Najważniejsze informacje o iloczynie jonowym wody
Proces autodysocjacji wody
Cząsteczki wody w nieznacznym stopniu ulegają dysocjacji elektrolitycznej. Procesowi temu towarzyszy powstawanie odpowiednich drobin: jonów oksoniowych (H3O+ ) oraz wodorotlenowych (OH– ), a także ustalenie się stanu równowagi między zdysocjowaną a cząsteczkową formą elektrolitu. Cząsteczka wody ulega protonowaniu przez drugą cząsteczkę, co świadczy o jej amfiprotycznych właściwościach, może zatem pełnić rolę zarówno kwasu jak i zasady według teorii Brønsteda. Proces wyjaśniający przeniesienie protonu z jednej cząsteczki na drugą można, określić mianem autodysocjacji wody:
H2O ⬄H+ + OH–
Powyższe informacje można przedstawiać w tabeli, w której zestawiono pary kwas -zasada według teorii Brønsteda.
| Kwas | Zasada |
| H2O | OH– |
| H3O+ | H2O |
Pierwszy przykład stanowi cząsteczka wody jako kwas (donor protonu) oraz odpowiednio anion wodorotlenowy w roli sprzężonej zasady Brønsteda (akceptor protonu ) Drugą parę zaś tworzy kation oksoniowy pełniący funkcje sprzężonego kwasu oraz cząsteczka wody- zasady, według teorii Brønsteda.
Równanie iloczynu jonowego wody
Reakcja autodysocjacji może dotyczyć wody lub innego związku pełniącego rolę kwasu lub zasady Brønsteda np. NH3. Jest to proces równowagowy, dla którego można wyprowadzić wyrażanie na stałą równowagi reakcji. W przypadku wody, mówimy tutaj o iloczynie jonowym wody (oznaczany jako Kw). Jest to iloczyn stężenia jonów wodorowych (H+ ) i jonów hydroksylowych (OH– ).
Dla wody w temperaturze 25 °C , Kw = 10 -14 .
Kw = [H3O+] [OH– ]
Kw=10– 14 (dla 25°C)
W stanie równowagi stężenia jonów H + i OH – są sobie równe, możemy więc je wyznaczyć przekształcają równanie na Kw:
[H3O+] = [OH– ]
Po obustronnym spierwiastkowaniu poniższego równania można zauważyć, że stężenia wspomnianych drobin wyniosą odpowiednio :10–7 [mol dm–3]:
Kw=[OH–] [H3O+]
10-14 = x 2 / √
x = |10-7|
x=10-7
Zobacz jak możemy Ci pomóc
Zależność iloczynu jonowego wody od temperatury
Częstym błędem, na jaki można napotkać podczas nauki, jest przypisanie wodzie, odczynu kwasowego bądź zasadowego w sytuacji, kiedy jego wartość pH jest różna od 7. Jednakże wniosek ten opiera się na błędnym założeniu. Należy zaznaczyć, że bez względu na temperaturę woda wykazuje odczyn obojętny, ponieważ w chemicznie czystej wodzie stężenia jonów [H3O+] = [OH–] (ale w wyższych temperaturach stężenia te będą większe niż 10-7 mol/dm3 [1]).
Wartości stężeń zawartych w niej jonów w temperaturze 25 °C są sobie równe i wynoszą odpowiednio: 10-7 mol∙dm-3.
Do tej temperatury odnosi się również najczęściej spotykana skala pH przyjmująca zakres od 1 do 14 . Zilustrowana w następujący sposób:
W przypadku innych temperatur pH będzie mieć różne wartości, nie zmieniają przy tym obojętnego odczynu chemicznie czystej wody. Wyrażenie na wartość pH opisana jest wzorem:
pH= -log[H3O+]
Warto zaznaczyć, że wielkość iloczynu jonowego wody nie jest wartością bezwzględną. To też oznacza, że zmienia się ona w zależności od temperatury. Wniosek ten potwierdza poniższa tabela:
| Temperatura °C | 0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 |
| Kw | 0,1•10 -14 | 0,7•10-14 | 3•10-14 | 9,6•10-14 | 25,1•10-14 | 55•10-14 |
| pH | 7,5 | 7,08 | 6,76 | 6,5 | 6,3 | 6,14 |
Po przeprowadzeniu stosownych obliczeń można zauważyć zależność, że pH wody maleje wraz ze wzrostem temperatury, jednakże fakt ten nie determinuje zmiany jej odczynu. Z uwagi na równość pomiędzy stężeniem jonów wodorowych a wodorotlenowych odczyn chemicznie czystej wody będzie zawsze obojętny niezależnie od otrzymanej wartości pH. Dane zestawione w tabeli można również nanieść na wykres ilustrujący zmiany iloczynu jonowego wody od wartości danych temperatur:
Zobacz jak możemy Ci pomóc
Zasadowy odczyn wodnego roztworu kwasu, czy to w ogóle możliwe? „Ukryta” autodysocjacja wody w zadaniach.
