Дисоціація води і ph

дисоціація води

Чиста вода, хоч і погано (в порівнянні з розчинами електролітів), але може проводити електричний струм. Це викликано здатністю молекули води розпадатися (диссоциировать) на два іона які і є провідниками електричного струму в чистій воді (нижче під дисоціацією мається на увазі електролітична дисоціація - розпад на іони):

Приблизно на 556 000 000 НЕ дисоційованому молекул води дисоціює тільки 1 молекула, проте це 60 000 000 000 дисоційованому молекул в 1мм 3. Дисоціація оборотна, тобто іони H + і OH - можуть знову утворити молекулу води. В результаті настає динамічна рівновага при якому кількість розпалися молекул дорівнює кількості утворилися з H + і OH - іонів. Іншими словами швидкості обох процесів дорівнюватимуть. Для нашого випадку, рівняння швидкості хімічної реакції можна написати так:

υ2 = κ2 • [H +] • [HO -] (для зворотного процесу)

де υ - швидкість реакції; κ - константа швидкості реакції (що залежить від природи реагуючих речовин і температури); [H2 O]. [H +] і [HO -] - концентрації (моль / л).

У стані рівноваги υ1 = υ2. отже:

Проведемо нехитрі математичні дії і отримаємо:

K - константа рівноваги, а в нашому випадки константа дисоціації, яка залежить від температури і природи речовин, і не залежить від концентрацій (також як κ1 і κ2). K для води 1,8 • 10 -16 при 25 ° C (довідкова величина).

Внаслідок дуже малої кількості продіссоціірованних молекул концентрацію [H2 O] можна прийняти рівною загальній концентрації води, а загальну концентрацію води в розведених розчинах як величину постійну: [H2 O] = 1000 (г / л) / 18 (г / моль) = 55, 6 моль / л.

Замінюючи κ1 / κ2 на K і використовуючи величину [H2 O]. визначаємо чому дорівнює твір концентрацій [H +] і [HO -]. яке називається - іонний добуток води:

K = [H +] • [HO -] / 55,6 моль / л
1,8 • 10 -16 • 55,6 моль / л = [H +] • [HO -]
10 -14 = [H +] • [HO -]

Так як, при певній температурі, величини використовуються в розрахунку іонного добутку води (K. [H2 O]) постійні, значення іонного добутку води [H +] • [HO -] так само постійно. А оскільки при дисоціації молекули води утворюється однакова кількість іонів [H +] і [HO -]. виходить що для чистої води концентрації [H +] і [HO -] дорівнюватимуть 10 -7 моль / л. З сталості іонного добутку води слід, що якщо кількість іонів H + стає більше, то кількість іонів HO - стає менше. Наприклад, якщо до чистої води додати сильну кислоту HCl, вона як сильний електроліт вся продіссоціірует на H + і Cl -. в результаті концентрація іонів H + різко збільшиться, і це призведе до збільшення швидкості процесу протилежної дисоціації, так як вона залежить від концентрацій іонів H + і OH -:

В ході прискорилося процесу протилежної дисоціації, концентрація іонів HO - зменшиться до величини відповідної нової рівноваги, при якому їх буде так мало, що швидкості дисоціації води і зворотного процесу знову будуть рівні. Якщо концентрація отриманого розчину HCl дорівнює 0,1моль / л, рівноважна концентрація [HO -] буде дорівнює:

[HO -] = 10 -14 / 0,1 = 10 -13 моль / л

При додаванні сильної основи NaOH зрушення буде в сторону зменшення концентрації H +.

Для зручності, концентрації [H +] і [HO -] висловлюють у вигляді водневого показника pH та гідроксильного показника pOH. pH і pOH - це негативні десяткові логарифми концентрацій [H +] і [HO -] (правильніше використовувати не концентрацію, а активність) відповідно:

Прологарифмируем рівняння [H +] • [HO -] = 10 -14 отримаємо:

Отримана сума pH і pOH. також як і твір, який логаріфміровать, є постійною і дорівнює 14, так якщо pH = 3 то pOH = 11 (pH і pOH можуть бути і негативними, і якщо pH = -1 тоді pOH = 15).

Залежно від pH розчини ділять на нейтральні, кислі і лужні. При pH = 7 розчин нейтральний, при pH 7 - лужний.

Від pH розчину дуже сильно залежить перебіг багатьох хімічних реакцій, як на рівні процесів проводяться в лабораторії і на виробництві, так і на рівні реакцій в живих організмах, тому хімікам і біологам з водневим показником мати справу доводиться дуже часто. Всі мешканці природних вод і грунтів адаптовані до певного водневого показника, і у випадку його зміни можуть загинути. Більшість живих організмів можуть існувати лише в середовищах, близьких до нейтральних. Почасти це пов'язано з тим, що під дією іонів H + і OH - багато білків, які містять кислотні або основні групи, змінюють свою конфігурацію і заряд. А в сильнокислой і лужної середовищах рветься пептидний зв'язок, яка з'єднує окремі амінокислотні залишки в довгі білкові ланцюги. Через це ультраосновні (Сильно) розчини викликають лужні опіки шкіри і руйнують шовк і вовна, що складаються з білка. Всі живі організми змушені підтримувати у внутрішньоклітинних рідинах певне значення рН. Від величини водневого показника ґрунтового розчину залежить врожайність різних культурних рослин. На кислих грунтах з pH = 5-5,5 не розвиваються проростки ячменю, але добре розвивається картопля.

Іон гидроксония (H3 O +)

Говорячи про іони H + робиться спрощення, так як у воді їх немає. Протон "втрачений" молекулою води приєднується до іншої молекули утворюючи іон гідроксонію H3 O +. і реакція дисоціації води записується так:

Іон гидроксония в свою чергу може об'єднаються з іншими молекулами води утворюючи гідратованих іони, наприклад, H5 O2 +. H7 O3 +. H9 O4 +.

Рухливість іонів H3 O + і OH -

Завдяки здатності протона "перескакувати" з однієї молекули на іншу, іони H3 O + і OH - значно більш рухливі інших одновалентних іонів (наприклад, ніж Na + і Cl -). Перескакування протона від молекули до молекули відбувається і в льоду, і рухливість протона в воді менше, ніж по льоду, на один порядок. Аномальні рухливості іонів H3 O + і OH - як в льоду, так і в рідкій воді є також наслідком наявності водневих зв'язків між молекулами. Ці зв'язки сприяють швидкому переносу протонів. Наприклад, один з протонів іона H3 O + може переміщатися уздовж водневого зв'язку стрибками:

Подібним чином протон молекули води може рухатися вздовж водневого зв'язку, взаємодіючи з іоном OH -:

Обидва процеси викликають міграцію електричного заряду, а при наявності прикладеного поля призводять до появи електричного струму. Згідно Ейген і Де Мейер, рухливість іона H3 O + у воді менше, ніж в льоду, через те, що система водневих зв'язків в рідкій фазі недосконала.

Коли вище йшлося про концентраціях, було зроблено спрощення, правильніше використовувати "активність іонів".