Quali ioni si formano durante la dissociazione dell'acqua. Dissociazione elettrolitica dell'acqua

20.12.2023 | Scolari

L'acqua pura, sebbene scarsamente (rispetto alle soluzioni elettrolitiche), può condurre la corrente elettrica. Ciò è causato dalla capacità di una molecola d'acqua di disintegrarsi (dissociarsi) in due ioni, che sono conduttori di corrente elettrica in acqua pura (di seguito, dissociazione significa dissociazione elettrolitica - disintegrazione in ioni):

H2O ↔ H + + OH -

Per circa 556.000.000 di molecole d'acqua non dissociate, solo 1 molecola si dissocia, ma si tratta di 60.000.000.000 di molecole dissociate in 1 mm 3. La dissociazione è reversibile, cioè gli ioni H + e OH - possono formare nuovamente una molecola d'acqua. Alla fine arriva dinamico equilibrio in cui il numero di molecole decadute è uguale al numero di ioni H + e OH - formati. In altre parole, le velocità di entrambi i processi saranno uguali. Nel nostro caso, l’equazione per la velocità di una reazione chimica può essere scritta come segue:

υ 1 = κ 1 (per la dissociazione dell'acqua)

υ 2 = κ 2 (per il processo inverso)

Dove υ - velocità di reazione; κ - costante di velocità di reazione (a seconda della natura dei reagenti e della temperatura); , E - concentrazione (mol/l).

In uno stato di equilibrio υ1 = υ2, quindi:

κ1 = κ2

Facciamo qualche semplice calcolo e otteniamo:

κ1 /κ2 = /

κ1 /κ2 = K

K- costante di equilibrio e, nel nostro caso, costante di dissociazione, che dipende dalla temperatura e dalla natura delle sostanze e non dipende dalle concentrazioni (così come κ 1 e κ 2). K per acqua 1,8 10 -16 a 25 °C (valore di riferimento).

A causa del numero molto piccolo di molecole dissociate, la concentrazione può essere considerato uguale alla concentrazione totale di acqua e la concentrazione totale di acqua nelle soluzioni diluite come valore costante: =1000(g/l)/18(g/mol)=55,6 mol/l.

Sostituzione κ 1 / κ 2 SU K e utilizzando il valore , determiniamo a cosa è uguale il prodotto delle concentrazioni E che si chiama - prodotto ionico dell'acqua:

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

Poiché, ad una certa temperatura, le quantità utilizzate nel calcolo del prodotto ionico dell'acqua ( K, ) sono costanti, il valore del prodotto ionico dell'acqua sempre lo stesso. E poiché la dissociazione di una molecola d'acqua produce lo stesso numero di ioni E , risulta che per l'acqua pura la concentrazione E sarà uguale 10 -7 mol/l. Dalla costanza del prodotto ionico dell'acqua ne consegue che se il numero di ioni H + aumenta, allora il numero di ioni HO - diminuisce. Ad esempio, se un acido forte HCl viene aggiunto all'acqua pura, esso, come un elettrolita forte, si dissocerà completamente in H + e Cl -, di conseguenza, la concentrazione di ioni H + aumenterà bruscamente e ciò porterà a un aumento della velocità del processo opposto alla dissociazione, poiché dipende dalla concentrazione degli ioni H+ e OH-:

υ2 = κ2

Durante il processo accelerato opposto alla dissociazione, la concentrazione di ioni HO - diminuirà ad un valore corrispondente al nuovo equilibrio, al quale ce ne saranno così pochi che i tassi di dissociazione dell'acqua e del processo inverso saranno nuovamente uguali. Se la concentrazione della soluzione di HCl risultante è 0,1 mol/l, la concentrazione di equilibrio sarà uguale a:

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

Quando si aggiunge la base forte NaOH, lo spostamento sarà verso una diminuzione della concentrazione di H+.

L'acqua pura è un pessimo conduttore di elettricità, ma ha comunque una conduttività elettrica misurabile, che si spiega con la leggera dissociazione dell'acqua in ioni idrogeno e ioni idrossido:

In base alla conduttività elettrica dell'acqua pura, è possibile calcolare la concentrazione di idrogeno e ioni idrossido nell'acqua. A è uguale a mol/l.

