Quels ions se forment lors de la dissociation de l'eau. Dissociation électrolytique de l'eau

20.12.2023 | Écoliers

L'eau pure, bien que médiocre (par rapport aux solutions électrolytiques), peut conduire le courant électrique. Ceci est dû à la capacité d'une molécule d'eau à se désintégrer (dissocier) en deux ions, qui sont des conducteurs de courant électrique dans l'eau pure (ci-dessous, dissociation signifie dissociation électrolytique - désintégration en ions) :

H 2 O ↔ H + + OH -

Pour environ 556 000 000 de molécules d'eau non dissociées, une seule molécule se dissocie, mais cela fait 60 000 000 000 de molécules dissociées dans 1 mm3. La dissociation est réversible, c'est-à-dire que les ions H + et OH - peuvent à nouveau former une molécule d'eau. Finalement ça vient dynamiqueéquilibre dans lequel le nombre de molécules décomposées est égal au nombre d'ions H + et OH - formés. En d’autres termes, les vitesses des deux processus seront égales. Dans notre cas, l’équation de la vitesse d’une réaction chimique peut s’écrire comme suit :

υ 1 = κ 1 (pour la dissociation de l'eau)

υ 2 = κ 2 (pour le processus inverse)

Où υ - rapidité de réaction ; κ - constante de vitesse de réaction (dépendant de la nature des réactifs et de la température) ; , Et - concentration (mol/l).

En état d'équilibre υ 1 = υ 2, ainsi:

κ 1 = κ 2

Faisons quelques calculs simples et obtenons :

κ 1 / κ 2 = /

κ 1 / κ 2 = K

K- constante d'équilibre, et dans notre cas, constante de dissociation, qui dépend de la température et de la nature des substances, et ne dépend pas des concentrations (ainsi que κ 1 et κ 2). K pour l'eau 1,8 10 -16 à 25 °C (valeur de référence).

En raison du très petit nombre de molécules dissociées, la concentration peut être considérée comme égale à la concentration totale de l'eau, et la concentration totale de l'eau dans les solutions diluées comme une valeur constante : =1000(g/l)/18(g/mol)=55,6 mol/l.

Remplacement κ 1 / κ 2 sur K et en utilisant la valeur , on détermine à quoi est égal le produit des concentrations Et qui est appelée - produit ionique de l'eau:

K = /55,6 moles/l
1,8 10 -16 55,6 moles/l =
10 -14 =

Car, à une certaine température, les quantités utilisées pour calculer le produit ionique de l'eau ( K, ) sont constantes, la valeur du produit ionique de l'eau toujours pareil. Et comme la dissociation d'une molécule d'eau produit le même nombre d'ions Et , il s'avère que pour l'eau pure la concentration Et sera égal 10 -7 moles/l. De la constance du produit ionique de l'eau, il s'ensuit que si le nombre d'ions H + devient plus grand, alors le nombre d'ions HO - devient plus petit. Par exemple, si un acide fort HCl est ajouté à de l'eau pure, celui-ci, en tant qu'électrolyte fort, se dissociera complètement en H + et Cl -, en conséquence, la concentration d'ions H + augmentera fortement, ce qui conduira à une augmentation de la vitesse du processus opposé à la dissociation, puisqu'elle dépend de la concentration des ions H+ et OH- :

υ 2 = κ 2

Au cours du processus accéléré opposé à la dissociation, la concentration d'ions HO - diminuera jusqu'à une valeur correspondant au nouvel équilibre, à laquelle il y en aura si peu que les taux de dissociation de l'eau et le processus inverse seront à nouveau égaux. Si la concentration de la solution de HCl résultante est de 0,1 mol/l, la concentration d'équilibre sera égal à :

= 10 -14 /0,1 = 10 -13 mol/l

Lors de l'ajout de la base forte NaOH, le déplacement se fera vers une diminution de la concentration en H+.

L'eau pure est un très mauvais conducteur d'électricité, mais possède néanmoins une conductivité électrique mesurable, qui s'explique par la légère dissociation de l'eau en ions hydrogène et ions hydroxyde :

Sur la base de la conductivité électrique de l’eau pure, la concentration d’ions hydrogène et hydroxyde dans l’eau peut être calculée. À cela est égal à mol/l.

