Лекция 5 Вода Водородный показатель Общая

Лекция № 5 Вода Водородный показатель

Общая характеристика воды • Вода является самым распространенным веществом на Земле; • Жизнь зародилась в воде, и вода входит в состав всех живых организмов; • В организме взрослого человека содержание воды составляет 60 -65 % или примерно 2/3;

Биологические функции воды v Вода является универсальным растворителем, в ней растворены почти все химические соединения, входящие в состав живого организма; v Вода выполняет транспортную функцию: легко перемещаясь по пространствам организма, вода переносит растворенные в ней вещества; v Вода участвует в терморегуляции и способствует поддержанию у теплокровных организмов постоянной температуры; v Вода участвует в обмене веществ.

Строение молекулы воды δ+ δ+ Н δ- О Н + _

Водородные связи в воде δ+ Н δ+ δ+ δ- О Н δ+ δ+ Н Н О δ- Н δ- δ+ δ- Н δ+ О Н δ+ Н О δ- О

Характеристика водородных связей • Водородные связи очень непрочные: они в 10 -12 раз слабее ковалентных связей; • Время существования водородных связей всего 1· 10 -10 - 1· 10 -11 с; • Водородные связи обладают кооперативным эффектом (кооперативностью): при увеличения количества водородных связей их суммарная прочность резко возрастает;

• Количество водородных связей в воде зависит от температуры; • При 0°С каждая молекула воды образует водородные связи с четырьмя соседними; • При повышение температуры количество водородных связей уменьшается, и при температуре 100°С водородные связи не образуются.

• Благодаря огромному количеству водородных связей у воды имеется ряд уникальных свойств, отсутствующих у других жидкостей: v Высокая теплоемкость; v Высокая теплопроводность; v Высокая температура кипения; v Большая теплота испарения

Электролитическая диссоциация воды • Вода является слабым электролитом и подвергается расщеплению под действием соседних молекул с образованием иона водорода и иона гидроксила: Н 2 О Н+ + ОН-

δ+ Н δ+ δ+ δ- О Н δ+ О δ- Н δ+ δ- О Н О δ+ Н δ+ δ- О Н

+ H 2 O - δ+ H δ+ + H 2 O - H δ- + O+ H 2 O H 2 O - -

+ H 2 O + + - + + H 2 O - H HO H 2 O -

+ H 2 O + + + H 2 O - + - H 2 O + H 2 O H + HO - -

Н 2 О 55, 5 моль/л + Н + ОН 1· 10 -7 моль/л

• Однако присутствие ионов водорода и гидроксила даже в очень низких концентрациях существенно влияет на свойства воды и водных растворов; • Для оценки содержания ионов водорода и гидроксила в воде и водных растворах используют соответственно водородный и гидроксильный показатели.

• Водородный показатель – это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода: Водородный = - lg [ H+] показатель - lg = p Водородный показатель = р. Н • В дисциллированной воде концентрация ионов водорода равна 1· 10 -7 моль/л; р. Н = - lg 1· 10 -7 = 7

• Гидроксильный показатель – это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов гидроксила: - lg [ОH-] р. ОН = • В дисциллированной воде концентрация ионов гидроксила равна 1· 10 -7 моль/л р. ОН = - lg 1· 10 -7 = 7 • В нейтральной среде р. Н = р. ОН = 7

В воде и во всех водных растворах р. Н + р. ОН = 14 Ионное произведение воды: [Н+] · [ОН-] = 1· 10 -7 · 1· 10 -7 = 1· 10 -14

Электролитическая диссоциация • В процессе растворения некоторые растворяемые вещества могут под действием воды расщепляться на ионы: HCl H+ + Cl KOH K+ + OH- Na. NO 3 Na+ + NO 3 • Такой распад называется электролитической диссоциацией;

Электролитическая диссоциация HCl O H 2 O H 2 O H 2 HO 2 O H 2 O H H 2 O 2 O H 2 O H Cl H O H 2 O O H 2 + H 2 O 2 O O H 2 O HO 2 H 2 O H 2 O 2 O

O O H 2 H 2 O H 2 H H 2 O HO 2 H 2 O H H H 2 O H 2 O H 2 HO 2 H 2 O O H 2 O H 2 O H Cl + 2 O H 2 O O H 2 O 2 O 2 O H 2 O

O O H 2 H 2 O H 2 H H 2 O HO 2 H 2 O O H 2 O H H H 2 O H 2 O O H 2 HO 2 H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Cl + H 2 O O H 2 O 2 O 2 O H 2 O

