Autodysocjacja wody - Polski Serwis Naukowy

Temperaturowa zależność iloczynu jonowego wody (przy stałym ciśnieniu absolutnym 25 MPa)

Ciśnieniowa zależność iloczynu jonowego wody (przy stałej temperaturze 25 °C)

Autodysocjacja wody lub autoprotoliza wody – samorzutna autodysocjacja cząsteczek wody pozostających w stanie ciekłym. Proces ten ma duże znaczenie praktyczne – decyduje m.in. o zdolności wody do rozpuszczania substancji jonowych a stała równowagi tej reakcji stanowi podstawę skali pH.

Warunki standardowe – ściśle określona temperatura i ciśnienie otoczenia, które stanowią rodzaj punktu odniesienia do rozmaitych obliczeń fizykochemicznych.

Stała równowagi - współczynnik opisujący stan równowagi odwracalnych reakcji chemicznych. Stała ta jest równa ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, t.j. w sytuacji gdy szybkość reakcji w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów jest dokładnie taka sama.

Przebieg reakcji autodysocjacji wody: H2O + H2O ⇌ H3O + OH

Stałe reakcji

Zaniedbując aktywności, stałą równowagi tej reakcji można zdefiniować wzorem: $K_{dys, w} = \frac{[H_{3}O^{+}] [OH^{-}]} {[H_{2}O]^{2}}$

W warunkach standardowych ma ona wartość 3,23×10 co w praktyce oznacza, że jest ona bardzo silnie przesunięta w stronę substratu, czyli niezdysocjowanej formy wody. W idealnie czystej wodzie w warunkach standardowych stężenie jonów [H3O] i [OH] wynosi ok. 10 mol/l.

Stała kwasowa dana wzorem:

Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.

Stała dysocjacji (obecnie często zwana po prostu stałą jonizacji) to stała równowagi reakcji dysocjacji czyli rozpadu związków chemicznych na poszczególne jony, pod wpływem rozpuszczalnika, lub pod wpływem np. działania silnego pola elektrycznego.

Ka = Keq[H2O] = ([H3O][OH])/[H2O] gdzie [H2O] ≈ 55,6 mol/dm

ma w warunkach standardowych wartość 1,8×10.

Podane powyżej wartości otrzymane są przy użyciu stężenia molowego wody. Wartości numeryczne tych stałych były by znacząco inne w przypadku użycia aktywności rozpuszczalnika zamiast jego stężenia, ponieważ aktywność czystego rozpuszczalnika jest w termodynamice chemicznej zwykle przyjmowana jako równa jedności, podczas gdy stężenie molowe czystej wody wynosi około 55,6 mol/l.

Iloczyn jonowy - rodzaj uproszczonej stałej równowagi reakcji autodysocjacji związków chemicznych, które są na tyle słabymi elektrolitami, że można pominąć w tej stałej stężenie niezdysocjowanej formy związku.

Iloczyn rozpuszczalności - iloczyn odpowiednich potęg stężeń jonów (stężeniowy) lub aktywności jonów (termodynamiczny) znajdujących się w nasyconym roztworze elektrolitu. Ma charakter stałej równowagi dynamicznej i zależy od temperatury. W zależności od tego, czy reakcja rozpuszczania soli jest egzoenergetyczna, czy endoenergetyczna, rozpuszczalność albo maleje, albo rośnie ze wzrostem temperatury, zgodnie z regułą przekory Le Chateliera-Brauna.

Iloczyn jonowy wody

W przypadku rozcieńczonych roztworów wodnych można przyjąć, że stężenie molowe niezdysocjowanej formy wody jest stalą, a aktywność czystego rozpuszczalnika wynosi 1. Obserwacja ta stanowi podstawę definicji iloczynu jonowego wody. Zaniedbując aktywności: Kw = Ka[H2O] = K(dys, w)[H2O] = [H3O][OH]

Wartość iloczynu jonowego wody w temperaturze pokojowej wynosi ok. 10.