Écrivons une expression pour la constante de dissociation de l'eau :

Réécrivons cette équation comme suit :

Le degré de dissociation de l'eau étant très faible, la concentration de molécules non dissociées dans l'eau est quasiment égale à la concentration totale de l'eau, soit 55,55 mol/l (1 litre contient 1000 g d'eau, soit mol). Dans les solutions aqueuses diluées, la concentration de zoda peut être considérée comme la même. Par conséquent, en remplaçant le produit de la dernière équation par une nouvelle constante, nous avons :

L'équation résultante montre que pour l'eau et les solutions aqueuses diluées à température constante, le produit du concentré d'ions hydrogène et d'ions hydroxyde est une valeur constante. Cette valeur constante est appelée produit ionique de l'eau. Sa valeur numérique peut être facilement obtenue en remplaçant les concentrations d’ions hydrogène et hydroxyde dans la dernière équation. Dans de l'eau pure à mol/l. Ainsi, pour la température spécifiée :

Les solutions dans lesquelles les concentrations d’ions hydrogène et d’ions hydroxyde sont les mêmes sont appelées solutions neutres. À , comme déjà mentionné, dans les solutions neutres, la concentration des ions hydrogène et des ions hydroxyde est égale à mol/l. Dans les solutions acides, la concentration d’ions hydrogène est plus élevée, dans les solutions alcalines, la concentration d’ions hydroxyde est plus élevée. Mais quelle que soit la réaction de la solution, le produit des concentrations en ions hydrogène et en ions hydroxyde reste constant.

Si, par exemple, on ajoute suffisamment d’acide à l’eau pure pour que la concentration en ions hydrogène augmente jusqu’à mol/l, alors la concentration en ions hydroxyde diminuera pour que le produit reste égal. Par conséquent, dans cette solution, la concentration en ions hydroxyde sera :

Au contraire, si vous ajoutez un alcali à l'eau et augmentez ainsi la concentration en ions hydroxyde, par exemple à mol/l, alors la concentration en ions hydrogène sera :

Ces exemples montrent que si la concentration en ions hydrogène dans une solution aqueuse est connue, alors la concentration en ions hydroxyde est également déterminée. Par conséquent, le degré d'acidité et le degré d'alcalinité d'une solution peuvent être caractérisés quantitativement par la concentration en ions hydrogène :

L'acidité ou l'alcalinité d'une solution peut être exprimée d'une autre manière, plus pratique : au lieu de la concentration en ions hydrogène, indiquez son logarithme décimal, pris avec le signe opposé. La dernière valeur est appelée indice d’hydrogène et est notée :

Par exemple, si mol/l, alors ; si mol/l, alors etc. De là, il est clair que dans une solution neutre (mol/l). Dans les solutions acides, plus la solution est acide, moins elle le devient. Au contraire, dans les solutions alcalines, plus l'alcalinité de la solution est grande.

Un cas particulier de dissociation (le processus de désintégration de particules plus grosses d'une substance - molécules d'ions ou radicaux - en particules plus petites) est la dissociation électrolytique, dans laquelle les molécules neutres d'une substance appelée électrolyte en solution (à la suite de l'action de molécules d'un solvant polaire) se désintègrent en particules chargées : cations et anions. Ceci explique la capacité à conduire le courant.

Il est d'usage de diviser tous les électrolytes en deux groupes : faibles et forts. L'eau est un électrolyte faible ; la dissociation de l'eau est caractérisée par un petit nombre de molécules dissociées, car elles sont assez stables et ne se désintègrent pratiquement pas en ions. L'eau pure (sans impuretés) conduit faiblement le courant électrique. Cela est dû à la nature chimique de la molécule elle-même, lorsque des atomes d’hydrogène polarisés positivement sont intégrés dans la couche électronique d’un atome d’oxygène relativement petit, qui est polarisé négativement.

