Ионное произведение воды

Ио́нное произведе́ние воды́ K_W (константа автопротолиза воды) — произведение концентраций ионов водорода Н⁺ и гидроксид-ионов OH⁻ в воде или в водных растворах.

${\mathsf{K}}_{\mathsf{W}}\mathsf{=}\left[{\mathsf{H}}^{\mathsf{+}}\right]\left[\mathsf{O}{\mathsf{H}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}}\right]\mathsf{=}{\mathsf{10}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}\mathsf{14}}\mathsf{(}\mathsf{m}\mathsf{o}\mathsf{l}\mathsf{/}\mathsf{L}{\mathsf{)}}^{\mathsf{2}}$${\mathsf {K_{W}=\left[H^{+}\right]\left[OH^{-}\right]=10^{-14}(mol/L)^{2}\ \ }}$

При 20 - 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8⋅10⁻¹⁶моль/л (pK_d=15,74). Откуда ионное произведение воды K_W = 10⁻¹⁴моль²/л²

Вывод значения ионного произведения водыПравить

Вода является слабым амфолитом (может быть донором и акцептором ), слабо диссоциирует.

${\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\rightleftarrows <!--\; \rightleftarrows \; -->{\mathsf{H}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathsf{O}{\mathsf{H}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}}$${\mathsf {H_{2}O\rightleftarrows H^{+}+OH^{-}}}$ 

Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле:

$\mathsf{K}\mathsf{=}\frac{\left[{\mathsf{H}}^{\mathsf{+}}\right]\left[\mathsf{O}{\mathsf{H}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}}\right]}{\left[{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\right]}(1)$${\mathsf {K={\frac {\left[H^{+}\right]\left[OH^{-}\right]}{\left[H_{2}O\right]}}}}\ \ \ (1)$ 

где:

• [H⁺] — концентрация ионов гидроксония (протонов);
• [OH⁻] — концентрация гидроксид-ионов;
• [H₂O] — концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;

Концентрация молекул воды, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,56 моль/л.

При 20 - 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8⋅10⁻¹⁶моль/л. Так как вода является слабым электролитом (амфолитом), можно записать для неё константу диссоциации непосредственно из диссоциации воды

$\mathsf{K}\left[{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\right]\mathsf{=}\left[{\mathsf{H}}^{\mathsf{+}}\right]\left[\mathsf{O}{\mathsf{H}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}}\right]$${\mathsf {K\left[H_{2}O\right]=\left[H^{+}\right]\left[OH^{-}\right]\ \ }}$ 

Обозначим произведение K·[H₂O] = K_в = 1,8⋅10⁻¹⁶ моль/л·55,56 моль/л = 10⁻¹⁴моль²/л² = [H⁺]·[OH⁻] (при 25 °C).

Константа K_в, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды. Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и K_в, при понижении температуры — наоборот.

Зависимость pK_w от температурыПравить

pK_w для чистой воды при различных температурах

T (°C)	0	5	10	15	18	20	21	22	23	24	25	30	35	40	45	50	55	60	100
Kw*1014	0.1139	0.1846	0.292	0.4505	0.5702	0.6809	0.742	0.802	0.868	0.948	1.008	1.469	2.089	2.919	4.018	5.474	7.297	9.614	59
pKw	14.9435	14.7338	14.5346	14.3463	14.244	14.1669	14.1296	14.0958	14.0615	14.0232	13.9965	13.833	13.6801	13.5348	13.396	13.2617	13.1369	13.0171	12.2291

Эти данные можно аппроксимировать параболой (смотри на графике)

pK_w = 14.92 − 0.03992T + 0.00013122T²

или кубической параболой (что точнее)

pK_w = 14.94355 - 0.0429299 * T + 0.00021447938* T^2 - 5.6625156*10^(-7) * T^3

Практическое значение ионного произведения водыПравить

Практическое значение ионного произведения воды велико, так как оно позволяет при известной кислотности (щёлочности) любого раствора (то есть при известной концентрации [H⁺] или [OH⁻]) найти соответственно концентрации [OH⁻] или [H⁺]. Хотя в большинстве случаев для удобства представления пользуются не абсолютными значениями концентраций, а взятыми с обратными знаком их десятичными логарифмами — соответственно, водородным показателем (pH) и гидроксильным показателем (pOH).

Так как K_в — константа, при добавлении к раствору кислоты (ионов H⁺), концентрация гидроксид-ионов OH⁻ будет падать, и наоборот. В нейтральной среде [H⁺] = [OH⁻] = $\sqrt{{10}^{-<!--\; -\; -->14}}={10}^{-<!--\; -\; -->7}$${\sqrt {10^{{-14}}}}=10^{{-7}}$  моль/л. При концентрации [H⁺] > 10⁻⁷ моль/л (соответственно, концентрации [OH⁻] < 10⁻⁷ моль/л) среда будет кислой; При концентрации [OH⁻] > 10⁻⁷ моль/л (соответственно, концентрации [H⁺] < 10⁻⁷ моль/л) — щелочной.

Ионные произведения других растворителейПравить

Ионное произведение можно рассчитать не только для воды. Ионное произведение воды является лишь одной (хотя практически наиболее важной) из констант автопротолиза.

См. такжеПравить

• Электролитическая диссоциация
• Автопротолиз
• Водородный показатель
• Гидроксильный показатель

СсылкиПравить

• Ионное произведение воды в зависимости от давления и температуры воды http://twt.mpei.ac.ru/rbtpp/pKw/