Scriviamo un'espressione per la costante di dissociazione dell'acqua:

Riscriviamo questa equazione come segue:

Poiché il grado di dissociazione dell'acqua è molto piccolo, la concentrazione delle molecole non dissociate nell'acqua è quasi uguale alla concentrazione totale dell'acqua, cioè 55,55 mol/l (1 litro contiene 1000 g di acqua, cioè mol). Nelle soluzioni acquose diluite, la concentrazione di zoda può essere considerata la stessa. Pertanto, sostituendo il prodotto nell'ultima equazione con una nuova costante, abbiamo:

L'equazione risultante mostra che per l'acqua e le soluzioni acquose diluite a temperatura costante, il prodotto del concentrato di ioni idrogeno e ioni idrossido è un valore costante. Questo valore costante è chiamato prodotto ionico dell'acqua. Il suo valore numerico può essere facilmente ottenuto sostituendo nell'ultima equazione le concentrazioni di idrogeno e ioni idrossido. In acqua pura a mol/l. Pertanto, per la temperatura specificata:

Le soluzioni in cui le concentrazioni di ioni idrogeno e ioni idrossido sono le stesse sono chiamate soluzioni neutre. A , come già accennato, nelle soluzioni neutre la concentrazione sia degli ioni idrogeno che degli ioni idrossido è pari a mol/l. Nelle soluzioni acide c'è una maggiore concentrazione di ioni idrogeno, in soluzioni alcaline c'è una maggiore concentrazione di ioni idrossido. Ma qualunque sia la reazione della soluzione, il prodotto delle concentrazioni di ioni idrogeno e ioni idrossido rimane costante.

Se, ad esempio, all'acqua pura viene aggiunta una quantità di acido sufficiente affinché la concentrazione di ioni idrogeno aumenti fino a mol/l, la concentrazione di ioni idrossido diminuirà in modo che il prodotto rimanga uguale. Pertanto in questa soluzione la concentrazione degli ioni idrossido sarà:

Al contrario, se si aggiungono alcali all'acqua e quindi si aumenta la concentrazione di ioni idrossido, ad esempio, a mol/l, allora la concentrazione di ioni idrogeno sarà:

Questi esempi mostrano che se è nota la concentrazione degli ioni idrogeno in una soluzione acquosa, viene determinata anche la concentrazione degli ioni idrossido. Pertanto sia il grado di acidità che il grado di alcalinità di una soluzione possono essere caratterizzati quantitativamente dalla concentrazione di ioni idrogeno:

L'acidità o l'alcalinità di una soluzione può essere espressa in un altro modo più conveniente: al posto della concentrazione di ioni idrogeno, indicare il suo logaritmo decimale, preso con il segno opposto. L’ultimo valore è chiamato indice di idrogeno ed è indicato da:

Ad esempio, se mol/l, allora ; se mol/l, allora ecc. Da qui è chiaro che in una soluzione neutra (mol/l). Nelle soluzioni acide, più la soluzione è acida, meno è. Al contrario, nelle soluzioni alcaline maggiore è l'alcalinità della soluzione.

Un caso speciale di dissociazione (il processo di disintegrazione di particelle più grandi di una sostanza - molecole ioniche o radicali - in particelle più piccole) è la dissociazione elettrolitica, in cui molecole neutre di una sostanza chiamata elettrolita in soluzione (come risultato dell'azione di molecole di un solvente polare) si disintegrano in particelle cariche: cationi e anioni. Questo spiega la capacità di condurre corrente.

È consuetudine dividere tutti gli elettroliti in due gruppi: deboli e forti. L'acqua è un elettrolita debole; la dissociazione dell'acqua è caratterizzata da un piccolo numero di molecole dissociate, poiché sono abbastanza stabili e praticamente non si disintegrano in ioni. L'acqua pura (senza impurità) conduce debolmente la corrente elettrica. Ciò è dovuto alla natura chimica della molecola stessa, quando gli atomi di idrogeno polarizzati positivamente sono incorporati nel guscio elettronico di un atomo di ossigeno relativamente piccolo, che è polarizzato negativamente.