La force et la faiblesse des électrolytes sont caractérisées (notées α, souvent cette valeur est exprimée en % de 0 à 100 ou en fractions d'unité de 0 à 1) - la capacité à se désintégrer en ions, c'est-à-dire le rapport des nombre de particules désintégrées au nombre de particules avant désintégration. Les substances telles que les acides, les sels et les bases se désintègrent complètement en ions sous l'influence d'agents polaires. La dissociation de l'eau s'accompagne de la décomposition des molécules H2O en proton H+ et en groupe OH-hydroxyle. Si nous présentons l'équation de dissociation de l'électrolyte sous la forme : M=K++A-, alors la dissociation de l'eau peut être exprimée par l'équation : H2O↔H++OH-, et l'équation avec laquelle le degré de dissociation de l'eau est calculé peut se présenter sous deux formes (via la concentration de protons formés ou la concentration de groupes hydroxyles formés) : α=[H+]/[H2O] ou α=[OH-]/[H2O]. Étant donné que la valeur de α est influencée non seulement par la nature chimique de la substance, mais également par la concentration de la solution ou sa température, il est d'usage de parler du degré de dissociation apparent (imaginaire).

La tendance des molécules d'électrolytes faibles, y compris l'eau, à se désintégrer en ions est largement caractérisée par la constante de dissociation (un cas particulier de la constante d'équilibre), généralement notée Kd. Pour calculer cette valeur, la loi de l'action de masse est appliquée, qui établit le rapport entre les masses des substances obtenues et initiales. La dissociation électrolytique de l'eau est la décomposition des molécules d'eau d'origine en protons d'hydrogène et en groupe hydroxyle, elle est donc exprimée par l'équation : Kd = [H+]. [OH-]/[H2O]. Cette valeur pour l'eau est constante et dépend uniquement de la température, à une température de 25°C, Kd = 1.86.10-16.

Connaissant la masse molaire de l'eau (18 grammes/mol), ainsi qu'en négligeant la concentration de molécules dissociées et en prenant la masse de 1 dm3 d'eau comme 1000 g, on peut calculer la concentration de molécules non dissociées dans 1 dm3 d'eau : [ H2O]=1000/18,0153=55,51 mol/dm3. Ensuite, à partir de l'équation de la constante de dissociation, on peut trouver le produit des concentrations de protons et de groupes hydroxyles : [H+].[OH-]=1,86.10-16.55.51=1.10-14. Lors de l'extraction de la racine carrée de la valeur résultante, on obtient la concentration en protons (ions hydrogène), qui détermine l'acidité de la solution et est égale à la concentration en groupes hydroxyles : [H+]=[OH-]=1.10-7 .

Mais dans la nature, une eau d'une telle pureté n'existe pas en raison de la présence de gaz dissous ou de la contamination de l'eau par d'autres substances (en fait, l'eau est une solution de divers électrolytes), donc à 25°C la concentration de protons d'hydrogène ou la concentration en groupes hydroxyles diffère de la valeur de 1.10-7. Autrement dit, l'acidité de l'eau n'est pas seulement due à l'apparition d'un processus tel que la dissociation de l'eau. est un logarithme négatif de la concentration en ions hydrogène (pH), il a été introduit pour évaluer l'acidité ou l'alcalinité de l'eau et des solutions aqueuses, car il est difficile d'utiliser des nombres avec des puissances négatives. Pour l'eau pure, pH = 7, mais comme il n'y a pas d'eau pure dans la nature et que la dissociation de l'eau se produit avec la désintégration d'autres électrolytes dissous, la valeur du pH peut être inférieure ou supérieure à 7, c'est-à-dire pour l'eau, pratiquement, pH≠7.

L'eau joue un rôle extrêmement important dans les processus biologiques, qui est un composant essentiel (de 58 à 97 %) de toutes les cellules et tissus des humains, des animaux, des plantes et des organismes simples. c'est l'environnement dans dans lequel se produisent une grande variété de processus biochimiques.

L'eau a une bonne capacité de dissolution et provoque la dissociation électrolytique de nombreuses substances qui y sont dissoutes.

Le processus de dissociation de l'eau selon la théorie de Brønsted se déroule selon l'équation :

N 2 0+H 2 0N 3 À PROPOS + + IL - ; ΔН dis = +56,5 KJ/mol

Ceux. une molécule d'eau donne et l'autre ajoute un proton, l'autoionisation de l'eau se produit :

N 2 0N + + IL - - réaction de déprotonation

N 2 0 + N + N 3 À PROPOS + - réaction de protonation

La constante de dissociation de l'eau à 298°K, déterminée par la méthode de conductivité électrique, est égale à :

une(H +) - activité des ions H + (par souci de concision, au lieu de H3O + écrivez H +) ;

a(OH -) - activité des ions OH - ;

une(H 2 0) - activité de l'eau ;

Le degré de dissociation de l'eau est très faible, de sorte que l'activité des ions hydrogène et hydroxyde dans l'eau pure est presque égale à leurs concentrations. La concentration en eau est constante et égale à 55,6 mol.

