15.3: Woda: kwas i zasada Bronsteda-Lowry'ego

Reakcja pomiędzy kwasem Brønsteda-Lowry'ego i wodą nazywana jest jonizacją kwasu. Na przykład, gdy fluorowodór rozpuszcza się w wodzie i jonizuje, protony są przenoszone z cząsteczek fluorowodoru do cząsteczek wody, tworząc jony hydroniowe i jony fluorkowe:

Jonizacja zasadowa zachodzi, gdy kwas przyjmuje protony z cząsteczek wody. W poniższym przykładzie cząsteczki pirydyny, C5NH5, po rozpuszczeniu w wodzie ulegają jonizacji zasadowej, dając jony wodorotlenkowe i pirydyniowe:

Powyższe reakcje jonizacji sugerują, że woda może działać zarówno jako zasada (jak w reakcji z fluorowodorem), jak i kwas (jak w reakcji z amoniakiem). Gatunki zdolne do oddawania lub przyjmowania protonów nazywane są amfiprotycznymi lub bardziej ogólnie amfoterycznymi, co jest terminem, który może być używany do oznaczania kwasów i zasad zgodnie z definicjami innymi niż definicja Brønsteda-Lowry'ego. Poniższe równania przedstawiają dwie możliwe reakcje kwasowo-zasadowe dla dwóch form amfiprotycznych, jonu wodorowęglanowego i wody:

Pierwsze równanie przedstawia reakcję wodorowęglanu jako kwasu z wodą jako zasadą, podczas gdy drugie przedstawia reakcję wodorowęglanu jako zasady z wodą jako kwasem. Po dodaniu wodorowęglanu do wody obie te równowagi ustalają się jednocześnie i skład powstałego roztworu można określić poprzez odpowiednie obliczenia równowagi. W stanie ciekłym cząsteczki substancji amfiprotycznej mogą ze sobą reagować, co ilustrują poniższe równania dla wody:

Proces, w którym podobne cząsteczki reagują, wytwarzając jony, nazywa się autojonizacją. Woda w stanie ciekłym w bardzo niewielkim stopniu ulega autojonizacji; w temperaturze 25°C około dwie na miliard cząsteczek wody ulegają jonizacji. Stopień procesu autojonizacji wody odzwierciedla wartość jej stałej równowagi, stałej produktu jonowego dla wody, KW:

Nieznaczna jonizacja czystej wody znajduje odzwierciedlenie w małej wartości stałej równowagi; w temperaturze 25 °C KW ma wartość 1,0 × 10-14.

Proces jest endotermiczny, zatem stopień jonizacji i wynikające z tego stężenia jonów hydroniowych i jonów wodorotlenkowych rosną wraz z temperaturą. Na przykład w temperaturze 100 °C wartość KW wynosi około 5,6 × 10-13, czyli około 50 razy więcej niż wartość w temperaturze 25 °C.

Autojonizacja wody daje taką samą liczbę jonów hydroniowych i wodorotlenkowych. Dlatego w czystej wodzie o temperaturze 25 °C:

Stężenia tych jonów w roztworze są często krytycznymi wyznacznikami właściwości roztworu i zachowania chemicznego innych substancji rozpuszczonych, dlatego opracowano specjalne słownictwo w celu opisania tych stężeń w kategoriach względnych. Roztwór jest obojętny, jeśli zawiera równe stężenia jonów hydroniowych i wodorotlenkowych; kwaśny, jeśli zawiera większe stężenie jonów hydroniowych niż jonów wodorotlenkowych; i zasadowy, jeśli zawiera mniejsze stężenie jonów hydroniowych niż jonów wodorotlenkowych.

Podsumowanie relacji dla roztworów kwaśnych, zasadowych i obojętnych

Klasyfikacja Względne stężenie jonów pH w temperaturze 25 °C

Cząsteczka amfoteryczna może działać zarówno jako kwas, jak i zasada. Przykładem cząsteczki amfoterycznej jest woda.

W wodnym roztworze amoniaku woda może działać jak kwas, oddając proton amoniakowi, zasadzie. Natomiast woda działa jak zasada w wodnym roztworze kwasu solnego, przyjmując proton z kwasu.

Ponieważ jest amfoteryczny, woda może ulegać autojonizacji. W tym procesie jedna cząsteczka wody działa jak kwas, oddając proton innej cząsteczce wody, która działa jak zasada, przyjmując ten proton.

Powoduje to wytwarzanie jonu hydroniowego i jonu wodorotlenkowego.

Stała równowagi dla autojonizacji wody, K_W, znana również jako stała jonowo-produktowa dla wody, ma wartość 1 × 10⁻¹⁴. Jego wyrażenie równowagi jest zapisywane jako stężenie jonów hydroniowych razy stężenie jonów wodorotlenkowych, bez mianownika, ponieważ oba reagenty są cieczami.

W czystej wodzie o temperaturze 25 °C stężenia jonów hydroniowych i wodorotlenkowych są równe – czyli 1 × 10⁻⁷ M.

K_W można wykorzystać do obliczenia stężenia jonów hydroniowych i wodorotlenkowych w roztworze oraz do określenia, czy roztwór jest kwaśny czy zasadowy.

Jeśli roztwór jest kwaśny, stężenie jonów hydroniowych będzie wyższe niż jonów wodorotlenkowych. W przeciwieństwie do tego, jeśli roztwór jest zasadowy, stężenie jonów wodorotlenkowych będzie wyższe niż jonów hydroniowych.

Jeżeli stężenie jonów hydroniowych w roztworze wynosi 5 × 10⁻⁷ M, stężenie jonów wodorotlenkowych można oznaczyć za pomocą _{K W}.

Ponieważ znane są wartości K_W i jonów hydroniowych, stężenie jonów wodorotlenkowych można obliczyć na 2 × 10⁻⁸ M.

Ponieważ stężenie jonów hydroniowych 5 × 10⁻⁷ M jest wyższe niż stężenie jonów wodorotlenkowych, 2 × 10⁻⁸ M, roztwór jest kwaśny.