تأين الماء الذاتي

التأين الذاتي للماء

ملف:Autoprotolyse eau.svg

التأين الذاتي للماء (بالإنجليزي : Self-ionization of water) هو تفاعل كيميائي يتم في الماء النقي أو المحلول المائي حيث ينتقل بروتون من جزئ الماء إلى جزئ آخر , فيتكون أيونين هما الهيدرونيوم ⁺H₃O والهيدروكسيد⁻ OH. ويعد التأين الذاتي للماء مثال على تحلل البروتون التلقائي وتمثيل التذبذب (متردد) الطبيعي للماء.

التركيز

الماء الكيميائي النقي له قدرة توصيل 0.055 مايكرو ثانية. سم ⁻¹ ويرجع ذلك لوجود الأيونات في الماء وفقا لنظرية سفانت أوغست أرينيوس , وينتج هذا الأيون من تفاعل التأين الذاتي للماء :

H₂O + H₂O is in equilibrium with H₃O⁺ + OH⁻

حيث ينطبق هذا التوازن على الماء النقي وأي محلول مائي , ويعطى ثابت الإتزان الكيميائي بالعلاقة التالية :

$K_{eq}=\frac{[H_3{O}^{+}][O{H}^{-}]}{[H_{2}O{]}^2}$

في حالة إذا كان تركيز المواد المذابة في المحلول[H₂O] منخفضة فيمكن اعتبارها ثابته وتساوي [55.5M. [1

يرمز لثابت التأين , ثابت التفكك , ثابت التأين الذاتي , إنتاج الأيون للماء بالرمز K_w ويعطى بالعلاقة التالية :

$K_w=[H_3{O}^{+}][O{H}^{-}]=K_{eq}\times [H_{2}O{]}^2$

حيث : [⁺H₃O] هو تركيز أيون الهيدروجين أو أيون الهيدرونيوم [⁻OH] هو تركيز أيون الهيدروكسيد عند 25 درجة مئوية , وK_w = 1.0×10⁻14

عند فصل جزيئات الماء إلى كميات متساوية من⁺ H₃O و⁻OH تكون تركيزاتها متساوية mol dm−3 ⁷⁻ 10 ×1.0 (تكون تركيز ⁺H₃O و⁻ OH في المحلول المتعادل متساوية)

الماء النقي متعادل لكن معظم المياه تحتوي على شوائب ينتج عنها إما أن يكون المحلول حمضي أو قاعدي الذي بدوره يؤثر على تركيز أيون الهيدروكسيد وأيون الهيدرونيوم , وتمتص عينات الماء المعرضة للهواء حامض ثاني أكسيد الكربون فيزيد تركيز⁺ H₃O ويقل تركيز ^-OH وباستمرار ذلك يستمر إنتاج [^-H₃O⁺][OH].

إعتماد التأين الذاتي على الضغظ ودرجة الحرارة وقوة التأين

ملف:Kw vs I.png باختلاف القوة الأيونية لمحلول كلوريد الصوديوم عند 25°C

ملف:Temperature dependence water ionization.svg ] يعتمد تاين الماء على درجة الحرارة عند ثبوت الضغط عند 25 ميغا باسكال

ملف:Pressure dependence water ionization pKw on P.svg يعتمد تاين الماء على الضغط عند ثبوت درجة الحرارة 25 °C

1- تنخفض قيمة pK_w بارتفاع درجة الحرارة من نقطة انصهار الجليد إلى 250 درجة مئوية وبزيادة درجة الحرارة إلى 374درجة مئوية نصل إلى الدرجة الحرجة.[2]

2- انخفاض قيمة pK_w بارتفاع الضغط

3- في المحاليل الموصلة للكهرباء تعتمد pK_w على القوة الأيونية للمحلول , مثال : في محلول كلوريد الصوديوم تكون القوة الأيونية 1.1 وتوصيليته 1:2 حيث تنخفض قيمة MX₂, pK_w بارتفاع القوة الأيونية [3]