(1000g : 18g/mol= 55,6 moles)

En substituant cette valeur dans l'expression de la constante de dissociation Kd(H 2 0), et au lieu des activités des ions hydrogène et hydroxyde, leurs concentrations, une nouvelle expression est obtenue :

K(H 2 0) = C (H +) × C (OH -) = 10 -14 mol 2 / l 2 à 298 K,

Plus précisément, K(H 2 0) = a(H +) × a(OH -) = 10 -14 mol 2 l 2 -

K(H 2 0) est appelé produit ionique de l'eau ou constante d'autoionisation.

Dans l'eau pure ou toute solution aqueuse à température constante, le produit des concentrations (activités) des ions hydrogène et hydroxyde est une valeur constante, appelée produit ionique de l'eau.

La constante K(H 2 0) dépend de la température. À mesure que la température augmente, elle augmente, car Le processus de dissociation de l'eau est endothermique. Dans l'eau pure ou les solutions aqueuses de diverses substances à une activité (concentration) de 298K, les ions hydrogène et hydroxyde seront :

a(H +)=a(OH -)=K(H 2 0) = 10 -14 =10 -7 mol/l.

Dans les solutions acides ou alcalines, ces concentrations ne seront plus égales entre elles, mais évolueront de manière conjuguée : à mesure que l'une d'elles augmente, l'autre diminuera d'autant et vice versa, par exemple,

a(H +)=10 -4, a(OH -)=10 -10, leur produit est toujours 10 -14

PH

Qualitativement, la réaction du milieu s'exprime à travers l'activité des ions hydrogène. En pratique, ils n'utilisent pas cette valeur, mais l'indicateur d'hydrogène pH - une valeur numériquement égale au logarithme décimal négatif de l'activité (concentration) des ions hydrogène, exprimé en mol/l.

pH= -lga(H + ),

et pour les solutions diluées

pH= -lgC(H + ).

Pour eau pure et milieux neutres à 298K pH=7 ; pour solutions à pH acide<7, а для щелочных рН>7.

La réaction du milieu peut également être caractérisée par l'indice d'hydroxyle :

pOH= -lga(OH - )

ou environ

pOH= -IgCOH - ).

Ainsi, dans un environnement neutre pH = pH = 7 ; en milieu acide pOH>7, et en milieu alcalin pOH<7.

Si l'on prend le logarithme décimal négatif de l'expression du produit ionique de l'eau, on obtient :

pH + pH = 14.

Par conséquent, pH et pOH sont également des quantités conjuguées. Leur somme pour les solutions aqueuses diluées est toujours égale à 14. Connaissant le pH, il est facile de calculer le pOH :

pH=14 – pH

et vice versa:

R.OH= 14-pH.

Les solutions se distinguent entre l'acidité active, potentielle (réserve) et totale.

Acidité active mesuré par l'activité (concentration) des ions hydrogène dans une solution et détermine le pH de la solution. Dans les solutions d'acides et de bases fortes, le pH dépend de la concentration de l'acide ou de la base et de l'activité des ions H. + et il - peut être calculé à l'aide des formules :

un + )= C(l/z acide)×α chacun ; pH= - log a(H + )

une(OH - )=C(l/z base)×α chacun ; pH= - log a(OH - )

pH= - logC(l/z acide) – pour les solutions extrêmement diluées d'acides forts

pOH= - logC(l/z base) - pour solutions de bases extrêmement diluées

Acidité potentielle mesuré par le nombre d'ions hydrogène liés dans les molécules d'acide, c'est-à-dire représente une « réserve » de molécules d’acide non dissociées.

Acidité totale- la somme de l'acidité active et potentielle, qui est déterminée par la concentration analytique de l'acide et établie par titrage

L'une des propriétés étonnantes des organismes vivants est base acide

homéostasie - constance du pH des fluides biologiques, des tissus et des organismes. Le tableau 1 présente les valeurs de pH de certains objets biologiques.

