. Главная особенность щелочей — увеличенное по сравнению с чистой водой содержание гидроксид-ионов ОН‾. Чем выше концентрация этих ионов, тем более щелочным является раствор.
Можно ли количественно оценить кислотные и щелочные свойства воды и этих растворов? Можно. Удобнее всего использовать для этого водородный показатель, который в аквариумной литературе иногда называют показателем активной реакции воды. Водородный показатель
обозначают символом pH. Его легко вычислить, если известна молярная концентрация ионов водорода в растворе c(H+) (в моль/л). Тогда
pH = -lg c(H+)

т. е. водородный показатель — это десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода, взятый со знаком «минус».
Чему равен водородный показатель в чистой воде? Его легко рассчитать, если воспользоваться рассмотренным нами понятием «ионное произведение воды». Как было сказано, в чистой воде концентрации ионов H+ и OH‾ равны, т. е. c(H+) = c(ОН‾). Учитывая, что c(H+) • c(ОН‾) = 10-14, получаем:
c(H+) • c(ОН‾) = (10-14)[sup]1/2[/sup] =107 моль/л.

Теперь можно рассчитать водородный показатель
pH = - lg c(H+);
pH = - lg 10-7 = 7.

Таким образом, в чистой воде значение водородного показателя равно 7. Водная среда с таким значением pH называется нейтральной.
Теперь предположим, что в воду добавили кислоту, например, соляную HCl. Кислота диссоциирует на ионы:
HCl = H+ + Cl‾

Из уравнения следует, что в растворе увеличивается концентрация ионов H+, причем тем сильнее, чем больше мы добавим кислоты. Следует отметить, что концентрация ионов ОН‾ при этом уменьшается за счет образования воды из ионов:
OH‾ + H+ = H2O

Как изменится pH при этом? Очевидно, что pH будет уменьшаться, причем он будет тем меньше, чем больше концентрация кислоты. Таким образом, в кислой среде значение pH меньше 7.
Если в воде растворить щелочь, например, NaOH, то в результате процесса диссоциации
NaOH = Na+ + ОН‾

в растворе увеличится концентрация ионов ОН‾. Учитывая, что произведение c(H+) • c(OH‾) должно оставаться постоянным (ионное произведение воды), делаем вывод: концентрация ионов H+ падает, а pH растет, т. е. становится больше 7.
В аквариумной литературе различные интервалы pH получили следующие названия:
pH < 3 — сильно—кислая вода;
pH 3—5 — кислая;
pH 5—б — слабокислая;
pH 6—7 — очень слабокислая;
pH 7 — нейтральная;
pH 7—8 — очень слабощелочная;
pH 8—9 — слабощелочная;
pH 9—10 - щелочная и pH > 10 — сильнощелочная.

Пример. Водородный показатель воды в двадцатилитровом аквариуме равен 7. Рассчитайте объем 0,5% —ной соляной кислоты, которую надо внести в воду, чтобы pH стал равным 6. Плотность раствора кислоты принять равным 1 г/л.
Решение. Определяем концентрацию ионов H+ в воде, которую надо приготовить:
c(H+) = 10‾pH;
c(H+) = 10-6 моль/л.

Т.к. при диссоциации одной молекулы кислоты образуется один ион водорода (HCl = H+ + Cl‾), можно считать, что концентрация кислоты, которую надо создать в растворе, должна быть равна концентрации ионов водорода: c(HCl) = c(H+) = 10-6 моль/л (концентрацией ионов водорода, образующихся при диссоциации воды, можно пренебречь).
Определяем массу HCl, которая должна содержаться в растворе:
m(HCl) = c(HCl) • V • M(HCl);
m(HCl) = 10-6 моль/л • 20 л • 36,5 г/моль=7,3 • 10-4 г.

Рассчитываем массу 0,5% — ного раствора кислоты, в котором содержится 7,3 • 10-4 г HCl.
m = (m(HCl) • 100)/w(HCl);
m = ((7,3 • 10-4 г)• 100)/0.5 = 0,146 г

Наконец, зная, что плотность раствора равна 1 г/мл, определяем, что в аквариум надо внести 0,146 мл 0,5% —наго раствора HCl.

Следует отметить, приведенный расчет справедлив лишь для совершенно чистой воды. Например, если в аквариум налить дистиллированную воду, то, внеся рассчитанное количество кислоты, можно достичь требуемого значения pH. Если в аквариуме используется водопроводная вода или вода из природных водоемов, в которых растворены различные соединения, внесение рассчитанного количества кислоты не приведет к желаемому сдвигу pH. В ряде случаев необходимое изменение pH не достигается даже при внесении кислоты в десятикратном размере по сравнению с рассчитанным количеством. Это происходит потому, что вода с растворенными в ней веществами обладает буферными свойствами, т. е. является буферным раствором.
Буферные растворы — это такие растворы, pH которых почти не зависит от разбавления и почти не меняется при добавлении к ним небольших количеств кислот и щелочей. Наиболее распространенные буферные растворы содержат, как правило, слабую кислоту (CH3COOH, H2СO3, H3PO4 и др.) и соль этой же кислоты. Например, буферными свойствами обладают смеси кислых и
средних солей одной кислоты или смеси двух кислых солей, например NaHCO3 + Na2CO3,NaH2PO4 + Na2HPO4. Смеси небольших равных количеств NaH2PO4 и Na2HPO4 (или соответствующих калиевых солей) позволяют поддерживать реакцию воды, близкую к нейтральной (pH в интервале от 6,5 до 7,5).
Так называемый аммиачный буфер образует водный раствор аммиака и какая-нибудь соль аммонии: NH4ОН + NH4Cl. Буферные свойства аквариумной воды обусловлены содержанием в ней углекислоты H2СO3 и ее кислых солей Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Буферные растворы находят применение в тех случаях, когда надо поддержать определенное значение pH. Они могут быть использованы аквариумистами при лечении рыб, обеззараживании водной растительности, при
борьбе с вредителями аквариума, проведении химического анализа аквариумной воды и т.д.


--------------------