Электроника?.. Нет ничего проще! - Эймишен Жан-Поль - Страница 16

Н. — Но в химии я не так-то силен.

Л. — Беда не велика. Тебе сейчас достаточно лишь знать, что химические реакции представляют собой не что иное, как электрические взаимодействия между различными ионами (сейчас я говорю только о химии растворов). Кислотой называют вещество, которое в растворе освобождает водородные ионы Н+, т. е. водородные атомы, потерявшие свой электрон.

Н. — Следовательно, это протоны.

Л. — Совершенно верно. И эти протоны горят желанием возвратить утерянный электрон, и чаще всего они забирают его у отрицательных ионов, обладающих избытком электронов. Например, в растворах имеются ионы, именуемые гидроксильной группой ОН-, состоящие из одного атома кислорода, одного атома водорода и одного лишнего электрона. Эти ионы стремятся соединиться с ионами Н+.

Рис. 34. Если к двум опущенным в воду электродам приложить разность потенциалов, то ионы Н+ направятся к катоду, где получат недостающий им электрон и превратятся в водород. Это явление называется электролизом (ионы ОН- отдают свой заряд на аноде и разлагаются с выделением кислорода).

Н. — и что получается в результате?

Л. — Просто-напросто вода Н2О — нейтральное соединение. Молекулы воды в свою очередь имеют некоторую тенденцию распасться на ионы Н+ и ОН-, но таких молекул крайне мало: чистая вода очень плохо проводит электрический ток.

Протекающую реакцию записывают следующим образом:

Двойная стрелка обозначает, что реакция может протекать в обоих направлениях, но происходит она преимущественно в направлении справа налево. На основе одного химического закона можно доказать, что произведение количества содержащихся в воде ионов Н+ (концентрация, обозначается | Н+|) на количество содержащихся в воде ионов ОН- (обозначается | ОН-|) всегда постоянно и равно | Н+| х | ОН-| = 10-14.

Н. — В самом деле, не очень много! Это составляет одну стотысячную одной миллиардной! Как же обозначают цифрами такие концентрации?

Л. — Их выражают в «грамм-ионах на литр» (г·ион/л), т. е. числом, показывающим, сколько раз 1 г ионов Н+или 17 г ионов ОН- содержится в литре (что соответствует 6·1023 настоящих ионов). Само собой разумеется, что взвесить ионы нельзя, так как нет возможности получить их в свободном состоянии. Но их количество можно определить косвенными методами. Например, можно возвратить ионам Н+ недостающие им электроны, в результате чего получится газ водород (рис. 34), объем которого можно замерить, а это даст нам и вес (примерно 1 г на 11 л).

Н. — По твоему уравнению диссоциации количество ионов Н+ должно точно соответствовать количеству ионов ОН-. Разве не так?

Л. — Да, если бы я не добавил в воду постороннее вещество. Ну и раз ты находишься на верном пути, скажи мне, какова концентрация ионов Н+ в чистой воде.

Н. — Это можно рассчитать. Если | Н+| = | ОН-|, а их произведение равно 10-14, то концентрация каждого из названных ионов составляет 10-7.

Л. — Прекрасно. Если теперь я добавлю в воду кислоту, которая высвобождает большое количество ионов Н+, то концентрация ионов ОН- снизится, потому что произведение | Н+| х | ОН-| остается равным 10-14. Чем больше ионов Н+, тем более выраженный кислотный характер приобретает раствор. Теперь принято измерять количество ионов Н+ в растворе и обозначать его логарифмом в сопровождении значка Н+, эту величину называют водородным показателем pH раствора.

Н. — О! Опять логарифмы! Они приводят меня в ужас.

Л. — Все это не так страшно. Запомни только логарифмы некоторых чисел:

Н. — Значит, логарифм всего лишь показатель степени числа 10?

Л. — Видишь, ты сам это понял. Когда говорят, что pH раствора, например, 6, это означает, что концентрация ионов Н+ в этом растворе составляет 10-6. Ты знаешь, что очень чистая вода имеет показатель pH, равный 7. У кислых растворов показатель pH меньше 7…

Н. — Нет, ты ошибаешься! В кислых растворах концентрация ионов Н+ выше.

Л. — Подожди, Незнайкин, разве ты не согласен, что 10-2 (или 0,01) все же больше, чем 10-7 (или 0,0000001)?

Н. — Согласен, ты прав. Но скажи, пожалуйста, до какого уровня может опуститься показатель pH в очень кислых растворах?

Л. — При pH = 0 в растворе в каждом литре содержится 1 грамм-ион Н+. А так как концентрация этих ионов может быть немного выше, то величина pH может спуститься несколько ниже нуля — почти до —1.

И наоборот, в основных (или щелочных) растворах, куда добавили ионов ОН-, концентрация ионов Н+ опускается ниже уровня 10-7 и может дойти до 10-14 (когда на каждый литр раствора приходится 1 грамм-ион ОН-) и показатель pH может достичь 14.

Иногда показатель может еще повышаться почти до 15, но эти случаи носят скорее характер исключения, чем правила.

Н. — Но тогда величину pH совершенно невозможно измерить?

Л. — Почему ты думаешь, что при высоких значениях pH, иначе говоря у щелочных растворов, труднее измерить этот показатель?

Н. — Да потому, что даже с помощью точных измерительных приборов невозможно измерить количество ионов, когда в литре их всего лишь 10-12 или того меньше.

Л. — Ты совершенно прав, если пользоваться химическими методами (они бессильны уже при pH = 3). На практике же пользуются электрическими измерениями. Установили, что, когда тонкая перегородка из специального стекла разделяет два раствора с pH соответственно pH1 и рН2 (рис. 35), образуется электрическая батарея, э. д. с. которой примерно равна:

E = E0 + 0,06·(рН1 - рН2),

где Е0 — постоянная величина, зависящая от нескольких факторов.