HCl + H + Cl -

Кислая среда • Кислота – любое вещество, способное отщеплять ионы водорода: А·Н Н + + А- • В кислой среде протекает диссоциация как молекул кислоты, так и молекул воды А·Н Н + + АН 20 Н+ + ОН-

В кислой среде: [Н+]кисл > [Н+]нейтр > 1· 10 -7 моль/л р. Нкисл < р. Ннейтр < 7

Электролитическая диссоциация КОН O H 2 H 2 O H H 2 O H 2 O H 2 HO 2 O H 2 O H 2 O H H 2 O 2 O H 2 O 2 O К ОН + H 2 O H 2 O O H 2 H 2 O HO 2 H 2 O H 2 O 2 O

O O H 2 H 2 O H 2 H H 2 O HO 2 H 2 O H H H 2 O - H 2 O H 2 O O H 2 HO 2 H 2 O O H 2 O H 2 O К ОН + 2 O H 2 O O H 2 O 2 O 2 O H 2 O

O O H 2 H 2 O H 2 H H 2 O HO 2 H 2 O O H 2 O К H ОН H 2 O + H 2 O H 2 O O H 2 HO 2 H 2 O H 2 O O H 2 O 2 O 2 O H 2 O

КОН К + ОН +

Щелочная среда Основание – любое вещество, способное присоединять ионы водорода: В + Н+ В·Н+ В щелочной среде протекает диссоциация молекул воды и захват молекулами основания ионов водорода: Н 20 Н+ + ОНВ + Н+ В·Н+

В щелочной среде: [Н+]щел < [Н+]нейтр < 1· 10 -7 моль/л р. Нщел > р. Ннейтр > 7

Изменению р. Н на одну единицу соответствует повышение или снижение кислотности в 10 раз

Нейтральная среда 0 1 2 3 4 5 Кислая среда 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Щелочная среда

Электролитическая диссоциация Na. NО 3 O H 2 H Na NО 3 + 2 O H H 2 O H 2 O H 2 O H 2 HO 2 O H 2 O H H 2 O 2 O H 2 O H 2 O O H 2 H 2 O HO 2 H 2 O H 2 O 2 O

O O H 2 H 2 O H 2 H H 2 O HO 2 O H 2 H NО Na 3 H 2 O H 2 O O H 2 HO 2 H 2 O H 2 O + H 2 O O H 2 O 2 O 2 O H 2 O

Na. NO 3 + - Na + NO 3

Растворение хлористого натрия H 2 O 2 O H O H 2 HO 2 H 2 O H H 2 O H 2 O HO 2 H 2 O H 2 O H 2 O 2 O H 2 O Cl- Na+Cl-Na+ Na+Cl- Na+ Cl. Cl- Na+ Na+Cl- O H 2 O H HO 2 H 2 O H 2 O H 2 O HO 2 2 O

O H 2 2 O H H 2 O Cl- Na+ Na+Cl- H H 2 O H H 2 O H 2 O O H 2 HO 2 2 O H 2 H 2 O 2 O H 2 O Cl- Na+ H 2 O Na+Cl- H O 2 H 2 O H 2 O O H 2 HO 2 O H 2

Cl- H 2 O H 2 O Cl. Na+ H 2 O 2 O H 2 H 2 O Na+ O H 2 O 2 O H 2 O Cl- H 2 O Na+ H 2 O H 2 O Cl. Na+ Cl- H H 2 O H 2 O 2 O H 2 O Cl-Na+ Na+Cl- Na+ H 2 O 2 O H 2 O O H 2 2 O H H H 2 O H Na+ H 2 O H 2 O

2 O Cl- Na+Cl- H 2 O 2 O H H 2 O Na+ H 2 O H 2 O Cl- H 2 O O H 2 Cl- H 2 O H Na+ 2 O H 2 O O H 2 Na+ H 2 O H H 2 O Cl- H 2 O Na+ Cl-

H 2 O 2 O 2 O H 2 O Na+ Cl- H 2 O Na+ H 2 O Cl- 2 O H 2 O Na+ Cl. H 2 O H 2 O H H Cl. Cl- 2 O Cl- Na+ O H 2 H Na+ Cl- Na+ H 2 O 2 O H 2 O O H 2 O H Na+ H 2 O Na+ Cl-

Методы определения р. Н v Индикаторные или колориметрические v Электрометрические

• Индикатор – слабая органическая кислота или основание, у которых диссоциированная и недиссоциированная формы имеют разную окраску: H. Ind • + H + Ind Соотношение между диссоциированной и недиссоциированной формами индикатора зависит от кислотности.

• Поэтому каждому диапазону кислотности соответствует определенная окраска индикатора.