Tableau 1

Les données du tableau montrent que le pH de divers fluides du corps humain varie dans une plage assez large en fonction de l'emplacement. SANG, comme les autres fluides biologiques, il s'efforce de maintenir une valeur de pH constante dont les valeurs sont présentées dans le tableau 2

Tableau 2

Des modifications du pH par rapport aux valeurs indiquées de seulement 0,3 vers une augmentation ou une diminution entraînent une modification de l'échange de processus enzymatiques, ce qui provoque une maladie grave et douloureuse chez l'homme. Un changement de pH de seulement 0,4 n’est plus compatible avec la vie. Les chercheurs ont découvert que les systèmes tampons sanguins suivants sont impliqués dans la régulation de l’équilibre acido-basique : l’hémoglobine, le bicarbonate, les protéines et le phosphate. La part de chaque système dans la capacité tampon est présentée dans le tableau 3.

Tableau 3

Tous les systèmes tampons du corps ont le même mécanisme d’action, car Ils sont constitués d'un acide faible : carbonique, dihydrophosphorique (ion dihydrogénophosphate), de protéines, d'hémoglobine (oxohémoglobine) et de sels de ces acides, principalement de sodium, qui ont les propriétés de bases faibles. Mais comme le système bicarbonate dans le corps n'a pas d'égal en termes de vitesse de réponse, nous considérerons la capacité de maintenir un environnement constant dans le corps grâce à ce système.

L'indice d'hydrogène (pH) est une valeur caractérisant l'activité ou la concentration des ions hydrogène dans les solutions. L'indicateur d'hydrogène est désigné pH. L'indice d'hydrogène est numériquement égal au logarithme décimal négatif de l'activité ou de la concentration des ions hydrogène, exprimé en moles par litre : pH=-log[ H+ ] Si [ H+ ]>10-7mol/l, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7mol/l - environnement alcalin ; pH>7. Hydrolyse des sels- c'est l'interaction chimique des ions sel avec les ions eau, conduisant à la formation d'un électrolyte faible. 1). L'hydrolyse n'est pas possible. Sel formé d'une base forte et d'un acide fort ( KBr, NaCl, NaNO3), ne subira pas d'hydrolyse, puisque dans ce cas il ne se forme pas d'électrolyte faible pH de telles solutions = 7. La réaction du milieu reste neutre. 2). Hydrolyse par cation (seul le cation réagit avec l'eau). Dans un sel formé d'une base faible et d'un acide fort

(FeCl2,NH4Cl, Al2(SO4)3,MgSO4)

Le cation subit une hydrolyse :

FeCl2 + HOH<=>Fe(OH)Cl + HCl Fe2+ + 2Cl- + H+ + OH-<=>FeOH+ + 2Cl- + H+

À la suite de l’hydrolyse, un électrolyte faible, des ions H+ et d’autres ions se forment. pH de la solution< 7 (раствор приобретает кислую реакцию). 3). Гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион). Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой

(KClO, K2SiO3, Na2CO3,CH3COONa)

subit une hydrolyse au niveau de l'anion, entraînant la formation d'un électrolyte faible, d'un ion hydroxyde OH- et d'autres ions.

K2SiO3 + HOH<=>KHSiO3 + KOH 2K+ +SiO32- + H+ + OH-<=>НSiO3- + 2K+ + ОН-

Le pH de ces solutions est > 7 (la solution devient alcaline 4). Hydrolyse conjointe (le cation et l'anion réagissent avec l'eau). Sel formé d'une base faible et d'un acide faible

(CH 3COONH 4, (NН 4)2СО 3, Al2S3),

hydrolyse à la fois le cation et l'anion. En conséquence, une base et un acide légèrement dissociés se forment. Le pH des solutions de ces sels dépend de la force relative de l'acide et de la base. Une mesure de la force d'un acide et d'une base est la constante de dissociation du réactif correspondant. La réaction du milieu de ces solutions peut être neutre, légèrement acide ou légèrement alcaline :

Al2S3 + 6H2O =>2Al(OH)3v+ 3H2S^

L'hydrolyse est un processus réversible. L'hydrolyse est irréversible si la réaction aboutit à la formation d'une base insoluble et (ou) d'un acide volatil.