Prodotto ionico dell'acqua

Probabilmente ti è stato detto per tutta la vita che un pH di 7 è neutro. In realtà non è così. Una soluzione neutra presenta uguali concentrazioni di ioni idrogeno e idrossido, indipendentemente dal suo pH. Pensiamo a 7 come al numero magico solo perché è il valore del pH dell'acqua a temperatura ambiente. Tuttavia, il pH dell'acqua può variare a seconda della temperatura. Ciò dipende da un valore noto come Kw, che è il prodotto ionico dell'acqua.

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Indice

    Il prodotto ionico dell'acqua Kw , è una costante di equilibrio modificata per la dissociazione dell'acqua.

    Analizziamo questo termine in modo più dettagliato.

    Dissociazione dell'acqua

    Dovresti sapere come agiscono gli acidi e le basi in acqua. Entrambi si dissociano.

    • Gli acidi si dissociano formando ioni idrogeno positivi H+, insieme a uno ione negativo.
    • Le basi si dissociano formando ioni idrossido negativi, OH- si comporta in modo anfotero.

    Una sostanza anfotera si comporta sia come un acido che come una base.

    Indipendentemente dal fatto che sia pura o meno, l'acqua si dissocia sempre parzialmente in ioni idronio, H3O+ , e ioni idrossido, OH- . Una molecola d'acqua agisce come acido donando un protone, mentre una seconda molecola d'acqua agisce come base accettando il protone. Si tratta di una reazione reversibile che determina l'equilibrio mostrato di seguito:

    2H2O(l) H3O+(aq) + OH-(aq)

    Osserva i simboli di stato utilizzati. L'acqua è allo stato liquido, mentre gli ioni idronio e idrossido sono allo stato acquoso, cioè disciolti in acqua.

    Lo ione idronio è un acido coniugato. Come ricorderai dall'articolo Acidi e Basi di Brønsted-Lowry, si tratta di un acido che si forma quando una base guadagna un protone. Allo stesso modo, lo ione idrossido è una base coniugata. Si tratta di una base che si forma quando un acido perde un protone. Gli acidi e le basi coniugati si comportano come gli acidi e le basi standard e, di fatto, queste due specie sono entrambe piuttosto forti. Ciò significa che, una volta formate, reagiscono rapidamente l'una con l'altra nella reazione inversa della nostra equazione precedente, formando nuovamente acqua. Pertanto, in qualsiasi momento, gli ioni idronio e gli ioni idrossido in soluzione sono a malapena presenti: la maggior parte dell'equilibrio è costituita da molecole d'acqua.

    Si può anche rappresentare lo ione idronio H3O+, come un semplice protone, H+. Questo semplifica la nostra equazione:

    H2O(l) H+(aq) + OH-(aq)

    Il prodotto ionico della dissociazione dell'acqua StudySmarterFigura 1. Dissociazione dell'acqua.

    La costante di equilibrio dell'acqua

    Si noterà che la dissociazione dell'acqua è una reazione di equilibrio, come abbiamo detto sopra. (Si consiglia di consultare Equilibri).

    L'equilibrio è uno stato di reazione in cui le velocità delle reazioni in avanti e indietro sono uguali e le concentrazioni di reagenti e prodotti rimangono costanti.

    È bene ricordare che è possibile scrivere costanti di equilibrio per le reazioni, note come KC . Queste mettono in relazione la concentrazione dei prodotti con quella dei reagenti in un sistema chiuso all'equilibrio.

    Per la reazione:

    aA + bB cC + dD,

    La formula è la seguente:

    Kc= [C]c[D]d[A]a[B]b

    [A] significa la concentrazione di A. [A]a Significa che si prende il numero di moli di A dato nell'equazione e si eleva la concentrazione di A a questa potenza. Per esempio, se uno dei reagenti ha una concentrazione di 0.5 mol L-1 e ci sono 2 moli di esso nell'equazione [A]a = 0.52.