La forza e la debolezza degli elettroliti sono caratterizzate (indicate da α, spesso questo valore è espresso in% da 0 a 100 o in frazioni di unità da 0 a 1) - la capacità di disintegrarsi in ioni, cioè il rapporto tra numero di particelle disintegrate al numero di particelle prima della disintegrazione. Sostanze come acidi, sali e basi si disintegrano completamente in ioni sotto l'influenza di agenti polari. La dissociazione dell'acqua è accompagnata dalla decomposizione delle molecole di H2O nel protone H+ e nel gruppo ossidrile OH-. Se presentiamo l'equazione di dissociazione dell'elettrolita nella forma: M=K++A-, allora la dissociazione dell'acqua può essere espressa dall'equazione: H2O↔H++OH-, e l'equazione con cui viene calcolato il grado di dissociazione dell'acqua calcolato può essere presentato in due forme (tramite la concentrazione di protoni formati o la concentrazione di gruppi idrossilici formati): α=[H+]/[H2O] o α=[OH-]/[H2O]. Poiché il valore di α è influenzato non solo dalla natura chimica della sostanza, ma anche dalla concentrazione della soluzione o dalla sua temperatura, è consuetudine parlare del grado di dissociazione apparente (immaginario).

La tendenza delle molecole di elettroliti deboli, inclusa l'acqua, a disintegrarsi in ioni è in gran parte caratterizzata dalla costante di dissociazione (un caso speciale della costante di equilibrio), che di solito è indicata come Kd. Per calcolare questo valore si applica la legge dell'azione di massa, che stabilisce il rapporto tra le masse delle sostanze ottenute e quelle iniziali. La dissociazione elettrolitica dell'acqua è la decomposizione delle molecole d'acqua originarie in protoni di idrogeno e un gruppo ossidrile, pertanto è espressa dall'equazione: Kd = [H+]. [OH-]/[H2O]. Questo valore per l'acqua è costante e dipende solo dalla temperatura, ad una temperatura di 25°C, Kd = 1.86.10-16.

Conoscendo la massa molare dell'acqua (18 grammi/mol), oltre a trascurare la concentrazione delle molecole dissociate e considerando la massa di 1 dm3 di acqua come 1000 g, possiamo calcolare la concentrazione delle molecole indissociate in 1 dm3 di acqua: [ H2O]=1000/18,0153=55,51 mol/dm3. Quindi dall'equazione della costante di dissociazione si può trovare il prodotto delle concentrazioni di protoni e gruppi ossidrili: [H+].[OH-]=1.86.10-16.55.51=1.10-14. Estraendo la radice quadrata del valore risultante, si ottiene la concentrazione di protoni (ioni idrogeno), che determina l'acidità della soluzione ed è uguale alla concentrazione di gruppi idrossilici: [H+]=[OH-]=1,10-7 .

Ma in natura non esiste acqua di tale purezza a causa della presenza di gas disciolti in essa o della contaminazione dell'acqua con altre sostanze (l'acqua infatti è una soluzione di vari elettroliti), quindi a 25 ° C la concentrazione di protoni di idrogeno oppure la concentrazione dei gruppi ossidrile differisce dal valore di 1,10-7. Cioè, l'acidità dell'acqua è dovuta non solo al verificarsi di un processo come la dissociazione dell'acqua. è un logaritmo negativo della concentrazione di ioni idrogeno (pH), è stato introdotto per valutare l'acidità o l'alcalinità dell'acqua e delle soluzioni acquose, poiché è difficile utilizzare numeri con poteri negativi. Per l'acqua pura, pH = 7, ma poiché in natura non esiste acqua pura e la dissociazione dell'acqua avviene insieme alla disintegrazione di altri elettroliti disciolti, il valore del pH può essere inferiore o superiore a 7, cioè per l'acqua, praticamente, pH≠7.

