Ионное произведение воды. Водородный показатель

11 класс

Просто знать – еще не все,
знания нужно уметь использовать.
И.В.Гете

Цель. Познакомить учащихся с понятиями “ионное произведение воды”, “водородный показатель”; показать значение знаний о концентрации ионов водорода для многочисленных химико-технологических процессов, разнообразных отраслей производства, сельского хозяйства, медицины и биологии.

Оборудование и реактивы. Таблица “Инди­каторы”, различные парфюмерные и гигиенические средства, видеозапись с рекламой жевательных резинок, карточки с заданиями; нумерованные пробирки с растворами хлорида, сульфата и карбоната натрия, соляная кислота, растворы сульфата бария, нитрата серебра, гидроксида натрия, метилоранжа, лакмуса, фенолфталеина, свекольный сок, водный раствор шампуня, водный раствор мыла, универсальная индикаторная бумага.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент.

II. Повторение ранее изученного материала (по теме “Электролитическая диссоциация”).

1. Работа учеников у доски по карточкам с индивидуальными задачами.

К а р т о ч к а  №  1

К а р т о ч к а № 2

2. Индивидуальная работа ученика – решение экспериментальной задачи на распознавание веществ (карточка № 3).

К а р т о ч к а № 3

3. Фронтальная беседа с классом.

• Изучая свойства растворов солей, кислот и оснований, шведский ученый С.Аррениус пришел к заключению, что все вещества можно разделить на две группы по их способности проводить электрический ток. Назовите эти группы, дайте им определения.

• Игра “Химический цветок”: на лепестках “химического цветка” указаны формулы веществ. Распределите лепестки цветка по группам: электролиты и неэлектролиты.

• Какой процесс называется электролитической диссоциацией?

• В чем заключается сходство и различие механизмов диссоциации веществ с ионным типом связи и веществ с ковалентным полярным типом связи?

• Какие частицы называются гидратированными ионами?

• Как называется гидратированный ион водорода? Каков механизм его образования?

• Сформулируйте положения теории электролитической диссоциации.

• Что является количественной характеристикой диссоциации электролита?

• Какая из кислот – уксусная или хлоруксусная – будет иметь большее значение степени диссоциации? Почему?

4. Проверка индивидуальных заданий.

III. Изучение нового материала.

1. Вывод формулы ионного произведения воды.

Учитель. Прежде чем мы перейдем к изучению новой темы, я прошу вас вспомнить, что называется кислотой и основанием с точки зрения теории электролитический диссоциации?

(Ученики отвечают.)

Из определения понятий “кислота” и “основание” следует, что кислотные или щелочные свойства растворов зависят от присутствия в них ионов Н⁺ или ОН^–. Следовательно, кислотность или щелочность растворов может характеризоваться количественно. Цель нашего урока – выяснить, как определяется количественная характеристика кислотности растворов.

В чем заключаются особенности поведения молекулы воды?

Ученик. В том, что молекула воды является одновременно и донором протонов, и донором гидроксид-ионов.

Учитель. Верно:

H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH^–.

C целью упрощения записи в химических уравнениях чаще пишут просто символ катиона водорода, подразумевая под ним катион гидроксония:

H₂O H⁺ + OH^–.

Диссоциация – процесс обратимый. Наряду с распадом молекул на ионы происходит процесс их рекомбинации. Известно, что состояние равновесия любого обратимого процесса, в том числе и электролитической диссоциации, можно охарактеризовать с помощью константы равновесия, которую в данном случае называют константой диссоциации К_д . Прошу вас составить выражение константы диссоциации воды.

Ученики записывают уравнение:

Учитель. Константа диссоциации каждого индивидуального вещества – величина постоянная. Измерения показывают, что вода диссоциирует в очень малой степени и ее константа диссоциации составляет 1,8•10^–16, а концентрация недиссоциированных молекул воды практически постоянна и равна общему числу молекул воды в 1 литре, т.е. 1000 г : 18 г/моль = 55,56 моль.

Если эту постоянную величину перенести в левую часть равенства (1), то мы получим новую константу – ионное произведение воды К_в:

К_в = К_д[H₂O] = [H⁺][OH^–], (2)

К_в = 1,8•10^–16•55,56 = 100•10^–16  = 10^–14.

Из уравнения диссоциации воды видно, что в чистой воде, как и в любых нейтральных растворах, концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид-ионов, поэтому можно записать:

Из соотношения (2) следует, что равновесные концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов в водном растворе взаимосвязаны.

