If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 13

Урок 1: Киселини, основи и pH
Наука
Химична библиотека
Киселини и основи
Киселини, основи и pH
© 2023 Khan AcademyУсловия за ползванеДекларация за поверителностПолитика за Бисквитки

Автопротолитична дисоциация на водата и Kw

Класна стая на Google
Автопротолитична дисоциация на водата, йонно произведение на водата Kw и отношението между [H⁺] и [OH⁻] във водни разтвори. 

Основни идеи

  • Водата може да претърпи автопротолитична дисоциация и да образува H3O+ и OH− йони.
  • Равновесната константа за дисоциацията на водата Kw (наричана още йонно произведение на водата) е 10−14 при 25∘C.
  • В неутрален разтвор [H3O+]=[OH−].
  • В кисел разтвор [H3O+]>[OH−]
  • В основен разтвор [OH−]>[H3O+]
  • За водни разтвори при 25∘C са валидни следните отношения:
Kw=[H3O+][OH−]=10−14
pH+pOH=14
  • Приносът на [H3O+] и [OH−] от дисоциацията на водата става значителен за силно разредени кисели или основни разтвори.

Водата е амфотерно вещество

Водата е един от най-честите разтворители за киселинно-основни реакции. Както вече обсъдихме в предишната статия за киселини и основи на Брьонстед-Лоури, водата е амфотерно вещество и може да действа като киселина или основа на Брьонстед-Лоури.

Упражнение 1: Определяне на ролята на водата в реакция

Определи дали за дадените реакции водата играе ролята на киселина, на основа, или на нито едно от двете.
1

Автопротеолитична дисоциация на водата

Киселините и основите могат да реагират помежду си – това означава, че водата може да реагира със себе си! Може и да звучи странно, но се случва – водните молекули обменят помежду си малко количество протони. Наричаме този процес автопротолитична дисоциация или самойонизация на водата.
Обменът на протони може да се запише със следното балансирано уравнение:
 H2O+H2O⇌H3O++OH−
пространствени модели, които показват две водни молекули и всяка водна молекула съдържа голяма червена сфера (кислород), прикрепена към две малки сиви сфери (водород). Продуктите са хидрониев йон, който има 3 водорода и положителен заряд, и хидроксиден йон, който има един водород и отрицателен заряд.
Една водна молекула отдава протон (оранжева сфера) на съседна водна молекула, която действа като основа на Брьонстед-Лоури и приема протона. Продуктите на тази обратима киселинно-основна реакция са хидрониев йон и хидроксид.
Една водна молекула отдава протон и действа като киселина на Брьонстед-Лоури, докато друга водна молекула приема този протон и действа като основа на Брьонстед-Лоури. Това води до образуване на хидрониев и хидроксиден йон в моларно отношение 1:1. За всяка проба от чиста вода моларните концентрации на хидрониевите йони (H3O+) и на хидроксидните йони (OH−) трябва да са равни:
[H3O+]=[OH−]  в чиста вода
Забележи, че процесът е лесно обратим. Тъй като водата е слаба киселина и слаба основа, хидрониевите и хидроксидните йони съществуват в много малки концентрации в сравнение с недисоциираните молекули вода. Колко точно малки са тези концентрации? Да ги пресметнем, като разгледаме равновесната константа за тази реакция (наречена още йонно произведение на водата), която има специално означение – Kw.

Йонно произведение на водата Kw

Изразът за йонното произведение на водата е:
Kw=[H3O+][OH−](формула 1)
Запомни, че когато записваш формули за равновесие, концентрацията на твърди и на течни вещества не се включва. Следователно нашият израз за Kw не включва концентрацията на водата, която е чиста течност.
Можем да изчислим стойността на Kw при 25∘C, като използваме [H3O+], което е свързано с pH на водата. При 25∘C pH на чистата вода е 7. Следователно можем да изчислим концентрацията на хидрониеви йони в чистата вода:
[H3O+]=10−pH=10−7 M  при 25∘C
В предишна секция видяхме, че при дисоциацията на чиста вода хидрониевите и хидроксидните йони се образуват в моларно отношение 1:1. Можем да използваме това съотношение, за да изчислим концентрацията на хидроксидни йони в чиста вода при 25∘C:
[OH−]=[H3O+]=10−7 M  при 25∘C
Изглежда трудно да си го представим, но 10−7 е много малко число! В една проба от вода само малка част от молекулите са дисоциирани.
След като знаем стойностите на [OH−] и [H3O+], можем да ги използваме в равновесния ни израз, за да изчислим Kw при 25∘C:
Kw=(10−7)⋅(10−7)=10−14  при 25∘C
Проверка на концепцията: Колко хидроксидни и хидрониеви йони има в един литър вода при 25∘C?

