Jonski proizvod vode pH

UVOD

Voda ima molekulsku formulu H2O, dakle, jedan molekul vode sastoji se od dva vodonikova atoma i jednog atoma kiseonika. Isto moze biti opisana jonski kao HOH, sa vodonikovim jonom (H+) vezanim za hidroksilni jon (OH-). Pri normalnim uslovima kod vode se tecna i gasna faza nalaze u dinamičkoj ravnotezi. Na sobnoj temperaturi voda je tecnost skoro bezbojna, bez ukusa i mirisa. U nauci se cesto kaze da je voda univerzalni rastvarac i jedina je supstanca koja se u prirodi nalazi čista u sva tri agregatna stanja.
Voda moze da se razloži na sastavne elemente, kiseonik i vodonik, propoustanjem struje kroz nju. Taj se proces naziva elektroliza. Molekuli vode prirodno disosuju na jone H+ i OH-. Kada se zatvori strujno kolo negativna eletroda (katoda) privlaci H+ jone koji se na katoi neutrališu primajući po jedan elektron i koji se rekombinuju u molekule vodonika, H2. U isto vreme pozitivna anoda privlaci OH- jone koji joj predaju po jedan elektron i na njoj se rekombinuju u vodu i gasoviti kiseonik, O2. Gasovi, proizvodi eletrolize izlaze na površinu u obliku mehurića gde se mogu posebno sakupiti.
Jone je prvi pominjao Majkl Faradej oko 1830. kako bi opisao cestice koje se kreću prema katodi ili anodi. Ipak, mehanizam po kome se ovo dešava nije opisan sve do 1884. kada ga je Svante Arenijus (Svante August Arrhenius) opisao u doktorskoj disertaciji na Univerzitetu u Upsali. Njegova teorija prvobitno nije bila prihvaćena (ocenjen je najmanjem prolaznom ocenom) ali je kasnije dobio Nobelovu nagradu za hemiju 1903. za istu disertaciju.
Jon je naelektrisani atom ili grupa atoma. Proces stvaranja jona iz neutralnih cestica naziva se jonizacija. Ma kako nastalo, jonsko naelektrisanje potice od gubitka ili dobitka elektrona. Negativno naelektrisan jon se zove anjon, jer ga privlaci pozitivno naelektrisana anoda, a pozitivno naelektrisan jon je katjon, jer ga privlači negativno naeletrisana katoda.

 
Jonski proizvod vode pH

Hemijski cista voda slabo provodi elektricnu sruju jer je vrlo slab elektrolit (neynatan stepen jonizacije). Njena jonizacija se vrsi prema jednačini:

H2O ↔ H+ + OH-

Na sobnoj temperature jonizovan je samo  1/1000000  deo mase mola vode, ili je u 10000000 dm3 jonizovana masa samo 1 mola (18 g) vode, ili što je isto, 555 000 000 molekula vode jonizovan je samo 1 molekul. Ako na disocijaciju vode primenimo zakon o dejstvu masa dobija se:

[H+] ⋅ [OH-] / [H2O] = K

K konstanta disocijacije vode, [H+] i [OH-] su koncentracije jonova izrazene u mol-jonovima u dm3, a [H2O] je koncentracija nejonizovanih molekula vode izražena u molovima dm3 (mol / dm3). Kako je na osnovu elektrolicke provodljivosti vode izracunat stepen disocijacije za vodu, a iz stepena disocijacije je nadjeno da, na 240C, u 1litar (dm3) vode dosocira jedan desetmilioniti deo gram-molekula vode ( 10-7 gram-mola). Kako svaki molekul vode daje jedan vodonikov i jedan hidroksili jon, to će koncentracija ovih jona biti:
[H+] = [OH-] = 10-7 gram-jona/ dm3 na 240C. Proizvod ovih jonova u vodi je prema tome:

[H+] ⋅ [OH-] = 10-7⋅10-7= 10-14

Za koncentraciju nedisociranih molekula vode, moze se uzeti broj grama-molekula vode u 1 dm3, jer je broj disociranih molekula zanemarljiv prema broju nedisociranih molekula, te je:
[H2O] = 1000/18 = 55,5 (grama-molekula u 1 dm3). Prema tome, 1 dm3 vode sadrzi 55,5 molova vode. Stoga ce konstanta disocijacije vode imati vrednost:

K = 10-7⋅10-7 / 55,5 = 1,8 ⋅ 10-16

Iz izraza za konstantu disocijacije vode izlazi da je:

[H+] ⋅ [OH-] = K ⋅ [H2O]
[H+] ⋅ [OH-] = 1,8 ⋅ 10-16 ⋅ 55,5 = 10-14
[H+] ⋅ [OH-] = 10-14 = Kw (za 240C)

Taj proizvod se naziva jonski proizvod vode. On je stalan i ma stalnu vrednost na stalnoj temperature i najcesce se obelezava sa Kw. Eksperimentalno je odredjeno da Kw ( jonski proizvod vode ) na 240C iznosi 10-14 .Ova se vrednost menja sa temperaturom in a 1000C ona iznosi oko 10-12 ,tj, oko 100 puta je veca nego na 240C. Prema tome, koncentracija vodonikovih jona je na 1000C skoro 10 puta veca nego na 240C. Pri neutralizaciji jake kiseline i jake baze oslobadja se toplota. Ova reakcija se moze predstaviti jednacinom:

[H+] ⋅ [OH-]↔ H2O + Q

Nastajanje vode prema gornjoj jednacini (reakciji) praceno je povisenjem temperature. Po Le Chatelier-ovom principu povisenje temperature u nekom sistemu koji se nalazi u ravnotezi, pomera ravnotezu u tom smislu da se toplota apsorbuje. Prema tome, povisenjem temperature ravnoteza ce se pomeriti s desna na levo, iz cega zakljucujemo da disocijacija vode raste sa porastom temperature. Za cistu vodu i za svaki drugi rastvor koji ima [H+] = [OH-] = 10-7 , odnosno jednake kolicine vodonikovih i hidroksilnih jona, kazemo da reaguju neutralno. Ako cistu vodu nalijemo kiselinom, koncentracija vodonikovih jona znatno ce narasti, a koncentracija hidroksilnih jona ce se jako smanjiti, jer proizvod [H+] i [OH-] ostaje konstanta na datoj temperature. Ako npr. Dodatkom kiseline [H+] naraste na 10-2 , [OH-] ce se smanjiti i bice 10-12 .

10-2 ⋅ 10-12 = 10-14

Kada je [H+] veca od 10-7 rastvor je kiseo, kad je [H+] manja od 10-7 rastvor je bazican. Tako da je [H+] = 10-3rastvor je kiseo,ako je [H+] = 10-12rastvor je bazican.
U svakom vodenom rastvoru su prisutni [H+] i [OH-] joni, uvek je njihov proizvod jednak 10-14 ( na 240C). Osim toga, ma kako se menjale njihove koncentracije, njohov proizvod je konstantan na datoj temperature. Ako je poznata koncentracija bilo kog od jona moze se lako izracunati koncentracija drugog jona:

[H+] = 10-14 / [OH-] ili [OH-] = 10-14 / [H+]

Uobicajno je da se umesto koncentracije vodonikovih i hidroksilnih jona navede eksponent brojne vrednosti ovih koncentracija i to bez negativnog predznaka. Eksponent koncentracije vodonikovih jona oznacava se sa pH, a eksponent koncentracije hidroksilnih jona sa pOH. Tako npr. kad kazemo pH = 5, mislimo na koncentraciju vodonikovih jona od 10-5 gram-jona H+ tj. na [H+] = 10-5 , a kada kazemo pOH = 3, mislimo na koncentraciju hidroksilnih jona od 10-3 gram-jona OH- tj. [OH-] = 10-3. Prema definiciji logaritma, pH je upravo negativni dekadni logaritam koncentracije vodonikovih jona, tj. pH = –log[H+]. Prema tome pOH = -log[H+]. Na osnovu jonskog proizvoda vode, koncentraciju OH- jona mozemo uvek izracunati , ako nam je poznata koncentracija H+ jona. Stoga se i koncentracija OH- jona moze izrazavati odgovarajucom koncentracijom H+ jona, tj. i stepen bazicnosti rastvora se moze izracunavati koncentracijom H+ jona, odnosno pomocu pH.