Ионное произведение воды

Ио́нное произведе́ние воды́ K_W (константа автопротолиза воды) — произведение концентраций ионов водорода Н⁺ и гидроксид-ионов OH⁻ в воде или в водных растворах.

{\mathsf {K_{W}=\left[H^{+}\right]\left[OH^{-}\right]=10^{-14}(mol/L)^{2}\ \ }}

При 20 - 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8⋅10⁻¹⁶моль/л (pK_d=15,74). Откуда ионное произведение воды K_W = 10⁻¹⁴моль²/л²

Анимация самоионизации воды (автопротолиза воды)

Вывод значения ионного произведения воды

Вода является слабым амфолитом (может быть донором и акцептором ), слабо диссоциирует.

${\mathsf {H_{2}O\rightleftarrows H^{+}+OH^{-}}}$

(однако на самом деле в реакции участвуют 2 молекулы воды ${\ce {H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}}$ )

Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле:

{\mathsf {K={\frac {\left[H^{+}\right]\left[OH^{-}\right]}{\left[H_{2}O\right]}}}}\ \ \ (1)

где:

[H⁺] — концентрация ионов гидроксония (протонов);
[OH⁻] — концентрация гидроксид-ионов;
[H₂O] — концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;

Концентрация молекул воды, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,56 моль/л.

При 20–25 °C константа диссоциации воды равна 1,8⋅10⁻¹⁶моль/л. Так как вода является слабым электролитом (амфолитом), можно записать для неё константу диссоциации непосредственно из диссоциации воды

{\mathsf {K\left[H_{2}O\right]=\left[H^{+}\right]\left[OH^{-}\right]\ \ }}

Обозначим произведение K·[H₂O] = K_в = 1,8⋅10⁻¹⁶ моль/л·55,56 моль/л = 10⁻¹⁴моль²/л² = [H⁺]·[OH⁻] (при 25 °C).

Константа K_в, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды. Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и K_в, при понижении температуры — наоборот.

Зависимость pK_w от температуры

pK_w для чистой воды при различных температурах^[1]
T (°C)	0	5	10	15	18	20	21	22	23	24	25	30	35	40	45	50	55	60	100
K_w*10¹⁴	0.1139	0.1846	0.292	0.4505	0.5702	0.6809	0.742	0.802	0.868	0.948	1.008	1.469	2.089	2.919	4.018	5.474	7.297	9.614	59
pK_w	14.9435	14.7338	14.5346	14.3463	14.244	14.1669	14.1296	14.0958	14.0615	14.0232	13.9965	13.833	13.6801	13.5348	13.396	13.2617	13.1369	13.0171	12.2291

Эти данные можно аппроксимировать параболой (смотри на графике)

pK_w = 14.92 − 0.03992T + 0.00013122T²

или кубической параболой (что точнее)

pK_w = 14.94355 - 0.0429299 * T + 0.00021447938* T^2 - 5.6625156*10^(-7) * T^3

Зависимости pKw от температуры, давления и ионной силы
Температурная зависимость константы ионизации воды при 1 атм Температурная зависимость константы ионизации воды при 25 МПа Зависимость константы ионизации воды от давления при 25 °C Изменение pK_w в зависимости от ионной силы растворов NaCl при 25 °C

Практическое значение ионного произведения воды

Практическое значение ионного произведения воды велико, так как оно позволяет при известной кислотности (щёлочности) любого раствора (то есть при известной концентрации [H⁺] или [OH⁻]) найти соответственно концентрации [OH⁻] или [H⁺]. Хотя в большинстве случаев для удобства представления пользуются не абсолютными значениями концентраций, а взятыми с обратными знаком их десятичными логарифмами — соответственно, водородным показателем (pH) и гидроксильным показателем (pOH).

Так как K_в — константа, при добавлении к раствору кислоты (ионов H⁺), концентрация гидроксид-ионов OH⁻ будет падать, и наоборот. В нейтральной среде [H⁺] = [OH⁻] = ${\sqrt {10^{-14}}}=10^{-7}$ моль/л. При концентрации [H⁺] > 10⁻⁷ моль/л (соответственно, концентрации [OH⁻] < 10⁻⁷ моль/л) среда будет кислой; При концентрации [OH⁻] > 10⁻⁷ моль/л (соответственно, концентрации [H⁺] < 10⁻⁷ моль/л) — щелочной.

Ионные произведения других растворителей

Ионное произведение можно рассчитать не только для воды. Ионное произведение воды является лишь одной (хотя практически наиболее важной) из констант автопротолиза.