Введение
Автопротолиз или обмен протоном между двумя молекулами воды. Самоионизация воды (также автоионизация воды, автопротолиз воды, автодиссоциация воды или просто диссоциация воды) — это реакция ионизации в чистой воде или в водном растворе, в которой молекула воды, H2O, отщепляет протон (теряет ядро одного из своих атомов водорода) и превращается в гидроксид-ион, OH−. Отщепленный протон, H+, немедленно присоединяется к другой молекуле воды, образуя гидроксоний-катион, H3O+. Это пример автопротолиза и демонстрирует амфотерные свойства воды.
The self ionization of water (also autoionization of water, autoprotolysis of water, autodissociation of water, or simply dissociation of water) is an ionization reaction in pure water or in an aqueous solution, in which a water molecule, H2O, deprotonates (loses the nucleus of one of its hydrogen atoms) to become a hydroxide ion, OH−. The hydrogen nucleus, H+, immediately protonates another water molecule to form a hydronium cation, H3O+. It is an example of autoprotolysis, and exemplifies the amphoteric nature of water.
История и обозначение
Самоионизация воды была впервые предложена в 1884 году Сванте Аррениусом как часть теории ионной диссоциации, которую он предложил для объяснения проводимости электролитов, включая воду. Аррениус записывал самоионизацию как H2O <=> H+ + OH. В то время ещё ничего не было известно об атомной структуре или субатомных частицах, поэтому у него не было оснований считать образование иона H+ из атома водорода при электролизе менее вероятным, чем, например, образование иона Na+ из атома натрия. В 1923 году Йоханнес Николаус Брёнстед и Мартин Лоури предположили, что самоионизация воды на самом деле включает в себя две молекулы воды: H2O + H2O <=> H3O+ + OH. К этому времени электрон и ядро были открыты, и Резерфорд показал, что ядро значительно меньше атома. Это относится и к обнажённому иону H+, который соответствует протону без электронов. Брёнстед и Лоури предположили, что этот ион не существует в свободном виде в растворе, а всегда присоединяется к молекуле воды (или другого растворителя), образуя ион гидрония H3O+ (или другой протонированный растворитель). Последующие спектроскопические данные показали, что многие протоны на самом деле гидратированы более чем одной молекулой воды. Наиболее точным обозначением для гидратированного иона является H+(aq), где aq (от aqueous – водный) указывает на неопределённое или переменное количество молекул воды. Однако обозначения H+ и H3O+ по-прежнему широко используются из-за их исторической значимости. В данной статье гидратированный протон в основном представлен как H3O+, что соответствует гидратации одной молекулой воды.
Равновесие ионизации в смесях воды и тяжелой воды
В смесях воды и тяжелой воды в равновесии присутствуют следующие частицы: H2O, HDO, D2O, H3O+, D3O+, H2DO+, HD2O+, HO−, DO−.
Отношение к нейтральной точке воды
Молекулы воды диссоциируют на равные количества ионов H3O+ и OH−, поэтому их концентрации при 25 °C и 0,1 МПа почти точно равны 1,00. Раствор, в котором концентрации H3O+ и OH− одинаковы, считается нейтральным. В общем случае, pH нейтральной точки численно равен pKw. Чистая вода нейтральна, но большинство образцов воды содержат примеси. Если примесь является кислотой или основанием, это повлияет на концентрации иона гидроксония и иона гидроксида. Образцы воды, контактирующие с воздухом, поглощают некоторое количество углекислого газа с образованием угольной кислоты (H2CO3), и концентрация H3O+ увеличивается в результате реакции H2CO3 + H2O = HCO3− + H3O+. Концентрация OH− уменьшается таким образом, что произведение [H3O+][OH−] остается постоянным при фиксированной температуре и давлении. Следовательно, эти образцы воды будут слегка кислыми. Если требуется pH, равный точно 7,0, его необходимо поддерживать соответствующим буферным раствором.