Връзки между йонното произведение на водата, pH и pOH

Фактът, че йонното произведение на водата Kw е равно на 10−14 при 25∘C води до интересна и полезна нова формула. Ако вземем отрицателния логаритъм от двете страни на формула 1 в предишния израз, получаваме следното:
−log⁡Kw=−log⁡([H3O+][OH−])=−(log⁡[H3O+]+log⁡[OH−])=−log⁡[H3O+]+(−log⁡[OH−])=pH+pOH
Можем да запишем съкратено −log⁡Kw като pKw, което е равно на 14 при 25∘C:
pKw=pH+pOH=14  при 25∘C(Формула 2)
Следователно сумата на pH и pOH винаги ще бъде 14 за всеки воден разтвор при 25∘C. Запомни, че това отношение няма да бъде изпълнено при други температури, защото Kw зависи от температурата!

Пример 1: Изчисляване на [OH−] от pH

Водният разтвор има pH 10 при 25∘C.
Каква е концентрацията на хидроксидни йони в разтвора?

Метод 1: Използване на формула 1

Можем да решим задачата, като първо намерим [H+] от pH:
[H3O+]=10−pH=10−10M
След това можем да изчислим [OH−], като използваме формула 1:
Kw=[H3O+][OH−]   Разместваме, за да изразим [OH−][OH−]=Kw[H3O+]Заместваме стойностите за Kwи [H3O+]=10−1410−10=10−4 M

Метод 2: Използване на формула 2

Друг начин да изчислим [OH−] е да го намерим от pOH на разтвора. Можем да използваме формула 2, за да изчислим pOH на нашия разтвор от pH. Разместваме формула 2, изразяваме pOH и получаваме:
pOH=14−pH=14−10=4
Сега можем да използваме уравнението за pOH, за да изразим [OH−].
[OH−]=10−pOH=10−4 M
И по двата метода концентрацията на хидроксид е 10−4 M за воден разтвор с pH 10 при 25∘C.

Определение за кисели, основни и неутрални разтвори

Знаем, че концентрациите на H3O+ и OH− са равни в чиста вода и двете имат стойност 10−7 M при 25∘C. Когато концентрацията на хидрониеви и хидроксидни йони е еднаква, наричаме разтвора неутрален. Водните разтвори могат да бъдат и кисели, и основни според относителните концентрации на H3O+ и OH−.
  • В неутрален разтвор [H3O+]=[OH−]
  • В кисел разтвор [H3O+]>[OH−]
  • В основен разтвор [OH−]>[H3O+]

Упражнение 2: Изчисляване на pH на водата при 0∘C

Ако pKw на проба чиста вода при 0∘C е 14,9, какво е pH на чистата вода при тази температура?
Избери един отговор:

Упражнение 3: Изчисляване на pKw при 40∘C

pH на чистата вода при 40∘C е измерено на 6,75.
Колко е pKw на водата при 40∘C според тази информация?
Избери един отговор:

Автопротолитична дисоциация на водата и принцип на Льо Шателие

Също така знаем, че в чиста вода концентрациите на хидроксидни и хидрониеви йони са еднакви. През повечето време, обаче, се интересуваме от водни разтвори, които съдържат други киселини и основи. В такъв случай какво става с [H3O+] и [OH−]?
В момента, в който разтворим други киселини или основи във водата, променяме [H3O+] и/или [OH−], така че произведението от техните концентрации вече не е равно на Kw. Това означава, че реакцията вече не е в равновесие. Принципът на Льо Шателие ни казва, че реакцията ще се обърне, за да противодейства на промяната в концентрацията и за да достигне ново равновесие.
Ами ако добавим киселина към чиста вода? При 25∘C чистата вода има концентрация на хидрониеви йони 10−7M, а добавената киселина увеличава концентрацията на H3O+. За да достигне отново равновесие, се благоприятства обратната реакция и ще се изразходят част от допълнителните йони H3O+. Тогава концентрацията на OH− ще намалее, докато произведението на [H3O+] и [OH−] отново стане равно на 10−14.
След като реакцията достигне ново равновесие, знаем, че:
  • [H+]>[OH−], защото добавената киселина повишава [H+]. Ето защо нашият разтвор е кисел!
  • [OH−]<10−7M, защото благоприятстването на обратната реакция намалява [OH−] обратно до равновесно положение.
Важно е да запомниш, че всяка киселинно-основна реакция във воден разтвор може да бъде описана като изместване на равновесните концентрации от дисоциацията на водата. Това е наистина полезно, защото тогава можем да приложим формула 1 и формула 2 към всички киселинно-основни реакции във водна среда, а не само към чистата вода!