Autodysocjacja - rodzaj dysocjacji elektrolitycznej, w której czysty związek chemiczny w postaci cząsteczkowej rozpada się na jony pod wpływem innych cząsteczek tego samego związku, pełniąc przy tym rolę zarówno kwasu jak i zasady. Autodysocjacja jest możliwa, gdy cząsteczki związku mają budowę polarną.

Wydawnictwo Naukowe PWN SA – polskie wydawnictwo z siedzibą w Warszawie, założone w 1951, w obecnej formie prawnej działające od 1997. Jednostka dominująca grupy kapitałowej, w skład której wchodzi kilkanaście przedsiębiorstw, głównie wydawnictw.

Podobnie jak dla innych bardzo małych wartości wywodzących się z definicji stałej równowagi, jak iloczyn rozpuszczalności czy stała dysocjacji lub przy określaniu stężenia jonów hydroniowych oraz wodorotlenowych, wartość iloczynu jonowego podaje się jako -log10Kw (p jest operatorem oznaczającym obliczenie -log10):

John E. McMurry - chemik, emerytowany profesor Cornell University (Ithaca, USA), gdzie w latach 1980 - 2004 pracował na Wydziale Chemii i Biologii Chemicznej.

Litr (skrót l) – pozaukładowa jednostka objętości. W przeliczeniu na jednostki SI 1l = 1/1000 m3 = 1 dm3. W USA, Kanadzie, Australii do oznaczania tej jednostki stosuje się oficjalnie wielką literę "L", w pozostałych krajach świata, w tym w Polsce, normą jest stosowanie małej litery "l".

pKw = -log10Kw

Wartość pKw ≈ 14 (w temperaturze pokojowej).

W innych temperaturach/ciśnieniach

Przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym woda jest ciekła w zakresie 0 – 100 °C. Wraz ze wzrostem temperatury dysocjacja staje się łatwiejsza (reakcja endotermiczna) i iloczyn jonowy Kw rośnie, a pKw spada. Wartość pKw zmienia się od ok. 14,95 w temperaturze 0 °C przez 14,0 (25 °C) i 13,0 (60 °C) do 11,25 w temperaturze 100 °C. W mniejszym stopniu, iloczyn jonowy wody zależy również od ciśnienia (zwiększona dysocjacja przy wyższym ciśnieniu). W warunkach podwyższonego ciśnienia, woda może pozostać ciekła aż do temperatury krytycznej. Iloczyn jonowy ciekłej wody zwiększa się ze zwiększającą się temperaturą aż do temperatury około 260 °C, a potem spada. Właściwości kwasowo-zasadowe wody w szerokim zakresie temperatur i ciśnień mają duże znaczenie praktyczne (na przykład, korozja w elektrowniach).

Woda, tlenek wodoru (nazwa systematyczna IUPAC: oksydan) – związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę określa się mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia – lodem. Słowo woda jako nazwa związku chemicznego może się odnosić do każdego stanu skupienia.

Skala pH – ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na aktywności jonów hydroniowych [H3O+] w roztworach wodnych.

Związek z pH

Wartość pKw ma kluczowe znaczenie dla definicji skali pH. Między pH i pKw występuje zależność: pH + pOH = pKw

W idealnie czystej wodzie stężenia jonów [OH] i [H3O] są sobie równe, stąd: $[H_{3}O^{+}] = [OH^{-}] = \sqrt{K_{w}}$

oraz (po zlogarytmowaniu obu stron): pH = pOH = ½pKw

Wartość pH = pOH w czystej wodzie, tzw. pH neutralne, wynosi 7,00 (25 °C, ciśnienie absolutne 100 kPa) i określa umowny środek skali pH25 °C. Generalnie, wartość neutralnego pH zależy od temperatury (i w mniejszym stopniu od ciśnienia) i jest równe ½pKw.

Przypisy

John McMurry: Chemia organiczna. Wyd. 3. T. 1. Warszawa: PWN, 2005, s. 45-46. ISBN 83-01-14406-8.