Zastanówmy się zatem jak obliczyć pH wodnego roztworu kwasu chlorowodorowego o stężeniu
10-8 mol∙dm– 3 w temperaturze 25°C.
W tym celu zapiszmy równanie procesu dysocjacji kwasu chlorowodorowego przebiegającej
w wodnym roztworze:
HCl 🡪 H+ + Cl–
Wszystko poszłoby zgodnie z planem i zamierzone rozwiązanie byłoby trywialne, gdyby nie to, że wartość pH roztworu nie może być równa 8 (wartość ta jest wynikiem podstawionej wartości sumy stężeń jonów H+ pod wzór pH=-log[H+]). Wynik ten wskazywałby na zasadowy odczyn mieszaniny-sprzeczny z rzeczywistością. Aby prawidłowo rozwiązać powyższe zadanie należy wziąć pod uwagę rolę autodysocjacji wody– sedna rozważanego zadania.
Wartości stężeń jonów wodorowych i odczyn wody
Dość częstym rozwiązaniem z jakim można się spotkać jest zsumowanie jonów wodorowych zarówno z autodysocjacji wody jak i dysocjacji kwasu HCl . W sposób następujący:
[H+](z dysocjacji HCl) =10-8mol×dm– 3
[H+](z autodysocjacji wody)=10-7mol×dm– 3
10-8 + 10-7 = 1,1 ∙ 10-7
pH = -log(1,1∙ 10-7) = 6.9586 (obliczone przy pomocy kalkulatora naukowego)
Wartość pH jest równa 6.9586, co wskazywałoby na kwasowy odczyn roztworu, ale nadal nie jest to prawidłowy wynik.
Na samym początku wspomniałam, że błędne rozwiązanie jest efektem pominięcia stanu równowagi jaki ustala się w roztworze między jonami, a niezdysocjowaną częścią elektrolitu. Aby sformułować prawidłowe wnioski poparte odpowiednim tokiem myślenia na początku warto zapisać następujące równania reakcji dysocjacji:
HCl 🡪 H++ Cl–
H2O ⬄H+ + OH–
W celu uproszczenia, stężenie jonów wodorowych powstałych w wyniku dysocjacji kwasu oznaczę jako[H+]1,.stężenie tych samych jonów obecnych w mieszaninie z autodysocjacji wody oznaczę jako [H+] 2. Zmiany jakie zaszły w roztworze będące konsekwencją ustalającej się równowagi można podsumować następująco :
| H + | OH – | |
| C początowe | 10 – 8([H+]1) | 0 |
| Zmiana stężenia | +x ([H +]2) | +x |
| C równowagowe | 10-8 +x | x |
Aby obliczyć wartość x należy rozwiązać równanie kwadratowe, które otrzymany podstawiając odpowiednie wartości do wyrażenia na iloczyn jonowy wody :
10 –14= (10-8+x)(x)
x = 9.51×10 – 8
W rozwiązaniu uzyskamy dwie wartości x. Nie możemy jednak użyć wartości ujemnej rozwiązania powyższego równania, gdyż nie ma ono sensu fizycznego(wartość stężenia nie może być ujemna).
W porównaniu z wyjściowym stężeniem jonów wodorowych (oraz wodorotlenowych pochodzących z autodysocjacji wody) nietrudno zauważyć, że jego wartość zmniejszy się w wyniku dodania mocnego kwasu. Dzieje się tak, ponieważ mocny elektrolit wpływa na stan równowagi dysocjacji poprzez jego przesunięcie w stronę lewą, a co za tym idzie, odtworzenie cząsteczek wody. Konsekwencją tej zmiany jest zmniejszenie stopnia dysocjacji drobin.
