14.5 – Ionisering af vand – kemi.androide.dk

Vi har set, at vand i nogle syre-base reaktioner, er amfoterisk hvilket betyder, at det kan optræde som både en syre eller en base. I rent vand, er der en fortløbende reaktion mellem to vandmolekyler, som overfører H⁺ fra et vandmolekyler til det andet. Et molekyle optræder som en syre ved at miste en H⁺, og det andet molekyle optager en H⁺ og optræder som en base. Hver gang en H⁺ overføres mellem to vandmolekyler, er produkterne en H₃O⁺ og en OH^–, hvilke reagere i modsatte retning, og gendanner to vandmolekyler. Der opnås derfor en ligevægt, mellem det korresponderende syre-basepar i vand.

Opstilling af ionproduktkonstanten for vand, K_w

Ved at bruge reaktionsligningen for vand ved ligevægt, kan vi opstille dets ligevægtskonstantligning, som viser koncentrationerne af produkterne, divideret med koncentrationerne af reaktanterne. Husk at de kantede parenteser omkring symbolerne, indikerer deres koncentrationer i mol per liter (M):

$H_{2} O_{(l)} + H_{2} O_{(l)} ⇄ H_{3} O_{(aq)}^{+} + {OH}_{(aq)}^{-}$

$K_{\textup{w}}=\frac{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{-}]\cdot \textup{[OH}^{-}]}{\textup{[H}_{2}\textup{O}]\cdot \textup{[H}_{2}\textup{O}]}$

Som vi gjorde med syre- og basedissociationskonstantligningerne, udelader vi den konstante koncentration af rent, flydende vand, for at få ionproduktkonstanten for vand, K_w:

$K_{\textup{w}}=\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[OH}^{-}]$

Eksperimenter har påvist, at i rent vand, er koncentrationen af H₃O⁺ ved 25 ºC 1,0 · 10^-7 M:

$\textup{{\color{Magenta} rent vand}}\; \; \; \; \; \textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=1,0\cdot 10^{-7}\textup{ M}$

Fordi rent vand indeholder lige så mange OH^– ioner som H₃O⁺ ioner, er koncentrationen af hydroxidionen også 1,0 · 10^-7 M:

$\textup{{\color{Magenta} rent vand}}\; \; \; \; \; \textup{[OH}^{-}]=1,0\cdot 10^{-7}\textup{ M}$

Når vi indsætter [H₃O⁺] og [OH^–] i ionproduktligningen, får vi den numeriske værdi af K_w, der er 1,0 · 10^-14 M ved 25 ºC. Som før, udelades enhederne for koncentrationerne i K_w værdien:

$K_{\textup{w}}=\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[OH}^{-}]$

$=[1,0\cdot 10^{-7}]\cdot [1,0\cdot 10^{-7}]=1,0\cdot 10^{-14}$

Neutral, sur, og basisk opløsning

Når [H₃O⁺] og [OH^–] i en opløsning er den samme, er opløsningen neutral. De fleste opløsninger er imidlertid ikke neutrale, og har forskellige koncentrationer af [H₃O⁺] og [OH^–]. Hvis syre tilføjes til vand, sker der en stigning i [H₃O⁺] og et fald i [OH^–], hvilket danner en sur opløsning. Hvis base tilføres, stiger [OH^–] og [H₃O⁺] falder, hvilket giver en basisk opløsning (se figur 14.4). For enhver opløsning, hvad enten den er neutral, sur, eller basisk, gælder at produktet [H₃O⁺] · [OH^–] altid er lig med K_w (1,0 · 10^-14) ved 25 ºC (se tabel 14.7).

**Figur 14.4** – I en neutral opløsning, er [H₃O⁺] og [OH^–] den samme. I sure opløsninger, er [H₃O⁺] større end [OH^–]. I basiske opløsninger, er [OH^–] større end [H₃O⁺].

Anvendelse af K_w til beregning af [H₃O⁺] og [OH^–] i en opløsning

Hvis vi kender [H₃O⁺] i en opløsning, kan vi bruge K_w til at beregne [OH^–]. Hvis vi kender [OH^–] i en opløsning, kan vi beregne [H₃O⁺], ud fra deres indbyrdes forhold til K_w, som vist i Opgaveeksempel 14.6.

$K_{\textup{w}}=\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[OH}^{-}]$

$\textup{[OH}^{-}]=\frac{K_{\textup{w}}}{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]=\frac{K_{\textup{w}}}{\textup{[OH}^{-}]}$

Opgaveeksempel 14.6

Beregning af [H₃O⁺] og [OH^–] i en opløsning

En eddikeopløsning har en [H₃O⁺] = 2,0 · 10^-3 M ved 25 º. Hvad er [OH^–] i eddikeopløsningen? Er opløsningen sur, basisk, eller neutral?

Løsning

Trin 1:
Angiv de oplyste mængder og de ønskede mængder.

Trin 2:
Opstil K_w ligningen for vand, og løs den med hensyn til den ukendte [H₃O⁺] eller [OH^–].

$K_{\textup{w}}=\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[OH}^{-}]=1,0\cdot 10^{-14}$

Løs ligningen med hensyn til [OH^–] ved at dividere begge sider med [H₃O⁺]

$\frac{K_{\textup{w}}}{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]}=\frac{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[OH}^{-}]}{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]}=\frac{1,0\cdot 10^{-14}}{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]}=\frac{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]\cdot \textup{[OH}^{-}]}{\textup{[H}_{3}\textup{O}^{+}]}$