تأثير النظائر

تأين الماء الثقيل D₂O أقل بكثير من تأين الماء العادي H₂O , حيث أن روابط الأكسجين في الماء الثقيل أقوى قليلا من تلك الموجودة في الماء العادي وذلك لكبر كتلة الديتريوم (الماء الثقيل) ويختلف ذلك عند قيم أقل من نقطة الطاقة الصفرية وتحت تأثير ميكانيكا الكم. الجدول التالي يوضح قيم pKw للماء الثقيل والماء الخفيف :

pK_w للماء النقي

T/°C	10	20	25	30	40	50
H2O	14.535	14.167	13.997	13.830	13.535	13.262
D2O	15.439	15.049	14.869	14.699	14.385	14.103

آلية التأين

معدل التفكك للتفاعل

H₂O → H⁺ + OH^-

يعتمد على طاقة التنشيط ΔE^‡ , وفقا لتوزيع بولتزمان تكون نسبة جزيئات الماء التي لديها طاقة مناسبة للتسكين الحراري تعطى بالعلاقة :

$\frac{N}{N_0}=e^{-\frac{\mathrm{\Delta }{E}^{‡}}{kT}}$

حيث ان :

K ثابت بولتزمان , حيث يحدث التفكك الحراري عند توفر طاقة حرارية كافية بينما يعتمد تسلسل التفكك على التقلب الحراري للماء السائل [5] , فتحدث تقلبات عشوائية في حركة جزيئات السائل (مرة واحدة كل 10 ساعات [6]) فينتج عن التقلب كسر للروابط بالتالي ينتج حقل كهرباي قوي ينتج عنه أيون الهيدرونيوم وأيون الهيدروكسيد فيتحرر بروتون من أيون الهيدرونيوم وفقا لآلية جروتاس واستبدال الرابطة الهيدروجينية بعزل أيونين التي تستقرخلال 1 بيكو ثانية.

إعادة تكوين الرابطة الهيدروجينية يسمح بانتقال البروتون السريع وإيجاد فرق جهد وإعادة ترتيب الايونات مرة أخرى.

هذا الجدول الزمني يتناسب مع زمن تكون الرابطة الهيدروجينية وإعادة ترتيبها في الماء.[7][8][9]

شاهد أيضا

• الاتزان الكيميائي
• حمض
• نظرية تفاعل حمض-قاعدة

المراجع

• ^ McMurry, John. (2004) Organic Chemistry, pg 44
• ^ International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS)
• ^ Harned, H.S.; Owen,, B.B. (1958). The Physical Chemistry of Electrolytic Solutions (£rd. ed.). New York: Reinhold Publishing Corp.,. pp. 634–649, 752–754.
• ^ Lide, D. R. (Ed.) (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics (70th Edn.). Boca Raton (FL):CRC Press.
• ^ Geissler, P. L.; Dellago, C.; Chandler, D.; Hutter, J.; Parrinello, M. (2001). "Autoionization in liquid water". Science 291 (5511): 2121–2124. doi:10.1126/science.1056991. PMID 11251111.
• ^ Eigen, M.; de Maeyer, L. (1955). "Untersuchungen über die Kinetik der Neutralisation I". Z. Elektrochem. 59: 986.
• ^ Stillinger, F. H. (1975). "Theory and Molecular Models for Water". Adv. Chem. Phys. 31: 1. doi:10.1002/9780470143834.ch1.
• ^ Rapaport, D. C. (1983). "Hydrogen bonds in water". Mol. Phys. 50 (5): 1151. doi:10.1080/00268978300102931.
• ^ Chen, S.-H. & Teixeira, J. (1986). "Structure and Dynamics of Low-Temperature Water as Studied by Scattering Techniques". Adv. Chem. Phys 64: 1. doi:10.1002/9780470142882.ch1.

وصلات خارجية

General Chemistry—Autoionization of Water

ca:Producte iònic de l'aigua cs:Autoionizace vody da:Vands autoprotolyse de:Protolyse#Autoprotolyse el:Αυτοϊοντισμός νερού Self-ionization of water]] es:Autoionización del agua fi:Autoprotolyysi fr:Autoprotolyse it:Autoionizzazione dell'acqua ja:自己解離 mk:Автојонизација на водата pl:Autodysocjacja wody pt:Autoionização da água sv:Vattnets autoprotolys zh:水的电离