12.6: Автоіонізація води

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22461

Anonymous
LibreTexts

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть автоіонізацію води.
Обчисліть концентрації Н ⁺ і ОН ⁻ в розчині, знаючи іншу концентрацію.

Ми вже бачили, що Н ₂ О може виступати кислотою або основою:

NH ₃ + H ₂ O → NH ₄ ⁺ ОН ⁻ (H ₂ O діє як кислота)

HCl+ H ₂ O → H ₃ O ⁺ Cl ⁻ (H ₂ O виступає в якості основи)

Це може бути не дивно, щоб дізнатися, що в межах будь-якого заданого зразка води деякі молекули H ₂ O діють як кислоти, а інші молекули H ₂ O діють як основи. Хімічне рівняння виглядає наступним чином:

Н ₂ О + Н ₂ О → Н ₃ О ⁺ ОН ⁻

Це відбувається лише в дуже малій мірі: в цьому процесі беруть участь лише близько 6 в 10 ⁸ молекул Н ₂ О, який називається автоіонізацією води. На цьому рівні концентрація ^H+ (aq) та OH ⁻ (aq) у зразку чистого H ₂ O становить близько 1,0 × 10 ⁻⁷ М. Якщо використовувати квадратні дужки— [] —навколо розчиненого виду, щоб мати на увазі молярну концентрацію цього виду ми маємо

[H ⁺] = [ОН ⁻] = 1,0 × 10 ⁻⁷ М

для будь-якого зразка чистої води, оскільки Н ₂ О може виступати як кислотою, так і основою. Продукт цих двох концентрацій становить 1,0 × 10 ⁻¹⁴:

[H ⁺] × [ОН ⁻] = (1,0 × 10 ⁻⁷) (1,0 × 10 ⁻⁷) = 1,0 × 10 ⁻¹⁴

У кислотах концентрація H ⁺ (aq) — [H ⁺] —більше 1,0 × 10 ⁻⁷ М, тоді як для основ концентрація OH ⁻ (aq) — [OH ⁻] — більше 1,0 × 10 ⁻⁷Однак добуток двох концентрацій— [H ⁺] [OH ^{−] -} завжди дорівнює 1,0 × 10 ⁻¹⁴, незалежно від того, чи є водний розчин кислотою, основою чи нейтральним:

[H ⁺] [ОН ⁻] = 1,0 × 10 ⁻¹⁴

Це значення продукту концентрацій настільки важливо для водних розчинів, що називається постійною автоіонізації води і позначається K _w:

К _ш = [Н ⁺] [ОН ⁻] = 1,0 × 10 ⁻¹⁴

Це означає, що якщо ви знаєте [H ⁺] для розв'язку, ви можете обчислити, яким має бути [OH ⁻], щоб добуток дорівнював 1,0 × 10 ⁻¹⁴, або якщо ви знаєте [OH ⁻], ви можете обчислити [H ⁺]. Це також означає, що коли одна концентрація зростає, інша повинна спуститися вниз, щоб компенсувати так, щоб їх продукт завжди дорівнював значенню K _w.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Що таке [ОН ⁻] водного розчину, якщо [H ⁺] дорівнює 1,0 × 10 ⁻⁴ М?

Рішення

Використовуючи вираз і відоме значення для K _w,

K _w = [Н ⁺] [ОН ⁻] = 1,0 × 10 ⁻¹⁴ = (1,0 × 10 ⁻⁴) [ОН ⁻]

Вирішуємо діленням обох сторін рівняння на 1,0 × 10 ⁻⁴:

\[\left [ OH^{-} \right ]=\frac{1.0\times 10^{-14}}{1.0\times 10^{-4}}=1.0\times 10^{-10}M\nonumber \]

Передбачається, що одиницею концентрації є молярність, тому [ОН ⁻] дорівнює 1,0 × 10 ⁻¹⁰ М.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Що таке [H ⁺] водного розчину, якщо [ОН ⁻] дорівнює 1,0 × 10 ⁻⁹ М?

Відповідь: 1,0 × 10 ⁻⁵ М

Коли у вас є розчин певної кислоти або основи, вам потрібно поглянути на формулу кислоти або основи, щоб визначити кількість іонів H ⁺ або OH ⁻ в одиниці формули, оскільки [H ⁺] або [OH ⁻] може не бути так само, як і концентрація самої кислоти або основи.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Що таке [Н ⁺] в 0,0044 М розчині Са (ОН) ₂?

Рішення

Почнемо з визначення [OH ⁻]. Концентрація розчиненої речовини становить 0,0044 М, але оскільки Ca (OH) ₂ є сильною основою, у розчині є два OH ⁻ іони для кожної розчиненої одиниці формули, тому фактичний [OH ⁻] в два рази це, або 2 × 0,0044 М = 0,0088 М. Тепер ми можемо використовуйте вираз K _w:

[Н ⁺] [ОН ⁻] = 1,0 × 10 ⁻¹⁴ = [Н ⁺] (0,0088 М)

Розділіть обидві сторони на 0,0088:

\[\left [ H^{+} \right ]=\frac{1.0\times 10^{-14}}{(0.0088)}=1.1\times 10^{-12}M\nonumber \]

[H ⁺] значно зменшилася в цьому базовому рішенні.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Що таке [ОН ⁻] в 0,00032 М розчині H ₂ SO ₄? (Підказка: припускаємо, що обидва іони H ⁺ іонізуються.)

Відповідь

1,6 × 10 ⁻¹¹ М

Для сильних кислот і основ [Н ⁺] і [ОН ⁻] можна визначити безпосередньо з концентрації кислоти або самої основи, оскільки ці іони 100% іонізовані за визначенням. Однак для слабких кислот і підстав це не так. Ступінь або відсоток іонізації потрібно було б знати, перш ніж ми зможемо визначити [H ⁺] і [OH ⁻].

Приклад\(\PageIndex{3}\)

0,0788 М розчин HC ₂ H ₃ O ₂ 3,0% іонізується в іони H ⁺ і C ₂ H ₃ O ₂ ⁻ іони. Що таке [H ⁺] і [OH ⁻] для цього рішення?

Рішення

Оскільки кислота іонізована лише 3,0%, ми можемо визначити [Н ⁺] з концентрації кислоти. Нагадаємо, що 3,0% дорівнює 0,030 в десятковому вигляді:

[Н ⁺] = 0,030 × 0,0788 = 0,00236 М

За допомогою цього [H ⁺], то [OH ⁻] можна обчислити наступним чином:

\[\left [ OH^{-} \right ]=\frac{1.0\times 10^{-14}}{0.00236}=4.2\times 10^{-12}M\nonumber \]

Це приблизно в 30 разів вище, ніж можна було б очікувати для сильної кислоти тієї ж концентрації.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

0,0222 М розчин піридину (C _{5 H ₅} N) 0,44% іонізується в іони піридинію (C _{5 H ₅} NH ⁺) і OH ⁻ іони. Що таке [OH ⁻] і [H ⁺] для цього рішення?

Відповідь: [ОН ⁻] = 9,77 × 10 ⁻⁵ М; [Н ⁺] = 1,02 × 10 ⁻¹⁰ М

Резюме

У будь-якому водному розчині добуток [H+] і [OH−] дорівнює\(1.0 \times 10^{−14}\) (при кімнатній температурі).