水是一種既能釋放質(zhì)子也能接受質(zhì)子的兩性物質(zhì)。水在一定程度上也微弱地離解,質(zhì)子從一個(gè)水分子轉(zhuǎn)移給另一個(gè)水分子,形成H3O+和OH-。
達(dá)到平衡時(shí),可得水的離解常數(shù)Ki
或[H2O+][OH-]=K1[H2O]2
由于水的離解度極小,[HO]數(shù)值可以看作是一個(gè)常數(shù),令K1[H2O]2等于另一新常數(shù)Kw,則
[H3O+][OH-]=Kw
Kw稱為水的離子積常數(shù),簡(jiǎn)稱水的離子積。上式表示在一定溫度時(shí),水中氫離子濃度與氫氧離子濃度的乘積為一常數(shù)(表3-1)。25℃時(shí),由實(shí)驗(yàn)測(cè)出在純水中[H3O+]和[OH-]各為1.0×10-‑7mol·L-1。通常將水合離子H3O+簡(jiǎn)寫為H+,這樣,在常溫時(shí):
表3-1 不同濕度時(shí)水的離子積
溫度/℃ | KW | I溫度/℃ | 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)
由于水離解時(shí)要吸收大量的熱,所以溫度升高,水的離解度和KW也相應(yīng)地增大。
水的離子積原理不僅適用于純水,也適用于一切稀的水溶液。在任何稀的水溶液中,不論[H+]和[OH-]怎樣改變,它們的乘積總是等于KW。
在純水或中性溶液中,25℃時(shí)
當(dāng)向水中加入酸時(shí),溶液中[H+]就會(huì)增大,設(shè)達(dá)到新的平衡時(shí)該溶液的[H+]為1.0×10-2mol·L-1,因[H+][OH-]=1.0×10-14,則
可見,在酸性溶液中,[H+]>1.0×10-7 mol·L-1,而[OH-]<1.0×10-7 mol·L-1.
如果向純水中加入堿時(shí),溶液中[OH-]就會(huì)增大,設(shè)達(dá)到新的平衡時(shí)該溶液的[OH-]為1.0×10-2mol·L-1,同理計(jì)算出[H+]=1.0×10-12 mol·L-1。可見,在堿性溶液中[OH-]>1.0×10-7mol·L-1,而[H+]<1.0×10-7 mol·L-1。由上述三種情況可知:
在純水或中性溶液中 [H+]=1.0×10-7 mol·L-1=[OH-]
在酸性溶液中[H+]>1.0×10-7mol·L-1>[OH-]
在堿性溶液中[H+]<1.0×10-7mol·L-1<[OH-]
當(dāng)然,[H+]或[OH-]都可用來表示溶液中的中性、酸性或堿性,但實(shí)際應(yīng)用中多采用[H+]來表示。但是,在生物學(xué)與醫(yī)學(xué)上許多重要溶液的[H+]往往是一個(gè)很小的數(shù)值,而且?guī)в胸?fù)指數(shù),用[H+]表示溶液的酸堿性不方便。例如,人的血液[H+]為0.0000000398mol·L-1,即3.98×10-8 mol·L-1,血液究竟是酸性還是堿性,不容易看清楚。索侖生(Sorensen)首先提出用PH值表示水溶液的酸堿性。
溶液的PH值是氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值。
它的數(shù)學(xué)表示式為:pH=-lg[H+]
即 [www.med126.comH+]=10-pH(3-3)嚴(yán)格地說,考慮活度時(shí):
Pα+=lgαH+。3-4)
必須注意,PH值每相差一個(gè)單位時(shí),其[H+]相差10倍;PH值相差二個(gè)單位時(shí),[H+]相差100倍;依此類推。
用PH值表示稀的水溶液的酸堿性,則有“
在純水或中性溶液中, [H+]=1.0×10-7 mol·L-1 PH=7
在酸性溶液中, [H+]>1.0×10-7mol·L-1 PH<7 ,PH越小,則酸性越強(qiáng)。
在堿性溶液中, [H+]<1.0×10-7 mol·L-1 PH>7,PH越大,則堿性越強(qiáng)。
和PH相仿,[OH-]和KW也可用它們的負(fù)對(duì)數(shù)來表示,即
