Ravnotežna konstanta ionizacije vode i pH-vrijednost

Uvod

Voda je amfolit, a to znači da njezine molekule u reakciji mogu biti i proton-donori i proton-akceptori.

Reakciju ionizacije vode prikazuje jednadžba:

[latex]H_2O\left(l\right)+H_2O\left(l\right)\rightleftharpoons H_3O^+\left(aq\right)+OH^–\left(aq\right)[/latex]

Ili pojednostavljeno:

[latex]2H_2O\left(l\right)\rightleftharpoons H_3O^+\left(aq\right)+OH^–\left(aq\right)[/latex]

Koncentracija oksonijevih i hidroksidnih iona u vodi je vrlo mala. Ako otapalo (voda, H₂O) sudjeluje u reakciji, tada u izrazu za konstantu ravnoteže za otapalo pišemo vrijednost množinskog udjela, x(H₂O), a za otopljene tvari (H₃O⁺ i OH^–) vrijednost množinskih koncentracija. Prema tome, izraz za konstantu ravnoteže ionizacije vode je:

[latex]\mathit{K}=\frac{\lbrack H_3O^+\rbrack \cdot \lbrack OH^–\rbrack }{\mathit{x}^2\left(H_2O\right)}[/latex]

Budući da je množinski udio vode 1, izraz za konstantu ravnoteže je:

[latex]\mathit{K}=\lbrack H_3O^+\rbrack \cdot \lbrack OH^–\rbrack [/latex]

Konstanta ionskoga produkta vode, K_w, određena umnoškom ravnotežnih množinskih koncentracija oksonijevih i hidroksidnih iona. Koncentracija oksonijevih i hidroksidnih iona je u destiliranoj vodi vrlo mala, pri 25 °C iznosi 1,0 ⋅ 10^–7 mol dm^–3.

[latex]\mathit{K}_w=\lbrack H_3O^+\rbrack \lbrack OH^–\rbrack =1,0\cdot 10^{–14}\space \space mol^2dm^{–6}[/latex]

Ionski produkt vode, kao i svaka druga konstanta ravnoteže, ovisi o temperaturi, koju je stoga potrebno navesti uz vrijednost konstante. Budući da je umnožak koncentracije oksonijevih i hidroksidnih iona u svim vodenim otopinama pri određenoj temperaturi konstantan, ako je poznata koncentracija oksonijevih iona, moguće je izračunati i koncentraciju hidroksidnih iona.

Ukoliko je [H₃O⁺]>[OH⁻] otopina je kisela, a ukoliko je [OH⁻]>[H₃O⁺] otopina je bazična.

pH-vrijednost kao mjera kiselosti otopina

pH-vrijednost definira se kao negativna vrijednost logaritma brojčane vrijednosti množinske koncentracije vodikovih, odnosno oksonijevih iona.

[latex]pH=–\log \frac{\lbrack H_3O^+\rbrack }{mol\space dm^{–3}}[/latex]

pOH-vrijednost definira se kao negativna vrijednost brojčane vrijednosti množinske koncentracije hidroksidnih iona.

[latex]pOH=–log\frac{\lbrack OH^–\rbrack }{mol\space dm^{–3}}[/latex]

Koje su pH-vrijednosti kiselih, bazičnih i neutralnih otopina pogledajte u sljedećim videozapisima.

Kiselina

pH-vrijednost

pH-vrijednost otopina jakih kiselina i jakih baza

Jake kiseline i jake baze u vodi potpuno ioniziraju, stoga se uzima da je koncentracija oksonijevih iona jednaka koncentraciji monoprotonske jake kiseline, a koncentracija hidroksidnih iona jednaka koncentraciji monohidroksidne jake baze.

ZADATAK:

Izračunajte pH-vrijednost otopine klorovodične kiseline množinske koncentracije 0,15 mol dm⁻³.

ZADANO JE:

c(HCl)= 0,15 mol dm⁻³

TRAŽI SE:

pH= ?

IZRADAK:

Napiše se jednadžba ionizacije klorovodične kiseline i izračuna pH-vrijednost.