Un ruolo estremamente importante nei processi biologici è svolto dall'acqua, che è una componente essenziale (dal 58 al 97%) di tutte le cellule e i tessuti dell'uomo, degli animali, delle piante e degli organismi semplici. questo è l'ambiente in cui in cui si verificano un'ampia varietà di processi biochimici.

L'acqua ha una buona capacità dissolvente e provoca la dissociazione elettrolitica di molte sostanze in essa disciolte.

Il processo di dissociazione dell'acqua secondo la teoria di Brønsted procede secondo l'equazione:

N 2 0+H 2 0 N 3 DI + + LUI - ;

ΔÍ dis = +56,5 KJ/mol

N 2 0 N + + LUI - Quelli. una molecola d'acqua dona e l'altra aggiunge un protone, avviene l'autoionizzazione dell'acqua:

N 2 - reazione di deprotonazione + 0+N 3 DI + N

- reazione di protonazione

La costante di dissociazione dell'acqua a 298°K, determinata con il metodo della conducibilità elettrica, è pari a:

a(H+) - attività degli ioni H+ (per brevità, al posto di H3O+ scrivere H+);

a(OH -) - attività degli ioni OH -;

Il grado di dissociazione dell'acqua è molto piccolo, quindi l'attività degli ioni idrogeno e idrossido nell'acqua pura è quasi uguale alla loro concentrazione. La concentrazione dell'acqua è costante e pari a 55,6 mol.

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

Sostituendo questo valore nell'espressione della costante di dissociazione Kd(H 2 0), e invece delle attività degli ioni idrogeno e idrossido, le loro concentrazioni, si ottiene una nuova espressione:

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

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

Viene chiamato K(H 2 0). prodotto ionico dell'acqua o costante di autoionizzazione.

Nell'acqua pura o in qualsiasi soluzione acquosa a temperatura costante, il prodotto delle concentrazioni (attività) di idrogeno e ioni idrossido è un valore costante, chiamato prodotto ionico dell'acqua.

La costante K(H 2 0) dipende dalla temperatura. All'aumentare della temperatura, aumenta, perché Il processo di dissociazione dell'acqua è endotermico. Nell'acqua pura o nelle soluzioni acquose di varie sostanze con attività 298K (concentrazione), gli ioni idrogeno e idrossido saranno:

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

Nelle soluzioni acide o alcaline, queste concentrazioni non saranno più uguali tra loro, ma cambieranno coniugativamente: all'aumentare di una di esse, corrispondentemente diminuirà l'altra e viceversa, ad esempio,

a(H +)=10 -4, a(OH -)=10 -10, il loro prodotto è sempre 10 -14

Valore del pH

Qualitativamente la reazione del mezzo si esprime attraverso l'attività degli ioni idrogeno. In pratica, non utilizzano questo valore, ma l'indicatore dell'idrogeno pH, un valore numericamente uguale al logaritmo decimale negativo dell'attività (concentrazione) degli ioni idrogeno, espresso in mol/l.

pH= -lga(H + ),

e per soluzioni diluite

pH= -lgC(H + ).

Per acqua pura e fluidi neutri a 298K pH=7; per soluzioni a pH acido<7, а для щелочных рН>7.

La reazione del mezzo può anche essere caratterizzata dall'indice ossidrile:

pOH= -lga(OH - )

o approssimativamente

pOH= -IgC(OH - ).

Pertanto in un ambiente neutro pH = pH = 7; in un ambiente acido pOH>7 e in un ambiente alcalino pOH<7.

Se prendiamo il logaritmo decimale negativo dell'espressione per il prodotto ionico dell'acqua, otteniamo:

pH + pH = 14.

Pertanto, anche pH e pOH sono quantità coniugate. La loro somma per soluzioni acquose diluite è sempre pari a 14. Conoscendo il pH è facile calcolare il pOH:

pH=14 – pH

e viceversa:

ROH= 14 - pH.

Le soluzioni si distinguono tra acidità attiva, potenziale (riserva) e totale.