pOH=-lg[OH-] (3-5)
pKw=-lgKw。3-6)
由于在25℃時(shí),[H+][OH-]=KW=1.0×10-14
將方程兩邊取負(fù)對(duì)數(shù),則得
-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值與溶液酸堿性的關(guān)系如表3-2。
表3-2 [H+],[OH-],PH,POH值與溶液酸堿性的關(guān)系
[H+] | 100 | 10-1 | 10-2 | 10-3 | 10-4 | 10-5 | 10-6 | 10-7 | 10-8 | 10-9 | 10-10 | 10-11 | 10-12 | 10-13 | 10-14 |
PH | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
的酸 堿性 | 中酸性逐漸增強(qiáng)性 堿性逐漸增強(qiáng) | ||||||||||||||
POH | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
[OH-] | 10-14 | 10-13 | 10-12 | 10-11 | 10-10 | 10-9 | 10-8 | 10-7 | 10-6 | 10-5 | 10-4 | 10-3 | 10-2 | 10-1 | 100 |
在實(shí)際應(yīng)用中,PH值一般只限于0-14范圍內(nèi)。當(dāng) [H+]或[OH-]大于(即100)時(shí),就不再采用PH值,而仍用[H+]或[OH-]表示溶液的酸堿性。
必須注意,用PH值表示的是溶液的酸度或有效酸度而不是酸的濃度。酸度或有效酸度是指溶液中H+濃度,嚴(yán)格地說是指H+的活度,是指已離解部分酸的濃度。酸的濃度也稱總酸度或分析濃度,它是指在1升溶液中所含酸的物質(zhì)的量,包括已離解和未離解兩部分酸的總濃度,其大小要用滴定分析來確定。酸度或有效酸度則用PH試紙或PH計(jì)來測(cè)定。潛在酸度是指未離解部分的濃度,即總酸度與有效酸度之差。例如,0.01mol·L-1HCL和0.01 mol·L-1HOAc的濃度相同,但有效quanxiangyun.cn/yaoshi/酸度不同。0.01 mol·L-1HCL溶液總酸度為0.01mol·L-1,其有效酸度[H+]也是相同數(shù)值,25℃時(shí),總酸度為0.01mol·L-1的HOAc溶液,其有效酸度[H+]則僅為4.2×10-4mol·L-1。
例1 分別求出0.1mol.L-1 HCl溶液和0.01mol.L-1 HOAc溶液的pH值,已知其[H+]分別為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,計(jì)算該溶液的氫離子濃度。
解:-lg[H+]=pH=4.60
lg[H+]=4.60=-5+0.40=5.40
查0.4的反數(shù)為2.512,故
[H+]=2.512*10-5mol.L-1
醫(yī)學(xué)上常用PH來表示體液的酸堿性(見表3-3)。PH值在醫(yī)學(xué)上具有很重要的意義,例如,正常人血漿的PH值相當(dāng)恒定,保持在7.35-7.45之間,如果血液的PH值大于7.5,在臨床上就表現(xiàn)出明顯的堿中毒.反之,當(dāng)血液的PH值小于7.3時(shí),則表現(xiàn)出明顯的酸中毒。
測(cè)定溶液中PH值的方法很多,臨床上常用PH試紙測(cè)定病人尿液的PH值。更為精確的測(cè)定PH值,要使用PH計(jì)。
表3-3 人體各種體液的PH值
體液 | PH | 體液 | PH |
血清 | 7.35~7.45 | 大腸液 | 8.3~8.4 |
成人胃液 | 0.9~1.5 | 乳 | 6.6~6.9 |
嬰兒胃液 | 5.0 | 淚 | 7.4 |
唾液 | 6.35~6.85 | 尿 | 4.8~7.5 |
胰液 | 7.5~8.0 | 腦脊液 | 7.35~7.45 |
小腸液 | 7.6左右 |