6.5: Дисоціація води
- Page ID
- 25548
Як дисоціюють молекули води?
Вода - це амфотерна речовина, що означає, що вода може приймати протон, який діє як основа, і вона також може пожертвувати протон, що діє як кислота.
Близько однієї молекули води в півмільярда дисоціює в ОН - іон, втрачаючи протон іншій молекулі води. Молекула, яка отримує протон, стає H 3 O +.
Дисоціація води - це реакція рівноваги, при якій одна молекула води дарує свій протон іншій молекулі води.
Молекула води, яка отримує протон, діє як основа, і вона перетворюється в кон'югатну кислоту H 3 O +. Інша молекула води, яка дарує протон, діє як кислота, і вона перетворюється на кон'югатну основу ОН -. Стрілки в реакції показують, що основа використовує одну зі своїх самотніх пар електронів для створення зв'язку з протоном, а попередня зв'язкова пара електронів перетворюється в третю самотню пару електронів на атомі кисню основи. Реакція оборотна, тобто кон'югатна кислота (H 3 O +) і кон'югатна основа (ОН -) реагують на повторне формування двох молекул води.
Постійна дисоціації води
Дисоціація води - це реакція рівноваги. Це означає, що швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції, а концентрація реагентів і продуктів не змінюється при рівновазі. Молярна концентрація H 3 O + представлена як [H 3 O +] дорівнює 10 -7 М в пробі чистої води при 25 о С, де М знаходиться в моль/літр. Молярна концентрація ОН - представлена як [ОН -] дорівнює молярній концентрації Н 3 О + в чистій воді, тобто [Н 3 О +] = [ОН -] = 10 -7 М.
Твір молярної концентрації Н 3 О + і ОН - у воді є постійна, звана постійною дисоціації води K w, рівною 10 -14 при 25 о С, т. Е.
\[\mathrm{K}_{\mathrm{w}}=\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]\left[\mathrm{OH}^{-}\right]=\left(10^{-7}\right)\left(10^{-7}\right)=10^{-14}\nonumber\nonumber\]
Нейтральні, кислі або основні водні розчини
Розчин, який має рівну концентрацію Н 3 О + і ОН -, кожен дорівнює 10 -7 М, є нейтральним розчином.
Кислий розчин має кислоту, розчинену у воді. Коли кислота розчиняється у воді, вона дисоціює, додаючи більше Н 3 О +. [OH -] має зменшуватися, щоб зберегти постійну K w.
Розчин, який має [Н 3 О +] більше 10 -7, а [ОН -] менше 10 -7 є кислим розчином.
Базовий розчин має основу, розчинену у воді. Коли основа розчиняється у воді, вона дисоціює, додаючи більше ОН -. [H 3 O +] повинен зменшуватися, щоб зберегти постійну K w.
Розчин, який має [Н 3 О +] менше 10 -7, а [ОН -] більше 10 -7 є базовим рішенням.
Розрахунки [Н 3 О +] і [ОН -] на основі K w
Постійна дисоціації води залишається незмінною, незалежно від того, чи є водний розчин нейтральним, кислим або основним, тобто:
\ begin {рівняння}
\ математика {K} _ {\ mathrm {w}} =\ лівий [\ математика {H} _ {3}\ mathrm {O} _ {-} ^ {+}\ праворуч]\ лівий [\ mathrm {OH} ^ {-}\ праворуч] =\ лівий (10^ {-7}\ правий)\ лівий (10^ {-7}\ правий)\ лівий (10^ {-7}\ праворуч) =10^ {-14}\ текст {at} 25^ {\ circ}\ mathrm {C}\ nonumber
\ end {рівняння}
Тому, якщо відома молярна концентрація іонів гідронію [Н 3 О +], молярну концентрацію гідроксидних іонів [ОН -] можна розрахувати за такою формулою:
\[\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]=\frac{\mathrm{K}_{w}}{[\mathrm{OH}^{-}]}=\frac{10^{-14}}{[\mathrm{OH}^{-}]}\nonumber\]
Аналогічно, якщо відома молярна концентрація гідроксид-іонів [ОН -], молярну концентрацію іонів гідронію [ОН -] можна розрахувати за такою формулою:
\[\left[\mathrm{OH}^{-}\right]=\frac{K_{w}}{\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]}=\frac{10^{-14}}{\left[\mathrm{H}_{3}\mathrm{O}^{+}\right]}\nonumber\]
Коли сильна кислота, як HCl, розчиняється у воді, вона дисоціює ~ 100% на іони. Тому [Н 3 О +] дорівнює молярній концентрації кислоти. Кількість H 3 O +, додана дисоціацією молекул води, дуже мала в порівнянні з тією, що надходить від дисоціації сильної кислоти, і її можна знехтувати. Аналогічно, коли сильна основа, як NaOH, розчиняється у воді, вона дисоціює ~ 100% на іони. Тому [ОН -] дорівнює молярної концентрації підстави.