Если к воде добавить кислоту, то концентрация ионов водорода в растворе увеличится, и поэтому она уже не будет равна концентрации гидроксид-ионов, а будет выше.

Увеличение концентрации ионов водорода (добавление кислоты) обусловливает появление кислотных, а увеличение концентрации гидроксид-ионов (добавление щелочи) – появление основных свойств раствора.

Если концентрация одного из ионов увеличивается, то концентрация другого должна уменьшаться, потому что произведение их концентраций всегда должно быть равно 10^–14. Зная концентрацию одного из ионов, легко рассчитать концентрацию другого. Для удобства вместо истинных значений концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов используют отрицательные логарифмы этих значений.

В 1909 г. датский химик С.Серенсен предложил использовать величину, называемую сейчас водородным показателем рН (p – начальная буква немецкого слова “potenz” – математическая степень; Н – символ водорода).

Водородный показатель – отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода:

pH = –lg[H⁺] или [H⁺] = 10^–pH.

Для чистой воды:

pH = –lg(10^–7), т.е. рН = 7.

При увеличении концентрации ионов водорода рН уменьшается, при уменьшении концентрации ионов водорода рН увеличивается. Например,

если [H⁺] = 10^–5 рН = 5, среда кислая;

если [H⁺] = 10^–9 рН = 9, среда щелочная.

Демонстрация зависимости между концентрацией ионов водорода, значением рН и реакцией среды (рисунок):

Учитель. Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов – химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды.

2. Работа с индикаторами.

Учитель. Какие индикаторы вам известны? Как они изменяют свою окраску в различных средах?

Ученики отвечают.

Д е м о н с т р а ц и о н н ы й  э к с п е р и м е н т: определение среды растворов с использованием метилового оранжевого, лакмуса, фенолфталеина и таблицы “Индикаторы”.

Учитель. В качестве индикаторов можно использовать и некоторые растения. Например, розовые лепестки герани станут голубыми в щелочной среде, а сок смородины или вишни станет красным в кислоте. Красящее вещество бетаин, содержащееся в свекле, в щелочной среде обесцвечивается, а в кислоте краснеет.

Д е м о н с т р а ц и о н н ы й  э к с п е р и м е н т: изменение окраски свекольного сока при добавлении кислоты и щелочи.

3. Значение знания о рН.

Учитель. Исключительно велика роль значения рН для самых различных явлений и процессов: и в природе, и в технике. В зависимости от реакции среды многие процессы могут протекать с различными скоростями и в разных направлениях, поэтому определение кислотности среды растворов очень важно в медицине, технике, сельском хозяйстве. Значение рН, или показатель кислотно-щелочного равновесия биологических жидкостей (слюны, мочи, крови), является одним из важнейших параметров биохимических процессов, которые постоянно происходят в нашем организме.

Отклонения рН от нормальных величин свидетельствуют о возможных патологических процессах. Для поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме существуют эффективные системы, способные обеспечить выведение или нейтрализацию водородных ионов при избытке или задержку ионов водорода в организме при их дефиците. К таким системам относятся буферные системы крови, дыхательная система, выделительная система. Наиболее важная буферная система крови – “бикарбонатная”:

H₂CO₃ – NaHCO₃.

Большая часть гидрокарбонат-ионов образуется при диссоциации гидрокарбоната натрия:

NaHCO₃ = Na⁺ + .

Гидрокарбонат-ионы, освобождающиеся при диссоциации соли, подавляют диссоциацию слабой угольной кислоты, которая образуется в результате метаболических превращений веществ.

При поступлении в кровь большого количества ионов Н⁺ они связываются ионами и образуют слабо диссоциирующую угольную кислоту до тех пор, пока концентрация ионов водорода снова не придет к норме.

H⁺ + H₂CO₃.

Если реакция крови сдвигается в щелочную сторону – появляется избыток гидроксид-ионов, то угольная кислота соединяется с ними и образует воду и гидрокарбонат-ионы:

OH^– + H₂CO₃ = H₂O +

до тех пор, пока реакция среды не вернется к физиологической норме. Таким образом, поступление в кровь избыточного количества ионов водорода или гидроксид-ионов не приводит к заметным сдвигам в концентрации ионов водорода в крови.

Такой же механизм действия и другой буферной системы крови – фосфатной, роль “кислоты” в которой играет дигидрофосфат натрия NaН₂РО₄, а роль соли – гидрофосфат натрия Na₂НРО₄. Общим ионом в этой системе является гидрофосфат-ион :

В тех случаях, когда кислотно-щелочное равновесие организма нарушается, развиваются два патологических состояния, противоположных по своей направленности: ацидоз (повышение кислотности) и алкалоз (понижение кислотности). Состояния, при которых рН крови < 6,8 или > 8,0, несовместимы с жизнью.

