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.

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.