W celu otrzymania prawidłowej odpowiedzi wartości: 10-7 oraz 10-8 należy zsumować :
[H+] = 10-8 + 9.51∙10– 8 = 1.05∙10 – 7mol∙dm– 3
pH roztworu jest wynikiem otrzymanym poprzez zlogarytmowanie otrzymanej sumy:
pH = -log[H+] = -log(1.05∙10– 7) = 6.9788 (obliczone przy pomocy kalkulatora naukowego)
Nieznaczna zmiana początkowej wartości pH wody jest wynikiem wprowadzenia mocnego elektrolitu o stężeniu 10 – 8 mol/dm 3.
Chcąc przeprowadzić niezbędne obliczenia należy, więc wziąć pod uwagę proces autodysocjacji wody, gdyż jego pominięcie prowadziłoby do błędnych wniosków. Aby jednak uniknąć zauważonych nieścisłości, warto pamiętać o uwzględnieniu wpływu obecności wspólnego jonu , którego współudział wywiera kluczowy wpływ na położeniu stanu równowagi między drobinami, czego konsekwencją jest obniżenie wydajności autodysocjacji wody.
Zadania Maturalne z odpowiedziami
Iloczyn jonowy wody w temperaturze 25ºC ma wartość Kw = 1,0 ∙ 10−14. W temperaturze 25 ºC przygotowano roztwór, w którym stężenie jonów oksoniowych (H3O+) jest sto razy mniejsze od stężenia jonów wodorotlenkowych (OH−).
Wpisz w tabeli wartość pH oraz wartości stężeń jonów oksoniowych i jonów wodorotlenkowych.
| pH | [H3O+], mol/dm3 | [OH–] mol/dm3 |
Rozpuszczalnikami amfiprotycznymi nazywa się rozpuszczalniki, których cząsteczki mogą zarówno odszczepiać, jak i przyłączać proton. Do rozpuszczalników amfiprotycznych należą m.in. woda, ciekłe alkohole oraz kwasy karboksylowe, ciekły amoniak i aminy. W rozpuszczalnikach amfiprotycznych ustala się stan równowagi reakcji autoprotolizy, która dla wody zachodzi zgodnie z równaniem:
2H2O ⇄ H3O+ + OH−
Reakcję autoprotolizy rozpuszczalnika opisuje stała równowagi nazywana iloczynem jonowym rozpuszczalnika, np. iloczyn jonowy wody wyraża się równaniem:
Kw = [H3O+] ∙ [OH−]
Iloczyn jonowy wody w temperaturze 80ºC ma wartość Kw = 25 ∙ 10−14.
Na podstawie: W. Ufnalski, Równowagi jonowe, Warszawa 2004.
Oblicz pH wody w temperaturze 80ºC. Wynik podaj z dokładnością do jednego miejsca po przecinku.
Zobacz odpowiedź
Przykładowe rozwiązanie
Kw = [H3O+] ∙ [OH–] i [H3O+] = [OH–] ⇒
Kw = [H3O+]^2 ⇒
[H3O+] = 25 ∙ 10−14 = 5 ∙ 10−7 ⇒ pH = –log 5 ∙ 10−7 = –log 0,5 ∙ 10−6 = 6,3 pH = 6,3
Literatura :
[1] Informacja do zadań 14.–15., Arkusz Maturalny CKE 13 maja 2019 r.
[2] Tabela -arkusz maturalny CKE Maj 2019
[3] Wykres – Wikipedia https://pl.m.wikipedia.org/wiki/Autodysocjacja_wody
[4] Skala pH- https://zpe.gov.pl/a/odczyn-roztworow/D1CFHDB64
Platforma
Naukowców Dwóch
Wszystkie kursy online, maratony i webinary Naukowców Dwóch w jednym miejscu.
Odwiedź naszą platformę i znajdź to, czego potrzebujesz do owocnej nauki przedmiotów ścisłych!
- Webinary
- Kursy wideo
- Kursy na żywo online
- Nocne maratony naukowe
- Autorskie arkusze maturalne
Biologia – najczęściej popełniane błędy na maturze
Chemia – najczęściej popełniane błędy na maturze
