§ 12. Равновесие ионов в водных растворах; понятие о pH
Кислотные и щелочные свойства электролитов характеризуются величиной концентрации ионов водорода или гидроксила. Так как ионное произведение воды 
при данной температуре неизменно, а 
— величины переменные, то по величине 
или 
можно судить о кислотности или щелочности раствора.
Ионное произведение воды 
при комнатной температуре приблизительно равно 
, а в нейтральном водном растворе 
следовательно,
Таким образом, концентрация ионов водорода или гидроксила, равная 
, соответствует нейтральной среде. Увеличение или уменьшение 
или 
сказывается на характере среды. Например, реакция среды кислая, если величина 
уменьшается (по сравнению с 
) 
при соответственном повышении величины 
реакция среды щелочная.
Следовательно, всякий раствор мы будем называть нейтральным, если в нем при комнатной температуре
Для кислых растворов справедливо условие:
а для щелочных растворов:
Например, если концентрация ионов водорода в растворе равна 
, то реакция раствора кислая. Концентрация ионов гидроксила в таком растворе меньше концентрации ионов водорода, что можно вычислить по ионному произведению воды:
Следует иметь в виду, что в водных растворах различных веществ независимо от их природы и характера всегда сосуществуют два взаимно отрицающие друг друга начала: носители кислых свойств — ионы водорода и носители основных свойств — ионы гидроксила. Например, 
-ионы существуют не только в водных растворах кислот, но и в водных растворах оснований; 
-ионы имеются не только в водных растворах оснований, но и в водных растворах кислот. В процессе самых разнообразных реакций (нейтрализации — гидролиза, окисления — восстановления, осаждения — растворения и др.) 
в водных растворах могут меняться в широких пределах вследствие либо нейтрализации 
или 
ионов, либо их образования, но всегда и неизменно при 20—25° С произведение концентраций ионов водорода и ионов гидроксила составляет величину, равную ионному произведению воды, т. е. 
.
Так, реакция 
сопровождается понижением концентрации 
-ионов, а реакция 
повышением концентрации 
-ионов.
Концентрация ионов водорода нередко обусловливает направление и оптимальные условия протекания химических реакций, поэтому контроль за состоянием среды в процессе химико-аналитических превращений имеет огромное значение в аналитической химии.
Показатель концентрации ионов водорода. Описанный способ выражения кислотности и щелочности очень показателен, однако представляет некоторые неудобства при выражении малых значений 
.
В настоящее время вместо значения 
применяют отрицательный логарифм этой величины, который называют показателем концентрации ионов водорода и обозначают 
:
Для чистой воды 
.
Соответственно
При уменьшении 
значение 
увеличивается; при увеличении 
значение 
уменьшается:
в нейтральном водном растворе 
;
в кислом водном растворе 
;
в щелочном водном растворе 
.
Если испытуемый раствор имеет 
, то 
, так как
Рис. 1 дает наглядное представление о состоянии среды и величине 
.
Рис. 1. Зависимость среды раствора от величины 
и 
.
Ниже приведена примеры вычисления 
.
Пример 1. Вычислить 
раствора, если 
. Решение. 
.
Пример 2. Вычислить 
, если 
.
Решение. 
.
Пример 3. Вычислить 
, если 
.
Решение. Исходя из выражения
получим:
Так как любое число 
равно числу 10, возведенному в степень, равную логарифму данного числа, т. е. 
, то 
.
Произведение 
ранее представления об ионном произведении воды применимы для случая диссоциации химически чистой воды.
В водных растворах, в которых равновесные концентрации ионов водорода или гидроксила могут составлять большие величины (например, в водных растворах кислот и оснований), ионное произведение воды должно выражаться формулой:
где 
— соответственно активности ионов водорода и ионов гидроксила;
— истинная константа; ее значение не зависит от величины ионной силы раствора.
Так как 
, то можно написать:
Следовательно,
где 
— коэффициенты активности; 
— среднее значение коэффициента активности.
Таким образом, величина 
отличается от величины 
.
Уравнение (21) показывает, что в водных растворах электролитов значение 
может изменяться в зависимости от величины ионной силы раствора.
В химически чистой воде, в которой равновесные концентрации ионов водорода и гидроксила чрезвычайно малы и составляют всего лишь 
следовательно,
