§ 21. Диссоциация воды

Определения и обозначения

Электролитическая диссоциация воды — обратимое образование ионов при взаимодействии молекул воды. Одна молекула передаёт другой протон, поэтому возникают H₃O⁺ и OH⁻. Это определение помогает записать процесс как равновесие, а не как полное и необратимое разложение воды.

Ион гидроксония H₃O⁺ — катион, который образуется, когда молекула воды принимает протон от другой молекулы воды. Обозначение показывает, что протон в водном растворе связан с молекулой H₂O. Оно нужно, чтобы точнее описывать кислотные свойства раствора и диссоциацию воды.

Ионное произведение воды Kₚ — произведение равновесных концентраций ионов H₃O⁺ и OH⁻ при данной температуре. Его записывают так: Kₚ = [H₃O⁺][OH⁻], где квадратные скобки означают концентрацию в моль/л. Эта величина позволяет вычислить концентрацию одного иона, если известна концентрация другого.

Нейтральная среда — среда, в которой концентрации ионов H₃O⁺ и OH⁻ равны. Нейтральность определяется именно равенством концентраций, а не отсутствием ионов. По сравнению этих величин также различают кислую и щелочную среду.

Как это устроено

При диссоциации воды протон не остаётся отдельной частицей: его принимает неподелённая электронная пара атома кислорода другой молекулы H₂O. Поэтому продукты процесса — гидроксоний H₃O⁺ и гидроксид-ион OH⁻. Поскольку ионы могут снова соединиться с образованием воды, процесс записывают как обратимое равновесие: 2H₂O ⇄ H₃O⁺ + OH⁻. Такая запись отражает оба направления превращения.

В чистой воде при каждом акте диссоциации появляются один ион H₃O⁺ и один ион OH⁻. Поэтому их количества, а значит и концентрации, равны: ни один тип ионов не вносится извне. Если вода содержит кислоту или основание, соотношение меняется, и равенство концентраций уже не обязательно. Так объясняется, почему равенство характеризует нейтральность, а не любой водный раствор.

В состоянии равновесия концентрации ионов связаны: Kₚ = [H₃O⁺][OH⁻]. При постоянной температуре произведение остаётся неизменным, потому что установившееся равновесие задаёт определённое соотношение между молекулами воды и ионами. При 25 °C Kₚ = 1·10⁻¹⁴. Это значение нельзя автоматически переносить на другую температуру: при её изменении изменяется равновесие диссоциации.

Добавление кислоты повышает концентрацию H₃O⁺. Чтобы произведение при той же температуре осталось постоянным, концентрация OH⁻ становится меньше; добавление основания действует в обратном направлении. Значит, постоянным является произведение, а не каждая концентрация по отдельности. Эта зависимость позволяет рассчитать неизвестный ион по формуле [OH⁻] = Kₚ/[H₃O⁺] или [H₃O⁺] = Kₚ/[OH⁻].

В нейтральной воде концентрации обоих ионов равны. При 25 °C каждая составляет 1·10⁻⁷ моль/л, поскольку произведение этих одинаковых величин должно равняться 1·10⁻¹⁴. При другой температуре нейтральный раствор по-прежнему определяется равенством [H₃O⁺] и [OH⁻], но значение каждой концентрации может быть иным. Поэтому характер среды определяют сравнением ионов, а не только запоминанием числа 10⁻⁷.

Ионы воды и характер среды при 25 °C

Чтобы определить среду, сначала сравните две концентрации: большее значение H₃O⁺ означает кислую среду, равные значения — нейтральную, а преобладание OH⁻ — щелочную. Числа 1·10⁻⁷ моль/л и Kₚ = 1·10⁻¹⁴ в таблице относятся к 25 °C. В растворах с концентрациями, отличными от нейтральных, используйте ионное произведение для проверки связи между ними.

Разбор задач

Задача 1. При 25 °C концентрация H₃O⁺ в растворе равна 1·10⁻⁵ моль/л. Найдите концентрацию OH⁻ и определите характер среды.

1. Записываем связь концентраций: Kₚ = [H₃O⁺][OH⁻]. При 25 °C Kₚ = 1·10⁻¹⁴.
2. Выражаем неизвестное: [OH⁻] = Kₚ/[H₃O⁺] = (1·10⁻¹⁴)/(1·10⁻⁵) = 1·10⁻⁹ моль/л.
3. Сравниваем: 1·10⁻⁵ больше 1·10⁻⁹, значит, H₃O⁺ в растворе больше, чем OH⁻. Следовательно, среда кислая.

