Всё о воде

Что такое жидкость
Жесткость воды
Тяжёлая вода
Минеральная вода
Концентрация растворов
Вода и измерения
Структура воды
Диссоциация воды и pH
Водородная связь
Молекула воды
Физические свойства воды
Химический состав воды
Электролитическая диссоциация
Электропроводность растворов

Диссоциация воды и pH

Диссоциация воды
pH воды
Ион гидроксония
Подвижность ионов гидроксония и гидроксид-ионов

Диссоциация воды

Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая диссоциация - распад на ионы):

H2O ↔ H+ + OH-

Примерно на 556 000 000 не диссоциированных молекул воды диссоциирует только 1 молекула, однако это 60 000 000 000 диссоциированных молекул в 1мм3. Диссоциация обратима, то есть ионы H+ и OH- могут снова образовать молекулу воды. В итоге наступает динамическое равновесие при котором количество распавшихся молекул равно количеству образовавшихся из H+ и OH- ионов. Другими словами скорости обоих процессов будут равны. Для нашего случая, уравнение скорости химической реакции можно написать так:

υ1 = κ1 • [H2O] (для диссоциации воды)

υ2 = κ2 • [H+] • [HO-] (для обратного процесса)

где υ - скорость реакции; κ - константа скорости реакции (зависящая от природы реагирующих веществ и температуры); [H2O], [H+] и [HO-] - концентрации (моль/л).

В состоянии равновесия υ1 = υ2, следовательно:

κ1 • [H2O] = κ2 • [H+] • [HO-]

Проведем нехитрые математические действия и получим:

κ12 = [H+] • [HO-]/[H2O]

κ12 = K

K - константа равновесия, а в нашем случаи константа диссоциации, которая зависит от температуры и природы веществ, и не зависящая от концентраций (также как κ1 и κ2). K для воды 1,8•10-16 при 25 °C (справочная величина).

Вследствие очень малого количества продиссоциированных молекул концентрацию [H2O] можно принять равной общей концентрации воды, а общую концентрацию воды в разбавленных растворах как величину постоянную:

[H2O]=1000(г/л)/18(г/моль)=55,6 моль/л.

Заменяя κ12 на K и используя величину [H2O], определяем чему равно произведение концентраций [H+] и [HO-], которое называется - ионное произведение воды:

K = [H+] • [HO-]/55,6 моль/л
1,8•10-16 • 55,6 моль/л = [H+] • [HO-]
10-14 = [H+] • [HO-]

Так как, при определенной температуре, величины используемые в расчете ионного произведения воды (K, [H2O]) постоянны, значение ионного произведения воды [H+] • [HO-] так же постоянно. А поскольку при диссоциации молекулы воды образуется одинаковое количество ионов [H+] и [HO-], получается что для чистой воды концентрации [H+] и [HO-] будут равны 10-7 моль/л. Из постоянства ионного произведения воды следует, что если количество ионов H+ становится больше, то количество ионов HO- становится меньше. Например, если к чистой воде добавить сильную кислоту HCl, она как сильный электролит вся продиссоциирует на H+ и Cl-, в результате концентрация ионов H+ резко увеличится, и это приведет к увеличению скорости процесса противоположного диссоциации, так как она зависит от концентраций ионов H+ и OH-:

υ2 = κ2 • [H+] • [HO-]

В ходе ускорившегося процесса противоположного диссоциации, концентрация ионов HO- уменьшится до величины соответствующей новому равновесию, при котором их будет так мало, что скорости диссоциации воды и обратного процесса снова будут равны. Если концентрация получившегося раствора HCl равна 0,1моль/л, равновесная концентрация [HO-] будет равна:

[HO-] = 10-14/0,1 = 10-13 моль/л

При добавлении сильного основания NaOH сдвиг будет в сторону уменьшения концентрации H+.