Acidità attiva misurato dall'attività (concentrazione) degli ioni idrogeno in una soluzione e determina il pH della soluzione. Nelle soluzioni di acidi e basi forti, il pH dipende dalla concentrazione dell'acido o della base e dall'attività degli ioni H + e LUI - può essere calcolato utilizzando le formule:

UN + )= C(l/z acido)×α ciascuno; + )

pH= -log a(H - a(OH - )

)=C(l/z base)×α ciascuno;

pH= -log a(OH

pH= - logC(l/z acido) – per soluzioni estremamente diluite di acidi forti pOH= - logC(l/z base) - per soluzioni di basi estremamente diluite

Acidità potenziale misurato dal numero di ioni idrogeno legati nelle molecole di acido, cioè rappresenta una “riserva” di molecole acide indissociate.

Acidità totale - la somma dell'acidità attiva e potenziale, che è determinata dalla concentrazione analitica dell'acido e viene stabilita mediante titolazione

Una delle straordinarie proprietà degli organismi viventi è acido-base

omeostasi -

costanza del pH di fluidi biologici, tessuti e organismi. La tabella 1 presenta i valori di pH di alcuni oggetti biologici. Tabella 1 Dai dati della tabella si può vedere che il pH dei vari fluidi nel corpo umano varia in un intervallo abbastanza ampio a seconda della posizione.

SANGUE,

come altri fluidi biologici, si sforza di mantenere un valore di pH costante, i cui valori sono presentati nella Tabella 2

Tabella 2

Le variazioni del pH dai valori indicati di soli 0,3 verso un aumento o una diminuzione portano ad un cambiamento nello scambio dei processi enzimatici, che provoca una grave condizione dolorosa nell'uomo. Una variazione del pH di appena 0,4 non è più compatibile con la vita. I ricercatori hanno scoperto che i seguenti sistemi tampone del sangue sono coinvolti nella regolazione dell'equilibrio acido-base: emoglobina, bicarbonato, proteine e fosfato. La quota di ciascun sistema nella capacità del buffer è presentata nella Tabella 3.

L'indice di idrogeno (pH) è un valore che caratterizza l'attività o la concentrazione degli ioni idrogeno nelle soluzioni. L'indicatore dell'idrogeno è indicato dal pH. L'indice di idrogeno è numericamente uguale al logaritmo decimale negativo dell'attività o concentrazione degli ioni idrogeno, espresso in moli per litro: pH=-log[ H+ ] Se [ H+ ]>10-7mol/l, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7mol/l - ambiente alcalino; pH>7. Idrolisi dei sali- questa è l'interazione chimica degli ioni sale con gli ioni acqua, che porta alla formazione di un elettrolita debole. 1). L'idrolisi non è possibileSale formato da una base forte e un acido forte ( KBr, NaCl, NaNO3), non subirà idrolisi, poiché in questo caso non si forma un elettrolita debole pH di tali soluzioni = 7. La reazione del mezzo rimane neutra. 2). Idrolisi per catione (solo il catione reagisce con l'acqua). In un sale formato da una base debole e un acido forte

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

Il catione subisce idrolisi:

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

Come risultato dell'idrolisi si formano un elettrolita debole, ioni H+ e altri ioni. pH della soluzione< 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)

subisce idrolisi a livello dell'anione, con conseguente formazione di un elettrolita debole, ione idrossido OH- e altri ioni.

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

Il pH di tali soluzioni è > 7 (la soluzione diventa alcalina 4). Idrolisi congiunta (sia il catione che l'anione reagiscono con l'acqua). Sale formato da una base debole e un acido debole

(CH 3COONH 4, (NН 4)2СО 3, Al2S3),

idrolizza sia il catione che l'anione. Di conseguenza, si formano una base e un acido leggermente dissociati. Il pH delle soluzioni di tali sali dipende dalla forza relativa dell'acido e della base. Una misura della forza di un acido e di una base è la costante di dissociazione del corrispondente reagente. La reazione del mezzo di queste soluzioni può essere neutra, leggermente acida o leggermente alcalina:

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

L’idrolisi è un processo reversibile. L'idrolisi è irreversibile se la reazione dà luogo alla formazione di una base insolubile e (o) di un acido volatile