Ответ: [OH⁻] = 1·10⁻⁹ моль/л; среда кислая. Проверка: произведение 1·10⁻⁵ · 1·10⁻⁹ равно 1·10⁻¹⁴.

Задача 2. В растворе при 25 °C [OH⁻] = 1·10⁻³ моль/л. Рассчитайте [H₃O⁺] и установите характер среды.

1. Известна концентрация гидроксид-ионов, поэтому используем выражение [H₃O⁺] = Kₚ/[OH⁻].
2. Подставляем значение для 25 °C: [H₃O⁺] = (1·10⁻¹⁴)/(1·10⁻³) = 1·10⁻¹¹ моль/л.
3. Сравниваем концентрации: OH⁻ составляет 1·10⁻³ моль/л, а H₃O⁺ — 1·10⁻¹¹ моль/л. Преобладает OH⁻, значит, раствор щелочной.

Ответ: [H₃O⁺] = 1·10⁻¹¹ моль/л; среда щелочная. При проверке их произведение снова даёт 1·10⁻¹⁴.

Задача 3. При 25 °C концентрация H₃O⁺ равна 4·10⁻⁶ моль/л. Рассчитайте [OH⁻] и объясните, как она изменится, если [H₃O⁺] возрастёт в 10 раз.

1. Сначала находим исходную концентрацию OH⁻: [OH⁻] = Kₚ/[H₃O⁺] = (1·10⁻¹⁴)/(4·10⁻⁶) = 2,5·10⁻⁹ моль/л.
2. Если [H₃O⁺] возрастает в 10 раз, она становится равной 4·10⁻⁵ моль/л. Температура та же, поэтому Kₚ остаётся 1·10⁻¹⁴.
3. Рассчитываем новую концентрацию: [OH⁻] = (1·10⁻¹⁴)/(4·10⁻⁵) = 2,5·10⁻¹⁰ моль/л. Она уменьшилась в 10 раз, поскольку произведение концентраций должно сохраниться.

Ответ: исходная [OH⁻] = 2,5·10⁻⁹ моль/л; при десятикратном увеличении [H₃O⁺] концентрация OH⁻ уменьшится в 10 раз, до 2,5·10⁻¹⁰ моль/л.

Типичные ошибки

Ошибка — записывать диссоциацию воды как образование только H⁺ и OH⁻. Так поступают, упрощая уравнение, но в воде протон связывается с молекулой H₂O и образует H₃O⁺. Проверка: посмотрите, указано ли в записи, какая частица принимает протон; правильное уравнение включает гидроксоний.

Ошибка — считать, что [H₃O⁺] = [OH⁻] в любом растворе. Это равенство действительно только для нейтральной среды, а кислоту и щёлочь как раз отличает преобладание одного из ионов. Проверка проста: сравните данные задачи; равные концентрации означают нейтральность, неравные — кислую или щелочную среду.

Ошибка — использовать Kₚ = 1·10⁻¹⁴, не учитывая температуру. Такое значение относится к 25 °C, потому что ионное равновесие зависит от температуры. Перед расчётом проверьте, указана ли температура и подходит ли для неё выбранное значение Kₚ.

Ошибка — считать, что постоянство произведения означает неизменность каждой концентрации. При добавлении кислоты или основания концентрации ионов меняются, хотя при той же температуре их произведение сохраняется. Проверьте себя: перемножьте новые значения; если одно выросло, другое должно измениться так, чтобы произведение осталось равным Kₚ.

Связь с другими темами

Для понимания диссоциации воды нужно знать строение её молекулы, а также различать катионы и анионы. Понятия обратимой реакции и химического равновесия объясняют, почему диссоциация идёт в обоих направлениях и устанавливается определённое соотношение частиц. Без этих знаний сложнее понять появление H₃O⁺ и OH⁻.

Ионное произведение воды применяется при расчётах pH и pOH — величин, характеризующих концентрации H₃O⁺ и OH⁻. Оно помогает определять характер среды и изучать кислотно-основные равновесия. Поэтому связь концентраций из этой темы становится основой для последующих расчётов растворов.

Что запомнить

• Вода диссоциирует обратимо с образованием H₃O⁺ и OH⁻.
• В чистой воде ионы H₃O⁺ и OH⁻ образуются в равных количествах.
• Kₚ = [H₃O⁺][OH⁻] и зависит от температуры.
• При 25 °C Kₚ = 1·10⁻¹⁴.
• В нейтральной среде [H₃O⁺] = [OH⁻].
• В кислой среде [H₃O⁺] > [OH⁻], в щелочной — [H₃O⁺] < [OH⁻].