Ио́нное произведе́ние воды́ — произведение концентраций ионов водорода Н⁺ и ионов гидроксила OH⁻ в воде или в водных растворах, константа автопротолиза воды

Вывод значения ионного произведения воды

Вода, хотя и является слабым электролитом, в небольшой степени диссоциирует:

Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле:

где:

[H⁺] — концентрация ионов гидроксония (протонов);
[OH⁻] — концентрация гидроксид-ионов;
[H₂O] — концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;

Концентрация воды в воде, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,56 моль/л.

При 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8·10⁻¹⁶моль/л. Уравнение (1) можно переписать как:

Обозначим произведение K·[H₂O] = K_в = 1,8·10⁻¹⁶ моль/л·55,56 моль/л = 10⁻¹⁴моль²/л² = [H⁺]·[OH⁻] (при 25 °C).

Константа K_в, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды. Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и K_в, при понижении температуры — наоборот.

Водородный показатель (рН)

В воде всегда присутствует немного катионов водорода и гидроксид-ионов, которые образуются в результате обратимой диссоциации:

H₂O H⁺ + OH^-

В 1 л чистой воды при комнатной температуре содержится 1 ^.10-7 моль катионов водорода и 1 ^.10-7 моль гидроксид-ионов.
Поскольку оперировать числами такого порядка неудобно, для количественной характеристики кислотности среды используют так называемый водородный показатель рН ("пэ аш", от латинского "pundus hydrogenium" - "вес водорода"). Каждое значение рН отвечает определенному содержанию катионов водорода в 1 л раствора.
В чистой воде и в нейтральных растворах, где в 1 л содержится 1 ^.10^-7 моль катионов водорода, значение рН равно 7.
В растворах кислот содержание катионов водорода увеличивается, а содержание гидроксид-ионов уменьшается, в растворах щелочей наблюдается обратная картина. В соответствии с этим меняется и значение водородного показателя (рН).
Кислоты, попадая в воду, диссоциируют, и содержание катионов водорода в расчете на 1 л раствора становится больше 1 ^.10^-7 моль.
Сильные кислоты в водной среде диссоциируют необратимо. Например, хлороводородная кислота полностью превращается в катионы водорода H⁺ и хлоридные анионы Cl^-:

HCl = H⁺ + Cl^-

Если в 1 л водного раствора содержится 1 ^.10^-2 моль HCl, то катионов водорода H⁺ в этом объеме тоже 1 ^.10^-2 моль. Значение водородного показателя (рН) для этого раствора оказывается равным 2. Когда в том же объеме раствора содержится 1 ^.10^-3 моль HCl, то катионов H⁺ становится уже 1 ^.10^-3 моль (рН = 3), если хлороводородной кислоты 1 ^.10^-4 моль, то содержание H⁺ - 1 ^.10^-4 моль (рН = 4), и т.д.

Диссоциация слабых кислот, например угольной, протекает обратимо:

H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-

Далеко не все присутствующие в растворе молекулы H₂CO₃ превращаются в катионы H⁺ и анионы HCO₃^-. Тем не менее катионов H⁺ в растворах таких кислот больше, чем в чистой воде (например, 1 ^.10^-5 или 1 ^.10^-6 моль в каждом литре раствора).
Таким образом, в растворах кислот катионов водорода в 1 л раствора содержится всегда больше, чем 1 ^.10^-7, а рН оказывается меньше 7. Водородный показатель рН, меньший 7, отвечает кислотной среде раствора.
Если рН находится в интервале 5-7, то среда раствора считается слабокислотной, если рН меньше 5, то сильнокислотной: чем сильнее кислота, тем ниже значение рН.

В результате диссоциации оснований в водном растворе появляются гидроксид-ионы, которые связывают катионы водорода, присутствующие в чистой воде, и уменьшают их количество в щелочном растворе:

NaOH = Na⁺ + OH^-
H⁺ + OH^- = H₂O

Растворение в 1 л воды 1 ^.10^-2 моль сильного основания - гидроксида натрия NaOH - приводит к появлению 1 ^.10^-2 моль гидроксид-ионов. Содержание катионов водорода в полученном растворе оказывается равным 1 ^.10^-12 моль, а рН принимает значение 12.
Если в 1 л воды растворить 1 ^.10^-3 моль NaOH, то гидроксид-ионов получится 1 ^.10^-3 моль (1 ^.10^-11 моль катионов H⁺, рН = 11).
Растворение в том же объеме 1 ^.10^-4 моль NaOH даст 1 ^.10^-4 моль OH^- (1 ^.10^-10 моль катионов H⁺, рН = 10), и т.д.
Таким образом, в растворах оснований содержание катионов водорода всегда меньше 1 ^.10^-7 моль в 1 л, а водородный показатель (рН) - больше 7. Среда в таких растворах щелочная.

Для растворов сильных оснований, диссоциация которых идет необратимо, значение рН будет существенно выше 7. Диссоциация слабых оснований, например, гидрата аммиака, протекает лишь частично, гидроксид-ионов в этом случае образуется меньше, и рН не столь заметно превышает значение, характерное для нейтральной среды. Раствор считается слабощелочным при рН от 7 до 9 и сильнощелочным при рН выше 9.

Значения водородного показателя (рН) водных растворов распространенных веществ обычно находятся в интервале от 1 до 13. Приближенно оценить рН растворов можно с помощью кислотно-основных индикаторов. Для более точного измерения водородного показателя используют приборы - рН-метры.