水的离子积和溶液的PH值

　　中华食品生意网整理：化学是一门神奇的学科它帮助我们更加了解身边的事务，也帮助我们检测食品的质量的安全与否，下面我们来看看水的离子积和溶液的PH值。
　　
　　一、水的离子积
　　
　　水是一种既能释放质子也能接受质子的两性物质。水在一定程度上也微弱地离解，质子从一个水分子转移给另一个水分子，形成H3O+和OH-。
　　
　　达到平衡时，可得水的离解常数Ki
　　
　　或[H2O+][OH-]=K1[H2O]2
　　
　　由于水的离解度极小，[HO]数值可以看作是一个常数，令K1[H2O]2等于另一新常数Kw，则
　　
　　[H3O+][OH-]=Kw
　　
　　Kw称为水的离子积常数，简称水的离子积。上式表示在一定温度时，水中氢离子浓度与氢氧离子浓度的乘积为一常数（表3-1）。25℃时，由实验测出在纯水中[H3O+]和[OH-]各为1.0×10-?7mol·L-1。通常将水合离子H3O+简写为H+，这样，在常温时：
　　
　　表3-1不同湿度时水的离子积
　　
　　温度/℃
　　
　　KW
　　
　　I温度/℃
　　
　　KW
　　
　　0
　　
　　1.2×10-15
　　
　　50
　　
　　5.5×10-14
　　
　　10
　　
　　3.0×10-15
　　
　　60
　　
　　9.6×10-14
　　
　　20
　　
　　6.8×10-15
　　
　　70
　　
　　1.6×10-18
　　
　　25
　　
　　1.0×10-14
　　
　　80
　　
　　2.5×10-13
　　
　　30
　　
　　1.5×10-14
　　
　　90
　　
　　3.8×10-13
　　
　　40
　　
　　2.9×10-14
　　
　　100
　　
　　5.5×10-13
　　
　　K=1.0*10-7*1.0*10-7=1.0*1014
　　
　　[H+][OH-]=1.0*10-14（3-2）
　　
　　水的离子积和溶液的PH值由于水离解时要吸收大量的热，所以温度升高，水的离解度和KW也相应地增大。
　　
　　水的离子积原理不仅适用于纯水，也适用于一切稀的水溶液。在任何稀的水溶液中，不论[H+]和[OH-]怎样改变，它们的乘积总是等于KW。
　　
　　二、溶液的PH值
　　
　　在纯水或中性溶液中，25℃时
　　
　　当向水中加入酸时，溶液中[H+]就会增大，设达到新的平衡时该溶液的[H+]为1.0×10-2mol·L-1,因[H+][OH-]=1.0×10-14,则
　　
　　可见,在酸性溶液中,[H+]>1.0×10-7mol·L-1,而[OH-]<1.0×10-7mol·L-1.
　　
　　如果向纯水中加入碱时,溶液中[OH-]就会增大,设达到新的平衡时该溶液的[OH-]为1.0×10-2mol·L-1,同理计算出[H+]=1.0×10-12mol·L-1。可见,在碱性溶液中[OH-]>1.0×10-7mol·L-1,而[H+]<1.0×10-7mol·L-1。由上述三种情况可知：
　　
　　在纯水或中性溶液中[H+]=1.0×10-7mol·L-1=[OH-]
　　
　　在酸性溶液中[H+]>1.0×10-7mol·L-1>[OH-]
　　
　　在碱性溶液中[H+]<1.0×10-7mol·L-1<[OH-]
　　
　　当然，[H+]或[OH-]都可用来表示溶液中的中性、酸性或碱性，但实际应用中多采用[H+]来表示。但是，在生物学与医学上许多重要溶液的[H+]往往是一个很小的数值，而且带有负指数，用[H+]表示溶液的酸碱性不方便。例如，人的血液[H+]为0.0000000398mol·L-1,即3.98×10-8mol·L-1,血液究竟是酸性还是碱性,不容易看清楚。索仑生（Sorensen）首先提出用PH值表示水溶液的酸碱性。
　　
　　溶液的PH值是氢离子浓度的负对数值。
　　
　　它的数学表示式为：pH=-lg[H+]
　　
　　即[H+]=10-pH（3-3）严格地说，考虑活度时：
　　
　　Pα+=lgαH+（3-4）
　　
　　必须注意，PH值每相差一个单位时，其[H+]相差10倍;PH值相差二个单位时，[H+]相差100倍;依此类推。
　　
　　用PH值表示稀的水溶液的酸碱性，则有“
　　
　　在纯水或中性溶液中，[H+]=1.0×10-7mol·L-1PH=7
　　
　　在酸性溶液中，[H+]>1.0×10-7mol·L-1PH<7，PH越小，则酸性越强。
　　
　　在碱性溶液中，[H+]<1.0×10-7mol·L-1PH>7，PH越大，则碱性越强。
　　
　　和PH相仿，[OH-]和KW也可用它们的负对数来表示，即
　　
　　pOH=-lg[OH-]（3-5）
　　
　　pKw=-lgKw（3-6）
　　
　　由于在25℃时，[H+][OH-]=KW=1.0×10-14
　　
　　将方程两边取负对数，则得
　　
　　-lg[H+]-lg[OH-]=-lgKw=-lg1.0*10-14
　　
　　所以
　　
　　pH+pOH=pKw=14（3-7）
　　
　　水溶液中[H+]，[OH-]，PH，POH值与溶液酸碱性的关系如表3-2。
　　
　　在实际应用中，PH值一般只限于0-14范围内。当[H+]或[OH-]大于（即100）时，就不再采用PH值，而仍用[H+]或[OH-]表示溶液的酸碱性。
　　
　　必须注意，用PH值表示的是溶液的酸度或有效酸度而不是酸的浓度。酸度或有效酸度是指溶液中H+浓度，严格地说是指H+的活度，是指已离解部分酸的浓度。酸的浓度也称总酸度或分析浓度，它是指在1升溶液中所含酸的物质的量，包括已离解和未离解两部分酸的总浓度，其大小要用滴定分析来确定。酸度或有效酸度则用PH试纸或PH计来测定。潜在酸度是指未离解部分的浓度，即总酸度与有效酸度之差。例如，0.01mol·L-1HCL和0.01mol·L-1HOAc的浓度相同,但有效酸度不同。0.01mol·L-1HCL溶液总酸度为0.01mol·L-1,其有效酸度[H+]也是相同数值,25℃时,总酸度为0.01mol·L-1的HOAc溶液,其有效酸度[H+]则仅为4.2×10-4mol·L-1。
　　
　　例1分别求出0.1mol.L-1HCl溶液和0.01mol.L-1HOAc溶液的pH值，已知其[H+]分别为0.01mol.L-1和4.2*10-4mol.L-1。
　　
　　解：HCl溶液的pH=-lg0.01=-lg10-2=2.0
　　
　　HOAc溶液的pH=-lg（4.2*10-4）
　　
　　=[0.62+（-4）]
　　
　　=3.38
　　
　　例2已知某溶液的pH=4.60,计算该溶液的氢离子浓度。
　　
　　解：-lg[H+]=pH=4.60
　　
　　lg[H+]=4.60=-5+0.40=5.40
　　
　　查0.4的反数为2.512，故
　　
　　[H+]=2.512*10-5mol.L-1