15.3 : Вода: кислота и основание Бренстеда-Лоури

Реакция между кислотой Брёнстед-Лоури и водой называется кислотной ионизацией. Например, когда фторид водорода растворяется в воде и ионизируется, протоны переносятся из молекул фторида водорода в молекулы воды, образуя ионы гидрония и ионы фторида:

Ионизация вида основание происходит, когда он принимает протоны из молекул воды. В приведенном ниже примере молекулы пиридина C5NH₅ подвергаются ионизации основание при растворении в воде, дающих ионы гидроксида и пиридиния:

Предшествующие реакции ионизации предполагают, что вода может функционировать как основание (как в его реакции с фторидом водорода), так и как кислота (как в его реакции с аммиаком). Виды, способные либо жертвовать, либо принимать протоны, называются амфипротическими, или, в более общем смысле, амфотерическими, термин, который может использоваться для кислот и оснований в соответствии с определениями, отличными от Брёнстед-Лоури. Приведенные ниже уравнения показывают две возможные реакции кислотно-основная для двух амфипротических видов, бикарбоната иона и воды:

Первое уравнение представляет реакцию бикарбоната как кислоты с водой как основание, в то время как второе представляет реакцию бикарбоната как основание с водой как кислоты. При добавлении бикарбоната в воду оба этих равновесия устанавливаются одновременно, и состав получаемого раствор может быть определен с помощью соответствующих вычислений равновесия. В жидком состоянии молекулы амфипротического вещества могут вступать в реакцию друг с другом, как показано для воды в уравнениях ниже:

Процесс, в котором подобно молекулам реагируют на ионы намолота, называется автоматической ионизацией. Жидкая вода подвергается автоматической ионизации в очень небольшой степени; при 25 °C ионизируются приблизительно два из каждых миллиардов молекул воды. Степень процесса автоматической ионизации воды отражается в значении ее равновесной константы, константы ионного продукта для воды, КВТ:

Небольшая ионизация чистой воды отражается в небольшом значении константы равновесия; при 25 °C, КВТ имеет значение 1.0 × 10^-14.

Этот процесс является эндотермическим, поэтому степень ионизации и результирующие концентрации ионов гидрония и гидроксида увеличиваются при повышении температуры. Например, при 100 °C значение ДЛЯ КВТ составляет около 5.6 × 10^-13, примерно в 50 раз больше значения при 25 °C.

Аутоионизация воды приводит к тому же количеству ионов гидрония и гидроксида. Поэтому в чистой воде при 25 °C:

Концентрации этих ионов в раствор часто являются критическими детерминантами свойств решения и химического поведения его других солей, и для описания этих концентраций в относительном выражении был разработан специальный словарь. раствор нейтрален, если он содержит одинаковые концентрации ионов гидрония и гидроксида; кислотен, если он содержит большую концентрацию ионов гидрония, чем ионы гидроксида; и является базовым, если он содержит меньшую концентрацию ионов гидрония, чем ионы гидроксида.

Резюме отношений по кислотным, базовым и нейтральным решениям

Классификация	Относительные концентрации ионов	PH при 25 °C.
кислый	[H3O+] > [OH-]	PH < 7
нейтраль	[H3O+] = [OH-]	PH = 7
базовый	[H3O+] < [OH-]	PH > 7

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 14.1: Bronsted-Lowry кислоты и основания, и раздел 14.2: PH и Poh.