    Nella nostra reazione di dissociazione con l'acqua, il reagente è l'acqua e i prodotti sono lo ione idronio e lo ione idrossido. Nell'equazione di reazione c'è esattamente una mole di ciascuno. Questo ci dà una formula per Kc :

    Kc = [H3O+][OH-] [H2O]

    Possiamo anche semplificare ulteriormente sostituendo lo ione idronio con lo ione idrogeno:

    Kc=[H+][OH-][H2O]

    Tuttavia, ricorderai che abbiamo detto che solo una minima parte delle molecole d'acqua si dissocia in qualsiasi momento. Ciò significa che la concentrazione delle molecole d'acqua, H2O , è così grande da essere essenzialmente una costante. Per semplificare un po' le cose, possiamo ometterla completamente per creare una costante di equilibrio modificata, Kw :

    Kw = [H3O+][OH-]

    Questo può essere semplificato come segue:

    Kw = [H+][OH-]

    Per il resto di questo articolo, utilizzeremo la seconda versione semplificata.

    Kw è in realtà uguale a Kc x [H2O]. Le molecole d'acqua in cima e in fondo all'equazione si annullano per lasciare solo [H+][OH-] .

    Le unità di Kw

    Per calcolare le unità di Kw , si moltiplicano le unità per [H+] e [OH-] per. Si ottiene così quanto segue:

    mol L-1 x mol L-1 = mol2 L-2

    Kw e pKw

    Al posto di Kw, potrebbe essere fornito un valore per pKw . Così come il pH è il log negativo di [H+], è il log negativo di Kw:

    pKw = - log(Kw)

    Kw = 10-pKw

    Effetto della temperatura su Kw

    Come ogni costante di equilibrio Kw, è influenzata dalla temperatura. Riprendiamo le nostre equazioni di equilibrio, questa volta includendo la variazione di entalpia:

    H2O(l) H+(aq) + OH-(aq) 'ΔH = +57.3 kJ mol-1

    Cosa succede quando aumentiamo la temperatura? La reazione di avanzamento è endotermica, cioè assorbe energia. Secondo il "Principio di Le Chatelier", cambiando le condizioni di una reazione si sposta la posizione dell'equilibrio per opporsi al cambiamento. Aumentando la temperatura, la reazione in avanti sarà favorita per assorbire il calore supplementare e l'equilibrio si sposterà a destra. Le concentrazioni dei prodotti aumenteranno. Questo significa a sua volta che aumenta Kw.

    A temperatura ambiente, approssivativamente 25℃, Kw = 1.00 x 10-14.

    Il prodotto ionico dell'acqua, effetto del calore, StudySmarterFigura 2. effetto del calore sull'equilibrio di dissociazione

    Effetto della temperatura sulla dissociazione dell'acqua

    È molto utile sapere che cos'è Kw e come cambia con la temperatura. Ora impareremo a usarlo per calcolare il pH dell'acqua.

    All'inizio di questo articolo abbiamo detto che l'acqua è neutra, ma questo non significa necessariamente che abbia un pH pari a 7.

    Una soluzione neutra presenta concentrazioni uguali di ioni idrogeno e idrossido.

    Ricordiamo che il pH è una misura della concentrazione di ioni idrogeno in soluzione. All'aumentare della temperatura, Kw aumenta la reazione di dissociazione all'equilibrio dell'acqua. Ciò significa che la concentrazione di ioni idrogeno aumenta. Pertanto, all'aumentare della temperatura, il pH dell'acqua diminuisce.

    Possiamo usare Kw per trovare il pH e viceversa. Vediamo alcuni esempi.

    A 40℃, Kw dell'acqua è 2.09 x 10-14. Calcolare il pH.

    Sappiamo cheKw = [H+][OH-], e a questa temperatura è uguale a 2.09 x 10-14. Sappiamo anche che l'acqua è neutra - ha uguali concentrazioni di ioni idrogeno e idrossido. Ciò significa che [H+]=[OH-] . Possiamo sostituire [OH-] con nella [H+] nostra equazione, come segue:

    Kw = [H+][H+] = [H+]2[H+]2 = 2.09 x 10-14

    Per trovare il pH, dobbiamo conoscere [H+] . Per fare questo, dobbiamo porre sotto radice entrambi i lati dell'equazione.

