Диссоциация воды: процесс, влияющие факторы, последствия

Диссоциация воды - это распад молекул воды на ионы водорода и гидроксила. Этот процесс протекает постоянно, но в небольшом объеме - только одна молекула из 500 миллионов распадается в любой момент времени. Тем не менее, диссоциация воды имеет фундаментальное значение для многих процессов в природе и технике. Давайте разберемся в механизмах этого важного явления.

Сущность диссоциации воды

Диссоциа́ция воды́ — это распад молекул воды на ионы в результате разрыва ковалентных связей. При этом образуются катионы водорода (H+) и анионы гидроксила (OH−):

H₂O ↔ H+ + OH−

Катионы водорода в водных растворах существуют в виде гидратированных ионов H₃O+. Таким образом, полное уравнение диссоциации воды выглядит следующим образом:

H₂O + H₂O ↔ H₃O+ + OH−

Этот процесс обратимый, то есть ионы H₃O+ и OH− могут вновь соединяться с образованием молекулы воды. В результате в воде устанавливается динамическое равновесие: скорости прямой и обратной реакции одинаковы.

Степень диссоциации воды очень мала и составляет всего 10−7. Это означает, что в любой момент распадается только одна молекула из 10 миллионов. Тем не менее, в 1 мм3 жидкой воды содержится порядка 60 миллиардов диссоциированных молекул!

Факторы, влияющие на диссоциацию воды

На процесс диссоциации воды влияют такие факторы, как температура, давление, наличие примесей, а также внешние электрическое и магнитное поля. Рассмотрим их более подробно.

Температура

Повышение температуры увеличивает скорость теплового движения молекул воды и энергию их взаимодействия. Это приводит к росту частоты столкновений и вероятности разрыва ковалентных связей.

Согласно данным термодинамики, при повышении температуры на 10°C степень диссоциации воды Kдис увеличивается примерно в 2-3 раза. Так, если при 25°С Kдис = 1,8·10-16, то при 35°С она возрастает до 6·10^-16.

В реальных условиях это, например, объясняет бо́льшую кислотность дождевой воды в жарких странах по сравнению с регионами с более прохладным климатом.

Давление

Рост давления приводит к сближению молекул воды и увеличению частоты столкновений между ними, что стимулирует диссоциацию. Однако это влияние гораздо слабее температурного фактора.

Так, экспериментально установлено, что повышение давления от 0,1 МПа до 100 МПа (в 1000 раз) вызывает рост степени диссоциации всего лишь на 13%. То есть даже очень большое изменение давления оказывает незначительный эффект.

Примеси

Присутствие в воде растворенных веществ (солей, кислот, оснований) существенно влияет на процесс диссоциации. Примесные ионы гидратируются (окружаются молекулами воды) и нарушают систему водородных связей. Это приводит к ослаблению межмолекулярных взаимодействий и облегчает разрыв ковалентных связей в молекулах воды.

Внешние поля

Наличие электрического или магнитного поля вызывает перераспределение зарядов в молекулах воды и поляризацию среды. Это также ослабляет водородные связи и способствует диссоциации.

В частности, именно поэтому создают электролизеры для получения водорода - электрическое поле стимулирует диссоциацию воды с выделением ионов H+.

Константа диссоциации воды

Константа диссоциации воды Кдис характеризует степень распада молекул H2O на ионы в состоянии химического равновесия. Она численно равна произведению равновесных концентраций образовавшихся ионов H3O+ и OH−:

Кдис = [H3O+]·[OH−]

При температуре 25°С константа диссоциации воды имеет значение:

Кдис = 1,8·10−16 моль2/л2

Из этого уравнения видно, что с повышением температуры величина Кдис возрастает, поскольку увеличивается степень диссоциации воды и концентрации ионов H3O+ и OH−.

Ионное произведение воды

Ионное произведение воды Кв - это произведение концентраций ионов H+ и OH− в любом водном растворе при данной температуре:

Кв = [H+]·[OH−] = 1,0·10−14 (при 25°C)

Эта величина постоянна для растворов при постоянной температуре и не зависит от наличия примесей. Зная ионное произведение воды и концентрацию одного из ионов, можно рассчитать концентрацию второго. Это имеет большое практическое значение.

Водородный показатель

Для удобства работы с концентрациями ионов H+ ввели понятие водородного показателя (pH):

pH = -lg[H+]

То есть pH численно равен отрицательному логарифму концентрации ионов H+. Зная pH среды, можно легко определить ее кислотность или щелочность.

Последствия диссоциации воды

Диссоциация воды имеет ряд важных последствий, влияющих на свойства водных растворов. Рассмотрим основные из них.

Возникновение водородных связей

Образовавшиеся при диссоциации ионы H3O+ и OH− способны к обратимому присоединению молекул воды за счет водородных связей. Так формируются гидратированные ионы типа H5O2+, H7O3+, H9O4+ и HO(H2O)n−. Наличие этих частиц в растворе обусловливает специфические свойства жидкой воды.

Ионная проводимость

Хотя концентрация свободных ионов H3O+ и OH− в воде очень мала, их наличие обеспечивает электропроводность воды. Под действием электрического поля эти ионы способны направленно перемещаться к соответствующему полюсу, перенося при этом электрический заряд.

Подвижность ионов H3O+ составляет 35,7·10−5 см2/(В·с), а для ионов OH− - 20,3·10−5 см2/(В·с). Эти величины невысоки по сравнению с другими электролитами, что связано с гидратацией ионов и водородными связями, мешающими их свободному движению.

Амфотерные свойства воды

Наличие в воде одновременно как ионов H3O+, так и OH− придает ей свойства амфолита - вещества, проявляющего как кислотные, так и основные свойства.

Ионы H3O+ реагируют как кислота, отдавая протон другим молекулам. А ионы OH−, наоборот, могут связывать протоны, действуя как основание. Таким образом, вода ведет себя как слабая кислота и слабое основание одновременно.