Коли слабка кислота або слабка основа розчиняється у воді, вона частково дисоціює на іони. Тому [Н 3 О +] або [ОН -] у випадках слабких кислот і слабких підстав доводиться визначати експериментальним шляхом для розрахунків.
Розрахувати концентрацію ОН - іонів в 0,10 М розчині HNO 3?
Рішення
HNO 3 є сильною кислотою. Тому [ГНО 3] = 0,10 М = [Н 3 О +]. Бажаний [ОН -] =?
Формула:\(\left[\mathrm{OH}^{-}\right]=\frac{10^{-14}}{\left[\mathrm{H}_{3}\mathrm{O}^{+}\right]}\)
Підключіть значення і розрахуйте:\(\left[0 \mathrm{H}^{-}\right]=\frac{10^{-14}}{0.10}=10^{-13}\mathrm{~M}\)
Оцтовий розчин має [Н 3 О +] = 2,0 х 10 -3. а) Яка концентрація іонів гідроксиду в оцтовому розчині? б) розчин кислий, основний або нейтральний?
Рішення
а) Задано [Н 3 О +] = 2,0 х 10 -3. Бажаний [ОН -] =?
Формула:\(\left[\mathrm{OH}^{-}\right]=\frac{10^{-14}}{\left[\mathrm{H}_{3}\mathrm{O}^{+}\right]}\)
Підключіть значення та розрахуйте:\(\left[0 H^{-}\right]=\frac{10^{-14}}{2.0 \times 10^{-3}}=5.0 \times 10^{-12} \mathrm{M}\)
б) Розчин кислий, оскільки [H 3 O +] > [ОН -].
Обчислити значення [Н 3 О +] і [ОН -] в 0,010 М розчині NaOH?
Рішення
NaOH є міцною базою. Тому [NaOH] = 0,010 М = [ОН -]. Бажаний [Н 3 О +] =?
Формула:\(\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]=\mathrm{K}_{\mathrm{w}} /\left[\mathrm{OH}^{-}\right]=10^{-14} /\left[\mathrm{OH}^{-}\right]\)
Розрахунки:\(\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]=10^{-14} / 0.010=10^{-12} \mathrm{M}\)
а) Обчислити [Н 3 О +] в розчині аміаку, який має [ОН -] = 4,0 х 10 -4 М? б) Чи є
розчин кислотний, основний або нейтральний?
Рішення
а) Задано [ОН -] = 4,0 х 10 -4. Бажаний [Н 3 О +] =?
Формула:\(\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]=\mathrm{K}_{\mathrm{w}} /\left[\mathrm{OH}^{-}\right]=10^{-14} /\left[\mathrm{OH}^{-}\right]\)
Розрахунки:\(\left[0 H^{-}\right]=\frac{10^{-14}}{4.0 \times 10^{-4}}=2.5 \times 10^{-11} \mathrm{M}\)
б) Рішення є основним, оскільки [H 3 O +] < [ОН -].