Теорія електролітичної дисоціації С.Арреніуса (1883), була першою науково обгрунтованою теорією розчинів, згідно з якою, кислотами є сполуки в розчинах яких присутні йони Н+, а основи – ОН-. Однак розвиток науки показав, що існують речовини, особливо лікарські речовини (фенобарбінтал, сульфадімезин), які проявляють кислотні властивості, а при дисоціації не утворюють вільних Н+. Крім того доведено, що у водних розчинах Н+ не бувають у вільному вигляді, а у вигляді йону: Н+ + Н2О = НзО+
Сучасні уявлення про природу кислот і основ дали Дж. Бренстед та І.Льюїс (1923р). Згідно їх теорії, яка називається протонною, кислота - це речовина, що віддає протон (донор протону), а основа - речовина, що приймає протон (акцептор протона).
Так наприклад при взаємодії води з гіпохлоритною кислотою:
НClО + Н2О СlO- + H3O+
супряжена супряжена супряжена супряжена
кислота основа основа кислота
І II І II
Кислоту і основу називають супряженою парою і кислотні властивості речовини можуть проявлятись тільки в присутності основи (акцептора протона), а основні властивості - в присутності кислоти (донора електронів).
Такі погляди на кислоти і основи дали можливість систематизувати багато хімічних реакцій. В першу чергу - це реакції гідролізу і нейтралізації. Так процес гідролізу за Бренстедом пояснюється тим, що один із видів йонів цих солей підлягає протолізу:
Наприклад гідроліз соди (натрій карбонату) електролітична дисоціація:
Отже, згідно сучасних уявлень, кислота - це акцептор пари електронів, а основа - донор електронів. (теорія Льюїса)
Дисоціація води.
Згідно з теорією Бренстеда вода відносно самої себе є одночасно і кислотою і основою (амфоліт)
Н2О =ОН-+Н+ Н2О + Н+ = Н3О+Н2О + Н2О = Н3О+ +ОН-
ця реакція називається автопротолізом води: кількісно автопротоліз визначається йонним добутком води.
Константи рівноваги К=3,24.10-18 при 290 К
К=1,84 .10-16 при 273К
Оскільки ступінь дисоціації води дуже низький (з 550 млн. молекул води -дисоціює тільки одна), то її концентрацію можна вважати постійною і рівною масі 1 л води при 25°С 998,07 г, поділеній на молярну масу води
Обчисливши скільки молей води є в 1 л її ( при 0°С)
можна розрахувати добуток концентрації
[H3O+].[OH-]=K.[H2O]21,84.10-16.55,52= 1.10-14
Отже рівняння [H3O+].[OH-]=1.10-14 йонний добуток води.
Це величина постійна, яка все ж залежить від температури. Для прикладу при 100°С йонний добуток води зростає в 100 разів в порівнянні з тим, що при 18оС і стає 10-12.
Йонний добуток води має надзвичайно важливе практичне значення.
В нейтральному розчині коли [H3O+]=[OH-]= - ця величина постійна.
В кислому середовищі, коли [H3O+]>[OH-] можна сказати, що[H3O+]>10-7, а [OH-] <10-7
В лужному середовищі[H3O+]<10-7, а [OH-] >10-7
Те, що йонний добуток води є величина постійна дає можливість знаючи концентрацію одного з йонів обчислювати концентрацію іншого.
Наприклад, якщо відомо що в розчині [Н3О+] = 10-3моль/л, то це значить, що середовище розчину кисле, а концентрація
[ ОН-] =
Для зручності розрахунків реакцію середовища водного розчину характеризують водневим показником рН.
Водневий показник рН - це десятковий логарифм активності йонів гідроксонію, взятий з від’ємним знаком.
або
pH=-lg[H3O+]
Аналогічно рОН-= -lg[OH-]
Оскільки активності йонів в чистій воді дорівнюють їх концентраціям, а= с, то можем записати, що рКводи=рН + рОН-=14
Наприклад, якщо відомо, що розчин НС1 має концентрацію 0,01 моль/л, і знаючи що це сильна кислота і дисоціює повністю на йони [ Н3О+] = c HCl і значить
[Н3О+] = 10-2 моль/л, рН = 2, а pОН-= 14 - 2 = 12
Для розчину NаОН з См = 0,001 моль/л [ОН-] = 10-3, тобто pОН- = 3, а pН = 14 - 3 =11.
Для Н2SO4 в якої молярна концентрація еквівалентів 0,002 моль/л
рН=-lg2.10-3=3-lg 2=2,7 pOH=14-2,7=11,3
Для розчинів слабких кислот і основ, в яких кількість йонів значно менша за концентрацію кислоти чи основи треба знати значення ступеня або константи йонізації.
рН=-lg c .α
або згідно з законом Освальда тоді
де Ка - константа йонізації ( в "Довіднику хіміка");
с - концентрація.
Аналогічно для слабких основ рОН=-lg c.α
Отже, для розчину СН3СООН з См =0.1 моль/л
Водневий показник рН використовується дуже широко при біохімічних дослідженнях, а також у клінічній фармакологічній практиці. Постійність концентрації водневих йонів є однією із істотних констант внутрішного середовища організму. При цьому відомо, що різні фізіологічні рідини людини мають різні значення рН
Рідини
Імовірне значеня рН
Можливі границі
Кров (плазма)
7.36
7.36-7.45
Шлунковий сік
1.65
0.9-2.00
Кишковий сік
6.51
5.07 - 7.07
Сеча
5.8
5.0-6.5
Піт
7.4
4.2-7.8
Слина
6.75
5.6-7.9
Спинно-мозкова рідина
7.7
7.55-7.8
Сльозова рідина
7.7
7.6-7.8
Це свідчить про те, що різні біологічні ферменти є активними тільки при певних значеннях рН.
Зміщення реакції середовища в організмі в сторону кислого середовища називається ацидозом, а в сторону лужного - алкалозом.
Зміна реакції крові на декілька десятих долей рН приводить до серйозних порушень життєдіяльності. Визначення концентрації водневих йонів дозволяє визначити характер патологічних процесів, що протікають в організмі.
Визначення рН середовища має важливе значення і в різних фізіологічних рідинах може бути досить складним. Сучасний розвиток приладобудування дозволяє мати прилади, які визначають досить точно рН -розчину, що є важливим інструментом для медика.