تأين الماء: الاتزان وثابت Kw وحساب تركيز الأيونات

الخلاصة السريعة

تأين الماء الذاتي انتقال بروتون بين جزيئين، فتتكون أيونات الهيدرونيوم H₃O⁺ والهيدروكسيد OH⁻ في اتزان. وجودهما لا يتطلب إضافة حمض أو قاعدة. ^[1]

• الماء النقي يحوي أيوني H₃O⁺ و OH⁻ بتركيزين متساويين. ^[1]
• Kw معرف بالنشاط؛ استعمال التركيز تقريب مشروط. ^[2]
• عند 25 °C وبفرض التقريب: هيدرونيوم 4.0×10⁻⁶ mol/L يقابل هيدروكسيد 2.5×10⁻⁹ mol/L.
• ثبات Kw يعني ثبات حاصل الضرب، لا كل تركيز منفرد. ^[2]
• pH التعادل نحو 7 عند 25 °C؛ تتغير قيمة التعادل مع الحرارة. ^[3]

جزيئان وأيونان في اتزان

نكتب التمثيل المختصر 2H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻. أحد الجزيئين يمنح بروتونًا والآخر يستقبله؛ السهمان يشيران إلى العملية العكسية أيضًا. في الماء النقي يتساوى تركيز الأيونين، وتبقى الغالبية جزيئات ماء. ^[1]

لا تصف المعادلة فصل الماء إلى غازي الهيدروجين والأكسجين؛ أسماء النواتج وصيغها هنا واضحة، وعد الذرات محفوظ. نعد في الطرفين أربعة هيدروجينات وأكسجينين.

ما الذي يثبته Kw؟

تعريف الثابت يستعمل النشاط الكيميائي، وهو أدق من التركيز وحده. في تقريب المحلول المخفف نكتب Kw≈([H₃O⁺]/c°)([OH⁻]/c°)، حيث c°=1 mol/L؛ بهذه النسب يكون الثابت بلا وحدة. ^[2]

لنفترض عند 25 °C قيمة Kw التعليمية 10⁻¹⁴، وتركيز هيدرونيوم معطى 4.0×10⁻⁶ mol/L. يعطي التقريب [OH⁻]/c°≈10⁻¹⁴/(4.0×10⁻⁶)=2.5×10⁻⁹؛ ومنه [OH⁻]≈2.5×10⁻⁹ mol/L. ضرب العددين يعيد 10⁻¹⁴. هذه معطيات تمرين، وليست قياس ماء. ^[1][2]

وعند مضاعفة تركيز الهيدرونيوم المعطى إلى 8.0×10⁻⁶ mol/L مع ثبات الحرارة وصلاحية التقريب، ينخفض الهيدروكسيد إلى 1.25×10⁻⁹ mol/L. ثبات حاصل الضرب لا يعني ثبات كل عامل.

التعادل مرتبط بظروف الماء

تتغير قيمة Kw مع الحرارة، وتصف صياغة IAPWS اعتمادها على الحرارة والكثافة. لذلك لا نستعمل قيمة 25 °C تلقائيًا في كل مسألة. ^[4]

في الوصف المخفف، التعادل يعني تساوي الهيدرونيوم والهيدروكسيد. يكون pH المتعادل نحو 7 عند 25 °C، لكنه يتغير مع الحرارة؛ انخفاض القيمة عن 7 وحده لا يكفي للحكم دون الشروط. ^[3]

للقراءة المتصلة بهذا الموضوع: الرقم الهيدروجيني: معنى pH وطريقة حسابه وحدود المقياس.