    [H+] = 2.09 x 10-14 [H+] = 1.45 x 10-7

    Possiamo ora sostituire questo valore nell'equazione del pH.

    pH = - log([H+]) pH = - log(1.45 x 10-7) = 6.84

    Ricorda che questa soluzione è ancora neutra. Contiene concentrazioni uguali di ioni idrogeno e idrossido.

    Come troviamo il pH delle basi?

    In pH, abbiamo esplorato come usare Kw per trovare la concentrazione di ioni idrogeno in soluzione e quindi il pH della soluzione. Riassumiamo ora il tutto prima di esplorare un metodo alternativo che utilizza pKw .

    Calcolare il pH di una soluzione 0.05 mol L-1 di idrossido di potassio KOH, a 25℃.

    In pH, per calcolare il pH abbiamo utilizzato la costante di dissociazione dell'acqua. Kw = [H+][OH-] in soluzione acquosa, Alla temperatura di 25°C, il suo valore è 1.00 x 10-14 che possiamo quindi utilizzare nella nostra equazione per il pH:

    [H+] =Kw[OH-]

    [H+] = 1.00 x 10-140.05 = 2 x 10-13pH = - log([H+]) pH = - log(2 x 10-13) = 12.70

    Tuttavia, possiamo anche utilizzare un metodo alternativo basato su una relazione tra pH, pOH e pKw :

    pH + pOH = pKw

    Se riorganizziamo il tutto, otteniamo la seguente equazione:

    pH = pKw - pOH

    Analogamente al pH, il pOH è una misura della concentrazione di ioni idrossido in soluzione. Si calcola allo stesso modo, prendendo il log negativo della concentrazione di ioni idrossido. Proviamo a fare una prova con l'esempio precedente per vedere se otteniamo la stessa risposta:

    pOH = - log([OH])pH = - log(0.05) = 1.30

    Possiamo ora inserire questo dato nell'equazione che mette in relazione pH, pOH e pKw. Per prima cosa dobbiamo trovare il pKw:

    pKw = - log(Kw) pKw = - log(1.00 x 10-14) = 14 pH = pKw - pOH pH = 14 - 1.30 = 12.70

    È la stessa risposta che abbiamo ricevuto in precedenza.

    Entrambi i metodi utilizzati per trovare il pH funzionano ugualmente. Scopri quale metodo, la tua commissione d'esame preferisce.

    I seguenti diagrammi di flusso riassumono come trovare il pH dell'acqua e delle basi forti:

    Il prodotto ionico dell'acqua pH acqua base forte, StudySmarterFigura 3. Come trovare il pH delle basi forti.

    Prodotto ionico dell'acqua - Punti chiave

    • L'acqua è una sostanza anfotera, cioè agisce sia come acido che come base.
    • L'acqua si dissocia formando ioni idronio e ioni idrossido.

      Il prodotto ionico dell'acqua, Kw è una costante di equilibrio modificata per la dissociazione dell'acqua. È influenzato dalla temperatura e ha come unità di misura mol2 dm-6.

    • pKw = -log(Kw)
    • Si può usare Kwper trovare il pH dell'acqua e delle soluzioni contenenti basi forti.
    Domande frequenti riguardo Prodotto ionico dell'acqua

    Che cos'è la Kw in chimica?

    Kw indica il prodotto ionico dell'acqua ed è una costante di equilibrio modificata per la dissociazione dell'acqua.

    Che cosa si intende per prodotto ionico dell'acqua?

    Si intende il prodotto derivante dall'acqua ovvero dalla sua autoionizzazione.

    Quanto vale la costante di equilibrio dell'acqua?

    Kw = [OH-] [H3O+] = 1.0×10-14

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    A quante cifre decimali dobbiamo dare il pH?

    La reazione di avanzamento per la dissociazione dell'acqua è _________.

    Aumentando la temperatura dell'acqua ______ il valore di Kw .

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