8.5: Значення нейтралітету - Автопротоліз води
- Page ID
- 18169
У попередньому розділі ми описували реакцію кислоти і основи з утворенням води. Коли вся кислота і основа були витрачені, нам залишається вода і водний розчин, що містить іонну сполуку. Інший спосіб подумати про це було б сказати, що кислота, з якої ми почали, мала високу концентрацію катіонів гідронію (H 3 O +), основа мала високу концентрацію гідроксиду аніонів (HO —), а нейтральний розчин містить лише вода. Це, однак, трохи занадто спрощено. Так само, як вода може сприяти іонізації кислот, вода також може сприяти іонізації себе. Малюнок дві молекули води, що розділяють водневий зв'язок. Так само, як і для HF, частково пов'язаний водень може переноситися вздовж водневого зв'язку, утворюючи катіон гідронію та гідроксид-аніон. Цей процес відбувається дуже швидко в чистій воді, таким чином, будь-який зразок чистої води завжди буде містити невелику концентрацію іонів гідронію і гідроксиду. Наскільки маленький «маленький»? Дуже маленький! У чистій воді при 25 о С концентрація іонів гідронію ([H 3 O +]) і гідроксидних іонів ([HO —]) буде дорівнює рівно 1 × 10 -7 М. Виходячи з цього, ми можемо розширити наші визначення кислотних, основних і нейтральних розчинів:
- Розчин кислий, якщо [Н 3 О +] > 1 × 10 -7 М.
- Розчин є основним, якщо [H 3 O +] < 1 × 10 -7 М.
- Розчин нейтральний, якщо [Н 3 О +] = 1 × 10 -7 М.
Працюючи з цими визначеннями, якщо у вас розчин з [Н 3 О +] = 4,5 × 10 -4 М, він буде кислим (4,5 × 10 -4 > 1 × 10 -7). Якщо у вас розчин з [Н 3 О +] = 1 × 10 -4 М, він буде базовим (1 × 10 -4 < 1 × 10 -7). Нарешті, нейтральним рішенням є той, в якому [H 3 O +] і [HO —] обидва 1 × 10 -7 М.
Згадуючи наше обговорення констант дисоціації кислоти з розділу 8.2, ми можемо записати рівновагу іонізації для води
\[\ce{2 H2O(l) <=> H3O^{+}(aq) + OH^{–} (aq)} \nonumber \]
і вираз для константи дисоціації, K a, як показано нижче:
\[\begin{align*} K_{a} &=\dfrac{a_{H_3O^+}·a_{OH^-}}{a_{H_2O}^2} \\[4pt] &\approx \dfrac{[H_{3}O^{+}][HO^{-}]}{(1)^{2}} \\[4pt] &=[H_{3}O^{+}][HO^{-}] \end{align*} \nonumber \]
\(a\)де активність виду. Оскільки вода є розчинником, а розчин вважається розбавленим, активність води наближається активністю чистої води, яка визначається як має значення 1. Активність кожного з розчинених речовин наближена молярністю розчиненого речовини. У цій реакції одна молекула води діє як кислота, а одна молекула води виступає в якості основи. Таким чином, ця реакція насправді може бути\(K_a\) позначена як води і води.\(K_b\) Однак найпоширенішим є позначення цієї реакції та пов'язаного з ним закону масової дії як води:\(K_w\)
\[K_{w}=[H_{3}O^{+}][HO^{-}] \nonumber \]
При нейтральності і 25 о С [Н 3 О +] і [HO —] обидва складають 1 × 10 -7 М, тому:
\[K_{w}=[1\times 10^{-7}][1\times 10^{-7}]=1\times 10^{-14} \nonumber \]
Ці прості відносини насправді досить потужні. Оскільки K W є постійною, якщо ми знаємо або іон гідронію, або концентрацію гідроксид-іонів, ми можемо безпосередньо обчислити концентрацію інших видів. Наприклад, якщо вам дано, що [H 3 O +] дорівнює 1 × 10 -4 М, [HO —] можна обчислити як:
\[\begin{align*} K_{w} &=[H_{3}O^{+}][HO^{-}] \\[4pt] &=1\times 10^{-14} \\[4pt] &=[1\times 10^{-4}][HO^{-}] \end{align*} \nonumber \]
\[[HO^{-}]=\frac{1\times 10^{-14}}{1\times 10^{-4}}=1\times 10^{-10}M \nonumber \]
Розчин при 25 о С, як відомо, має концентрацію іонів гідронію 4,5 × 10 -5 М; яка концентрація гідроксид-іона в цьому розчині?
Відомо, що розчин при 25 о С має концентрацію гідроксид-іонів 7,5 × 10 -2 М; яка концентрація іона гідронію в цьому розчині?
Відомо, що розчин має концентрацію іонів гідронію 9,5 × 10 -8 М; яка концентрація гідроксид-іона в цьому розчині?