高中化学 31 水的电离、溶液的pH

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一、水的电离

水的电离方程式：水是一种极弱的电解质，能发生微弱的电离，电离方程式为\(H_{2}O\rightleftharpoons H^{+}+OH^{-}\)，也可简写为\(H_{2}O+H_{2}O\rightleftharpoons H_{3}O^{+}+OH^{-}\)，其中\(H_{3}O^{+}\)称为水合氢离子。

水的离子积常数：在一定温度下，水中\(c(H^{+})\)与\(c(OH^{-})\)的乘积是一个常数，叫做水的离子积常数，简称水的离子积，用\(K_{w}\)表示，即\(K_{w}=c(H^{+})\cdot c(OH^{-})\)。在常温下，\(K_{w}=1.0\times10^{-14}\)。水的离子积常数只与温度有关，温度升高，水的电离程度增大，\(K_{w}\)增大。

二、溶液的酸碱性与\(pH\)

溶液的酸碱性：溶液的酸碱性取决于溶液中\(c(H^{+})\)和\(c(OH^{-})\)的相对大小。当\(c(H^{+})>c(OH^{-})\)时，溶液呈酸性；当\(c(H^{+})=c(OH^{-})\)时，溶液呈中性；当\(c(H^{+})<c(OH^{-})\)时，溶液呈碱性。

\(pH\)的定义：\(pH\)是用来表示溶液酸碱性强弱的指标，其定义为\(pH=-\lg c(H^{+})\)。例如，常温下，\(c(H^{+})=1.0\times10^{-7}mol/L\)的中性溶液，\(pH=-\lg(1.0\times10^{-7})=7\)；\(c(H^{+})=1.0\times10^{-3}mol/L\)的酸性溶液，\(pH=-\lg(1.0\times10^{-3})=3\)；\(c(H^{+})=1.0\times10^{-11}mol/L\)的碱性溶液，\(pH=-\lg(1.0\times10^{-11})=11\)。

三、\(pH\)的计算

强酸强碱溶液的\(pH\)计算：

强酸溶液：已知强酸的物质的量浓度\(c\)，则\(c(H^{+})=n\cdot c\)（\(n\)为强酸的元数），再根据\(pH=-\lg c(H^{+})\)计算\(pH\)。例如，\(0.1mol/L\)的\(HCl\)溶液，\(c(H^{+})=0.1mol/L\)，\(pH=-\lg0.1=1\)。

强碱溶液：已知强碱的物质的量浓度\(c\)，则\(c(OH^{-})=n\cdot c\)（\(n\)为强碱的元数），先根据\(K_{w}=c(H^{+})\cdot c(OH^{-})\)求出\(c(H^{+})=\frac{K_{w}}{c(OH^{-})}\)，再计算\(pH\)。例如，\(0.01mol/L\)的\(NaOH\)溶液，\(c(OH^{-})=0.01mol/L\)，\(c(H^{+})=\frac{1.0\times10^{-14}}{0.01}=1.0\times10^{-12}mol/L\)，\(pH=-\lg(1.0\times10^{-12})=12\)。

弱酸弱碱溶液的\(pH\)计算：弱酸或弱碱在溶液中部分电离，需要先根据其电离平衡常数求出\(c(H^{+})\)或\(c(OH^{-})\)，再计算\(pH\)。例如，已知\(25^{\circ}C\)时，\(CH_{3}COOH\)的电离平衡常数\(K_{a}=1.8\times10^{-5}\)，\(0.1mol/L\)的\(CH_{3}COOH\)溶液，设\(c(H^{+})=xmol/L\)，则\(CH_{3}COOH\rightleftharpoons H^{+}+CH_{3}COO^{-}\)，\(K_{a}=\frac{[H^{+}][CH_{3}COO^{-}]}{[CH_{3}COOH]}=\frac{x\cdot x}{0.1 - x}=1.8\times10^{-5}\)，由于\(CH_{3}COOH\)电离程度较小，\(0.1 - x\approx0.1\)，解得\(x=\sqrt{1.8\times10^{-5}\times0.1}\approx1.3\times10^{-3}mol/L\)，\(pH=-\lg(1.3\times10^{-3})\approx2.87\)。

混合溶液的\(pH\)计算：

强酸与强酸混合：先求出混合后溶液中的\(c(H^{+})_{混}=\frac{c_{1}V_{1}+c_{2}V_{2}}{V_{1}+V_{2}}\)（\(c_{1}\)、\(c_{2}\)为两种强酸的物质的量浓度，\(V_{1}\)、\(V_{2}\)为两种强酸溶液的体积），再计算\(pH\)。

强碱与强碱混合：先求出混合后溶液中的\(c(OH^{-})_{混}=\frac{c_{1}V_{1}+c_{2}V_{2}}{V_{1}+V_{2}}\)，再根据\(c(H^{+})=\frac{K_{w}}{c(OH^{-})_{混}}\)求出\(c(H^{+})\)，进而计算\(pH\)。

强酸与强碱混合：若强酸与强碱恰好完全反应，则溶液呈中性，\(pH=7\)；若强酸过量，则先求出混合后溶液中的\(c(H^{+})_{剩}=\frac{c_{酸}V_{酸}-c_{碱}V_{碱}}{V_{酸}+V_{碱}}\)，再计算\(pH\)；若强碱过量，则先求出混合后溶液中的\(c(OH^{-})_{剩}=\frac{c_{碱}V_{碱}-c_{酸}V_{酸}}{V_{酸}+V_{碱}}\)，再根据\(c(H^{+})=\frac{K_{w}}{c(OH^{-})_{剩}}\)求出\(c(H^{+})\)，进而计算\(pH\)。

四、\(pH\)的测定

\(pH\)试纸：\(pH\)试纸是一种常用的测定溶液\(pH\)的工具。使用时，将\(pH\)试纸放在表面皿或玻璃片上，用玻璃棒蘸取待测溶液滴在\(pH\)试纸上，然后与标准比色卡对照，读出溶液的\(pH\)。\(pH\)试纸分为广泛\(pH\)试纸和精密\(pH\)试纸，广泛\(pH\)试纸的测量范围是\(1 - 14\)，只能粗略地测定溶液的\(pH\)；精密\(pH\)试纸可以更精确地测定溶液的\(pH\)，但测量范围较窄。

\(pH\)计：\(pH\)计又称酸度计，是一种精确测定溶液\(pH\)的仪器。它通过测量溶液中的电位差来确定溶液的\(pH\)，测量精度高，可精确到\(0.01pH\)单位甚至更高。使用时，先将\(pH\)计进行校准，然后将电极插入待测溶液中，即可直接读出溶液的\(pH\)。

五、溶液酸碱性及\(pH\)在生活和生产中的应用

生活中的应用：人体血液的\(pH\)范围一般在\(7.35 - 7.45\)之间，若血液\(pH\)超出这个范围，就会影响人体的正常生理功能，甚至导致疾病。日常生活中，我们使用的洗发水、沐浴露等通常呈弱酸性或弱碱性，以适应皮肤和头发的生理特点。例如，弱酸性的洗发水有助于保持头发的光泽和弹性。

工业生产中的应用：在化工生产中，许多反应需要在特定的\(pH\)条件下进行。例如，电镀时，需要控制电镀液的\(pH\)，以保证镀层的质量和性能。在废水处理中，也需要调节废水的\(pH\)，使其达到排放标准后再排放，以减少对环境的污染。

水的电离和溶液的\(pH\)是高中化学中重要的基础理论知识，在化学学科的各个领域以及日常生活和工业生产中都有着广泛的应用。

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