Значение на дисоциацията на водата за силно разредени разтвори на киселина или основа

Автопротолитичната дисоциация на водата обикновено се изучава в самото начало на запознаването с киселини и основи, а с нея се извеждат някои изключително полезни формули, които обсъдихме в тази статия. Въпреки това често ще изчисляваме [H+] и pH за водни разтвори, без да включваме приноса от дисоциацията на водата. Причината да можем да направим това е, че дисоциацията на водата обикновено привнася относително малко количество йони към общото количество на [H+] или [OH−] в сравнение с йоните от разтворената киселина или основа.
Единствената ситуация, в която трябва да взимаме предвид дисоциацията на водата, е когато нашата киселина или основа са силно разредени. В практиката това означава, че трябва да включим приноса от дисоциацията на водата, когато концентрацията на H+ или OH− е около 2 порядъка (или по-малко) от 10−7M. Сега ще разгледаме един пример за това как можем да изчислим pH на силно разреден разтвор на киселина.

Пример 2: Изчисляване на pH на силно разреден кисел разтвор

Да изчислим pH на разтвор от 6,3×10−8M HCl. HCl напълно се дисоциира във вода, така че концентрацията на хидрониеви йони в разтвора при наличие на HCl също е 6,3×10−8M.

Опит 1: Игнориране на дисоциацията на водата

Ако игнорираме дисоциацията на водата и просто използваме формулата за pH, получаваме:
pH=−log[H+]=−log[6,3⋅10−8]=7,20
Лесно е! Имаме воден кисел разтвор с pH, по-високо от 7. Но почакай, това не означава ли, че разтворът е основен? Тук има някаква грешка!

Опит 2: Включване на приноса на [H+] от дисоциацията на водата

Тъй като концентрацията на този разтвор е изключително ниска, концентрацията на хидрониеви йони от хлороводороната киселина е близка до приноса на [H+] от дисоциацията на водата. Това означава, че:
  • Трябва да включим приноса на [H+] от дисоциацията на водата.
  • Тъй като дисоциацията на водата е равновесна реакция, ние трябва да определим общото [H+], като използваме израза за Kw:
Kw=[H+][OH−]=1,0⋅10−14
Ако приемем, че x е приносът на H+ и OH− от дисоциацията на водата към равновесната концентрация, концентрацията при равновесие ще бъде следната:
[H+]=6,3⋅10−8M+x
[OH−]=x
Заместваме тези концентрации в нашия равновесен израз и получаваме:
Kw=(6,3⋅10−8M+x)x=1,0⋅10−14=x2+6,3⋅10−8x
Разместваме този израз, така че всичко да е равно на 0 и получаваме следното квадратно уравнение:
0=x2+6,3⋅10−8x−1,0⋅10−14
Можем да определим x, като използваме формулата за намиране на корените на квадратно уравенние, която ни дава следните решения:
x=7,3⋅10−8M,−1,4⋅10−7M
Тъй като концентрацията на OH− не може да бъде отрицателна, можем да игнорираме второто решение. Ако заместим първата стойност на x, за да получим равновесната концентрация на H+, и изчислим pH, получаваме:
pH=−log[H+]=−log[6,3⋅10−8+x]=−log[6,3⋅10−8+7,3⋅10−8]=−log[1,36⋅10−7]=6,87
Така виждаме, че след като включим дисоциацията на водата, за нашия силно разреден разтвор на HCl получаваме pH, което е слабо кисело. Ура!

Резюме

  • Водата може да претърпи автопротолитична дисоциация и да образува H3O+ и OH− йони.
  • Равновесната константа за дисоциацията на водата Kw (наричана още йонно произведение на водата) е 10−14 при 25∘C.
  • В неутрален разтвор [H3O+]=[OH−]
  • В кисел разтвор [H3O+]>[OH−]
  • В основен разтвор [OH−]>[H3O+]
  • За водни разтвори при 25∘C са валидни следните отношения:
Kw=[H3O+][OH−]=10−14
pH+pOH=14
  • Приносът на [H3O+] и [OH−] от дисоциацията на водата става значителен за силно разредени кисели или основни разтвори.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила
Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.