Электролитическая диссоциация воды
Общие сведения
Электролитическая диссоциация воды представляет собой фундаментальный физико-химический процесс распада молекул воды на ионы. Химически чистая, в том числе дистиллированная, вода обладает определенной электрической проводимостью, хотя и в значительно меньшей степени, чем водопроводная вода или растворы солей. Наличие электрической проводимости обусловлено тем, что вода является слабым электролитом и подвергается самопроизвольной диссоциации с образованием положительно заряженных ионов водорода и отрицательно заряженных гидроксильных ионов.
Процесс электролитической диссоциации воды описывается константой диссоциации в соответствии с общими правилами химического равновесия. Поскольку степень распада молекул воды на ионы крайне мала, активность нераспавшихся молекул в расчетах принимается равной их общей аналитической концентрации. Масса одного литра воды известна, что позволяет вычислить постоянную концентрацию молекул воды, которая составляет пятьдесят пять с половиной моль на литр. На основе этой константы выводится важнейший термодинамический параметр — ионное произведение воды. В химически чистой воде концентрации положительных и отрицательных ионов абсолютно одинаковы и математически равны квадратному корню из величины ионного произведения.
Классификация
Классификация сред в химии базируется на концентрации ионов водорода, образующихся в результате диссоциации воды и растворенных в ней веществ. Ионы водорода выступают носителями кислотных свойств системы, а гидроксильные ионы — носителями основных (щелочных) свойств. Для количественной характеристики и классификации среды используется водородный показатель, представляющий собой взятый с обратным знаком десятичный логарифм активности водородных ионов в растворе.
В зависимости от значения водородного показателя растворы классифицируются на три основные категории. При стандартной комнатной температуре (около двадцати двух градусов Цельсия) среда с водородным показателем, равным семи, классифицируется как нейтральная. Растворы с показателем строго меньше семи относятся к кислым средам, при этом падение значения (вплоть до единицы или нуля) свидетельствует об экспоненциальном возрастании концентрации ионов водорода и высокой кислотности. Растворы с показателем больше семи классифицируются как щелочные.
Для практического определения класса среды применяются химические индикаторы, которые классифицируются как слабые органические кислоты или слабые основания. Молекулярная и ионная формы этих соединений обладают различной окраской, что позволяет визуально фиксировать изменение водородного показателя.
Способы получения
Способы математического получения и расчета ионного равновесия опираются на принцип Ле Шателье. Константа диссоциации воды не зависит от начальной концентрации ионов в растворе, однако система чутко реагирует на внешние химические воздействия. При добавлении в водную среду кислоты происходит диссоциация последней с образованием дополнительных ионов водорода. Согласно принципу Ле Шателье, равновесие процесса смещается таким образом, что электролитическая диссоциация самой воды подавляется. Молекулы воды перестают распадаться, а концентрация гидроксильных ионов в растворе пропорционально уменьшается. В результате этого процесса ионное произведение воды остается неизменной термодинамической величиной.
Связь между ионами позволяет получать данные об активности гидроксильных ионов при известном значении активности водородных ионов. Поскольку их концентрации обратно пропорциональны, зная водородный показатель, можно с высокой точностью вычислить содержание гидроксил-ионов без проведения дополнительных эмпирических измерений. Изменение окраски индикаторов также является следствием принципа Ле Шателье: в кислой среде (при избытке ионов водорода) индикаторы-кислоты находятся преимущественно в виде недиссоциированных молекул, а в щелочной среде распадаются на ионы, приобретая совершенно иной цвет.
Свойства
Важнейшим физико-химическим свойством электролитической диссоциации воды является ее строгая температурная зависимость. Ионное произведение воды, а следовательно, и общая концентрация ионов в системе, довольно сильно возрастает при повышении температуры. Это приводит к закономерному увеличению электрической проводимости нагретой воды. Вследствие температурной зависимости водородный показатель, равный семи, соответствует строго нейтральной среде только при стандартной комнатной температуре. При иных термических условиях точка нейтральности смещается, и показатель, равный семи, может характеризовать как слабокислую, так и слабощелочную среду.
Ионы, образующиеся при диссоциации воды, обладают высокой химической реакционноспособностью. Поскольку подавляющее большинство химических процессов протекает в жидкой фазе, ионы водорода и гидроксильные ионы принимают непосредственное участие в реакциях. Специфическим химическим свойством этих ионов является их способность выступать в роли катализаторов для множества органических и неорганических превращений, ускоряя их течение без изменения собственного химического состава по завершении цикла.
Различные индикаторы обладают индивидуальными свойствами перехода окраски. Лакмус приобретает красное окрашивание в кислой среде и синее — в щелочной, имея область перехода вблизи нейтрального значения. Фенолфталеин характеризуется тем, что остается полностью бесцветным вплоть до значения водородного показателя, равного десяти, и лишь в сильнощелочной среде приобретает интенсивный малиновый цвет. Пикриновая кислота обладает уникальным свойством определять только сильные кислоты: она обесцвечивается исключительно в высококонцентрированных кислых средах, а при показателе больше единицы или двойки сохраняет свою окраску.
Применение
Концепция электролитической диссоциации воды и водородного показателя находит повсеместное применение в аналитической химии, биохимии и лабораторной практике. Знание кислотно-основного баланса является фундаментальным при проведении любого химического анализа, где индикаторы служат важнейшим аналитическим инструментом для определения характера среды.
В области биологии и медицины водородный показатель имеет критическое значение для поддержания гомеостаза живых организмов. Биологические системы осуществляют непрерывный контроль и регуляцию кислотности на определенном уровне. В различных участках организма поддерживается строго специфическая среда, необходимая для ферментативных процессов. Например, в желудке человека биологическими механизмами генерируется и поддерживается среда с высокой кислотностью, необходимая для расщепления белков, в то время как в ротовой полости обеспечивается слабощелочная реакция. Детальное изучение этих параметров позволяет биохимикам разрабатывать лекарственные препараты и диагностировать патологические состояния, связанные с нарушением кислотно-основного равновесия в тканях и жидкостях организма.
См. также
Электрохимическая коррозия и защита металлов Электрохимическая обработка металлов и сплавов