pH воды

Для удобства, концентрации [H+] и [HO-] выражают в виде водородного показателя pH и гидроксильного показателя pOH. pH и pOH - это отрицательные десятичные логарифмы концентраций [H+] и [HO-] (правильнее использовать не концентрацию, а активность) соответственно:

pH = -lg[H+]

pOH = -lg[OH-]

Прологарифмируя уравнение [H+] • [HO-] = 10-14 получим:

lg[H+] + lg[OH-] = -14
-lg[H+] - lg[OH-] = 14
pH + pOH = 14

Получившаяся сумма pH и pOH, также как и произведение, которое логарифмировали, является постоянной и равна 14, так если pH=3 то pOH=11 (pH и pOH могут быть и отрицательными, и если pH=-1 тогда pOH=15).

В зависимости от pH растворы делят на нейтральные, кислые и щелочные. При pH=7 раствор нейтральный, при pH<7 - кислый, при pH>7 - щелочной.

От pH раствора очень сильно зависит протекание многих химических реакций, как на уровне процессов проводящихся в лаборатории и на производстве, так и на уровне реакций в живых организмах, поэтому химикам и биологам с водородным показателем иметь дело приходится очень часто. Все обитатели природных вод и почв адаптированы к определенному водородному показателю, и в случаи его изменения могут погибнуть. Большинство живых организмов могут существовать лишь в средах, близких к нейтральным. Отчасти это связано с тем, что под действием ионов H+ и OH- многие белки, содержащие кислотные или основные группы, изменяют свою конфигурацию и заряд. А в сильнокислой и сильнощелочной средах рвётся пептидная связь, которая соединяет отдельные аминокислотные остатки в длинные белковые цепи. Из-за этого ультраосновные (сильнощелочные) растворы вызывают щелочные ожоги кожи и разрушают шёлк и шерсть, состоящие из белка. Все живые организмы вынуждены поддерживать во внутриклеточных жидкостях определённое значение рН. От величины водородного показателя почвенного раствора зависит урожайность различных культурных растений. На кислых почвах с pH=5-5,5 не развиваются проростки ячменя, но хорошо развивается картофель.

Уровень кислотности (pH) природных вод, некоторых растворов и физиологических жидкостей

Ион гидроксония (H3O+)

Говоря об ионах H+ делается упрощение, так как в воде их нет. Протон "потерянный" молекулой воды присоединяется к другой молекуле образуя ион гидроксония H3O+, и реакция диссоциации воды записывается так:

H2O + H2O ↔ H3O+ + OH-

Ион гидроксония в свою очередь может объединятся с другими молекулами воды образуя гидратированные ионы, например, H5O2+, H7O3+, H9O4+.

Подвижность ионов H3O+ и OH-

Благодаря способности протона "перескакивать" с одной молекулы на другую, ионы H3O+ и OH- значительно более подвижны других одновалентных ионов (например, чем Na+ и Cl-). Перескакивание протона от молекулы к молекуле происходит и во льду, и подвижность протона в воде меньше, чем по льду, на один порядок. Аномальные подвижности ионов H3O+ и OH- как во льду, так и в жидкой воде являются также следствием наличия водородных связей между молекулами. Эти связи способствуют быстрому переносу протонов. Например, один из протонов иона H3O+ может перемещаться вдоль водородной связи скачками:

Перемещение иона гидроксония

Сходным образом протон молекулы воды может двигаться вдоль водородной связи, взаимодействуя с ионом OH-:

Перемещение гидроксид-иона

Оба процесса вызывают миграцию электрического заряда, а при наличии приложенного поля приводят к появлению электрического тока. Согласно Эйгену и Де Мэйеру, подвижность иона H3O+ в воде меньше, чем во льду, из-за того, что система водородных связей в жидкой фазе несовершенна.


Когда выше говорилось о концентрациях, было сделано упрощение, правильнее использовать "активность ионов".


Литература
Copyright © 2009-2010 all-about-water.ru