Постоянство концентраций ионов водорода является одной из важных констант внутренней среды живых организмов.

Знания о рН необходимы и для работников сельского хозяйства. Нормальное развитие разных сельскохозяйственных культур возможно лишь в определенных интервалах значений рН почвенного раствора. Для снижения кислотности почв применяют известкование (вносят в почву карбонат кальция и карбонат магния), а для снижения щелочности – гипсование (вносят в почву молотый гипс).

А теперь – рекламная пауза.

На экране телевизора демонстрируется фрагмент рекламы жевательной резинки, сюжет которой заканчивается изображением синусоиды, показывающей изменение рН среды в ротовой полости.

Учитель. Объясните, что обозначает данная кривая в этом фрагменте?

Ученик. Изменение рН среды в ротовой полости после приема пищи и после использования жевательной резинки.

Учитель. В рекламе говорится: “Каждый раз, когда вы едите, нарушается кислотно-щелочной баланс в полости рта”. Эта реклама призывает нас к употреблению жевательной резинки с целью восстановления кислотно-щелочного баланса в ротовой полости после приема пищи. Попробуйте оценить с позиций химика, насколько справедлива эта реклама, насколько эффективна жевательная резинка в восстановлении рН среды.

(Учащиеся ведут дискуссию по поставленной проблеме, после чего учитель дает пояснения.)

Далеко не каждый раз после приема пищи во рту нарушается кислотно-щелочное равновесие. Например, оно не нарушается при приеме белковой пищи. При употреблении углеводов под действием бактерий, содержащихся в полости рта, происходит брожение с образованием молочной кислоты, которая снижает значение рН во рту и способствует разрушению зубной эмали. Как может помочь жевательная резинка?

В состав жевательной резинки входят различные заменители сахара: ксилит, сорбит. Они являются многоатомными спиртами и обеспечивают приятный сладкий вкус, не поставляя углеводы. При жевании происходит лишь частичная механическая очистка зубов от остатков пищи, не влияющая на изменение кислотности в ротовой полости. Если же жевательная резинка содержит карбамид (NH₂)₂CO, то такая резинка способна нейтрализовать некоторую часть молочной кислоты. При гидролизе карбамида происходит образование гидроксида аммония, который и нейтрализует молочную кислоту:

СН₃СН(ОН)СООН + NH₄ОН —> СН₃СН(ОН)СОONH₄ + H₂O.

А почему реклама жевательных резинок, содержащих карбамид, обещает защиту зубов с утра до вечера? Несмотря на преувеличение, которое присутствует в любой рекламе, это утверждение не лишено смысла с точки зрения химика. Карбамид гидролизуется очень медленно, поэтому гидроксид аммония образуется в ротовой полости постепенно.

Какова среда в косметических и парфюмерных средствах? Давайте определим.

Ученики проводят эксперимент по определению рН водного раствора шампуня.

Учитель. Как вы думаете, почему на многих этикетках указано, что рН = 5,5? (Демонстрация парфюмерных, косметических средств, средств санитарной гигиены: гели для душа, лосьоны, жидкие и твердые мыла, шампуни и т.д.)

Значение рН = 5,5 наиболее соответствует естественной реакции кожи. Физиологи доказали, что роговой слой кожи имеет рН = 5,5 за счет находящихся в нем водорастворимых веществ.

А какова кислотность водного раствора мыла?

Ученики проводят эксперимент по определению рН водного раствора мыла.

Учитель. Воздействие сильнощелочных моющих средств может изменить нормальное значение рН кожи. Что такое мыла? Мыла – это натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот. Жирную кожу, склонную к воспалительным процессам, не рекомендуется слишком часто мыть водой с мылом. Почему?

Ученики отвечают.

IV. Закрепление материала.

Учитель. Познакомьтесь с таблицей значений рН некоторых объектов и ответьте, почему чистая дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6)?

Таблица

Учитель. Решите задачи.

• Рассчитать концентрацию катиона водорода в разбавленной серной кислоте с рН = 1,79.

• Вычислить концентрацию ионов в водном растворе, если концентрация гидроксид-ионов в нем равна 0,02 моль/л.

V. Домашнее задание.

VI. Комментарий оценок.

Е.П.КИМ,
заслуженный учитель РФ,
учитель химии гимназии № 1
(г. Саратов)