Индикатор метиловый красный (метилрот) р. Н 1 -2 р. Н 5 -6 р. Н 11 -12

Индикатор метиловый красный (метилрот р. Н 1 -2 р. Н 5 -6 р. Н 11 -12

Универсальный индикатор • Для определения кислотности часто используется универсальный индикатор; • Универсальный индикатор последовательно меняет окраску от красной в кислой среде до фиолетовой в щелочной; • Каждому значению р. Н соответствует определенная окраска; • По цветной шкале находят величину р. Н

Универсальный индикатор р. Н < 4 6 Пластиковая полоска Фильтровальная бумага, пропитанная индикатором 7 8 >9

Универсальный индикатор р. Н < 4 6 7 8 >9

Электрометрические методы • Измерение кислотности проводится с использованием специальных приборов - р. Н-метров; • Главной частью р. Н-метра является стеклянный электрод, электрический потенциал которого зависит от величины р. Н.

Буферные растворы • Буферные растворы (буферные системы) – растворы способные сохранять постоянное значение р. Н при добавлении кислоты или щелочи; • Любой буферный раствор содержит два компонента: кислотный и оснόвный:

• Кислотный компонент – слабая кислота, предназначенная для нейтрализации щелочей; Оснόвный компонент – слабое основание, предназначенное для нейтрализации кислот; • Часто это соль слабой кислоты и сильного основания, обладающая оснόвными свойствами.

Бикарбонатный буфер • В состав бикарбонатного буфера входит угольная кислота (слабая кислота) и бикарбонат натрия (слабое основание): H 2 CO 3 Na. HCO 3

При поступлении в буферный раствор щелочи (например, Na. OH) ее нейтрализует кислотный компонент: • Na. OH + H 2 CO 3 Na. HCO 3 + H 2 O • При поступлении в буферный раствор кислоты (например, HCl) ее нейтрализует оснόвный компонент: HCl + Na. HCO 3 H 2 CO 3 + Na. Cl CO 2 H 2 O

Буферная емкость • Эффективность буферного действия оценивается буферной емкостью; • Буферная емкость – количество молей сильной кислоты (например, HCl) или сильной щелочи (например, Na. OH) , которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора для изменения р. Н на одну единицу.

р. Н биологических жидкостей Биологическая жидкость Слюна Желудочный сок р. Н Среда 6, 8 -7, 0 1, 0 -2, 0 Нейтральная Поджелудочный 7, 0 -8, 0 сок Артериальная кровь 7, 4 Венозная кровь Моча 7, 36 5, 5 -6, 5 Сильнокислая Слабощелочная Слабокислая

Тест 1 Содержание воды в организме взрослого человека а) 10 -20 % б) 30 -40 % в) 60 -70 % г) 80 -90 %

Тест 2 Молекулы воды соединяются друг с другом: а) б) в) г) водородными связями донорно-акцепторными ионными связями металлическими связями

Тест 3 р. Н 0, 1 М раствора HCl (α = 1) равен: а) - 1 б) 0 в) 1 г) 2

Тест 4 Концентрация ионов водорода в 0, 1 М растворе НCl (α = 1) равна: а) б) в) г) 1 моль / л 1· 10 -1 моль/л 1· 10 -2 г-ион/л 1· 10 -3 г-ион/л

Тест 5 р. Н 0, 01 М раствора HCl (α = 1) равен: а) - 1 б) 0 в) 1 г) 2

Тест 6 Концентрация ионов водорода в 0, 05 М растворе Н 2 SO 4 (α=1) равна: а) б) в) г) 0, 1 моль/л 0, 2 моль/л 0, 5 моль/л 1, 0 моль/л

Тест 7 р. Н 0, 1 М раствора Na. OH (α = 1) равен: а) 0 б) 5 в) 13 г) 15

Тест 8 Концентрация ионов гидроксила в растворе с р. Н = 2 равна: а) б) в) г) 1· 10 -2 моль/л 1· 10 -7 моль/л 1· 10 -12 моль/л 1· 10 -14 моль/л

Тест 9 Концентрация ионов гидроксила в дистиллированной воде равна: а) б) в) г) 1· 10 -2 моль/л 1· 10 -7 моль/л 1· 10 -12 моль/л 1· 10 -14 моль/ л

Тест 10 Концентрация ионов водорода в дистиллированной воде равна: а) б) в) г) 1· 10 -2 моль/л 1· 10 -7 моль/л 1· 10 -12 моль/л 1· 10 -14 моль/л

Тест 11 При повышении кислотности в 100 раз р. Н: а) б) в) г) не изменяется повышается на 1 единицу повышается на 2 единицы снижается на 2 единицы