[latex]HCl\left(g\right)+H_2O\left(l\right)\longrightarrow H_3O^+\left(aq\right)+Cl^–\left(aq\right)[/latex]

[latex]\mathit{c}\left(H_3O^+\right)=\mathit{c}\left(HCl\right)=0,15\space mol\space dm^{–3}[/latex]

[latex]pH=–\log \frac{\mathit{c}\left(H_3O^+\right)}{mol\space dm^{–3}}[/latex]

[latex]=–\log \space 0,15[/latex]

[latex]=0,82[/latex]

ODGOVOR:

pH-vrijednost otopine klorovodične kiseline zadane množinske koncentracije jest 0,82.

pH-vrijednost otopina slabih kiselina i slabih baza

Kako bismo izračunali pH-vrijednost otopine neke slabe baze ili slabe kiseline, osim njihove množinske koncentracije, potrebno je znati i konstantu ionizacije, K_a ili K_b, ili stupanj ionizacije, α.

Za neki slabu kiselinu, HA, vrijedi:

[latex]\lbrack H_3O^+\rbrack =\sqrt{\mathit{K}_a\cdot \lbrack HA\rbrack }[/latex]

Stupanj ionizacije slabih kisečina, α, omjer je množinske koncentracije oksonijevih iona nastalih ionizacijom slabe kiseline i početne množinske koncentracije kiseline. Zbog malog stupnja ionizacije slabih kiselina vrijedi da su početna i ravnotežna koncentracija jednake: c(HA)= [HA].

[latex]\mathit{\alpha }\left(HA\right)=\frac{\lbrack H_3O^+\rbrack }{\lbrack HA\rbrack }[/latex]

[latex]\lbrack H_3O^+\rbrack =\mathit{\alpha }\left(HA\right)\cdot \lbrack HA\rbrack [/latex]

Za neku slabu bazu, BOH, vrijedi:

[latex]\lbrack OH^–\rbrack =\sqrt{\mathit{K}_b\cdot \lbrack BOH\rbrack }[/latex]

Stupanj ionizacije slabih baza, α, omjer je množinske koncentracije hidroksidnih iona nastalih ionizacijom slabe baze i početne množinske koncentracije baze. Zbog malog stupnja ionizacije slabih baza vrijedi da su početna i ravnotežna koncentracija jednake: c(BOH)= [BOH].

[latex]\mathit{\alpha }\left(BOH\right)=\frac{\lbrack OH^–\rbrack }{\lbrack BOH\rbrack }[/latex]

[latex]\lbrack OH^–\rbrack =\mathit{\alpha }\left(BOH\right)\cdot \lbrack BOH\rbrack [/latex]

ZADATAK:

Stupanj ionizacije octene kiseline, CH₃COOH, množinske koncentracije 0,10 mol dm⁻³ jest 1,3 %. Izračunajte pH-vrijednost octene kiseline.

ZADANO JE:

c(CH₃COOH)= 0,10 mol dm⁻³

α= 1,3 %

TRAŽI SE:

pH= ?

IZRADAK:

Napiše se jednadžba ionizacije octene kiseline:

[latex]CH_3COOH\left(aq\right)+H_2O\left(l\right)\rightleftharpoons H_3O^+\left(aq\right)+CH_3COO^–\left(aq\right)[/latex]

Iz izraza za stupanj ionizacije izračuna se množinska koncentracija oksonijevih iona:

[latex]\lbrack H_3O^+\rbrack =\mathit{\alpha }\left(CH_3COOH\right)\cdot \lbrack CH_3COOH\rbrack [/latex]

[latex]=0,013\cdot 0,10\space mol\space dm^{–3}[/latex]

[latex]=1,3\cdot 10^{–3}\space mol\space dm^{–3}[/latex]

U izraz za izračunavanje pH-vrijednosti uvrsti se vrijednost množinske koncentracije oksonijevih iona.

[latex]pH=–log\frac{\lbrack H_3O^+\rbrack }{mol\space dm^{–3}}[/latex]

[latex]pH=–\log \frac{1,3\cdot 10^{–3}\space mol\space dm^{–3}}{mol\space dm^{–3}}[/latex]

[latex]pH=2,9[/latex]

ODGOVOR:

pH-vrijednost zadane otopine octene kiseline jest 2,9.