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.