15.3: Вода: кислота и основание Бренстеда-Лоури

Реакция между кислотой Брёнстед-Лоури и водой называется кислотной ионизацией. Например, когда фторид водорода растворяется в воде и ионизируется, протоны переносятся из молекул фторида водорода в молекулы воды, образуя ионы гидрония и ионы фторида:

Ионизация вида основание происходит, когда он принимает протоны из молекул воды. В приведенном ниже примере молекулы пиридина C5NH₅ подвергаются ионизации основание при растворении в воде, дающих ионы гидроксида и пиридиния:

Предшествующие реакции ионизации предполагают, что вода может функционировать как основание (как в его реакции с фторидом водорода), так и как кислота (как в его реакции с аммиаком). Виды, способные либо жертвовать, либо принимать протоны, называются амфипротическими, или, в более общем смысле, амфотерическими, термин, который может использоваться для кислот и оснований в соответствии с определениями, отличными от Брёнстед-Лоури. Приведенные ниже уравнения показывают две возможные реакции кислотно-основная для двух амфипротических видов, бикарбоната иона и воды:

Первое уравнение представляет реакцию бикарбоната как кислоты с водой как основание, в то время как второе представляет реакцию бикарбоната как основание с водой как кислоты. При добавлении бикарбоната в воду оба этих равновесия устанавливаются одновременно, и состав получаемого раствор может быть определен с помощью соответствующих вычислений равновесия. В жидком состоянии молекулы амфипротического вещества могут вступать в реакцию друг с другом, как показано для воды в уравнениях ниже:

Процесс, в котором подобно молекулам реагируют на ионы намолота, называется автоматической ионизацией. Жидкая вода подвергается автоматической ионизации в очень небольшой степени; при 25 °C ионизируются приблизительно два из каждых миллиардов молекул воды. Степень процесса автоматической ионизации воды отражается в значении ее равновесной константы, константы ионного продукта для воды, КВТ:

Небольшая ионизация чистой воды отражается в небольшом значении константы равновесия; при 25 °C, КВТ имеет значение 1.0 × 10^-14.

Этот процесс является эндотермическим, поэтому степень ионизации и результирующие концентрации ионов гидрония и гидроксида увеличиваются при повышении температуры. Например, при 100 °C значение ДЛЯ КВТ составляет около 5.6 × 10^-13, примерно в 50 раз больше значения при 25 °C.

Аутоионизация воды приводит к тому же количеству ионов гидрония и гидроксида. Поэтому в чистой воде при 25 °C:

Концентрации этих ионов в раствор часто являются критическими детерминантами свойств решения и химического поведения его других солей, и для описания этих концентраций в относительном выражении был разработан специальный словарь. раствор нейтрален, если он содержит одинаковые концентрации ионов гидрония и гидроксида; кислотен, если он содержит большую концентрацию ионов гидрония, чем ионы гидроксида; и является базовым, если он содержит меньшую концентрацию ионов гидрония, чем ионы гидроксида.

Резюме отношений по кислотным, базовым и нейтральным решениям

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 14.1: Bronsted-Lowry кислоты и основания, и раздел 14.2: PH и Poh.

Амфотерная молекула может проявлять свойства как кислоты и основания. Вода пример амфотерной молекулы. В водном растворе аммиака вода может действовать как кислота, отдавая протон аммиаку, основанию.

Напротив, вода действует как основание в водном растворе соляной кислоты, принимая протон от кислоты. Поскольку вода является амфотерной, она может подвергаться автоионизации. В этом процессе одна молекула воды действует как кислота, отдавая протон другой молекуле воды, которая действует как основание, принимая этот протон.

Это приводит к образованию иона гидроксония и гидроксид-иона. Константа равновесия для автоионизации воды, Kᴡ, также известная как константа произведения растворимости для воды, может быть выражена как Kᴡ и имеет значение 1 10⁻¹⁴. Выражение ее равновесия записывается как концентрация ионов гидроксония, умноженная на концентрацию гидроксид-ионов, без знаменателя, поскольку оба исходных вещества являются жидкостями.

В чистой воде при 25 градусах Цельсия концентрации ионов гидроксония и гидроксида равны то есть 1 10⁻⁷ M.Kᴡ можно использовать для расчета концентрации ионов гидроксония и гидроксида в растворе и для определения того, является ли раствор кислотным или основным. Если раствор кислый, концентрация ионов гидроксония будет выше, чем гидроксид-ионов. Напротив, если раствор является основным, концентрация гидроксид-ионов будет выше, чем иона гидроксония.

Если концентрация ионов гидроксония в растворе составляет 5 10⁻⁷ M, концентрацию гидроксид-иона можно определить с помощью Kᴡ.Поскольку значения Kᴡ и ионов гидроксония известны, концентрация гидроксид-ионов может быть рассчитана как 2 10⁻⁸ M.Поскольку концентрация ионов гидроксония, 5 10⁻⁷ M, выше, чем концентрация гидроксид-иона, 2 10⁻⁸ М раствор кислый.