تأين ذاتي للماء

التأين الذاتي للماء هو تفاعل كيميائي يتم في الماء النقي أو المحلول المائي ذاتياً، حيث ينتقل بروتون من جزيء الماء إلى جزيء 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 كهربائي يعادل 0.055 مايكرو سيمنز. سم ⁻¹. ويرجع ذلك لوجود أيونات في الماء وفقا لنظرية سفانت أوغست أرهينيوس , وتنتج هذه الأيونات (سالبة الشحنة، وموجبة الشحنة) من تفاعل التأين الذاتي للماء :

H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH⁻

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

$K_{eq}={\frac {[H_{3}O^{+}][OH^{-}]}{[H_{2}O]^{2}}}$

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

يرمز لثابت تأين الماء (ثابت التفكك) أو ثابت التأين الذاتي للماء بالرمز K_w ويعطى بالعلاقة التالية :

$K_{w}=[H_{3}O^{+}][OH^{-}]=K_{eq}\times [H_{2}O]^{2}$

حيث : [⁺H₃O] هو تركيز أيون الهيدروجين أو أيون الهيدرونيوم [⁻OH] وهو مساوٍ لتركيز أيون الهيدروكسيد عند 25 درجة مئوية ,:

ثابت تأين الماء

K_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 (يكون تركيز ⁺H₃O في الماء مساوياً لتركيز ⁻ OH)

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].

اعتماد التأين الذاتي على الضغظ ودرجة الحرارة وقوة التأين

باختلاف القوة الأيونية لمحلول كلوريد الصوديوم عند 25°C

اعتماد تأين الماء على درجة الحرارة عند ثبوت الضغط عند 25 ميغا باسكال]]

اعتماد تأين 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 وتظل في الارتفاع حتى النقطة الحرجة 374 درجة مئوية.[2]

2- انخفاض قيمة pK_w بارتفاع الضغط

3- في المحاليل الموصلة للكهرباء تعتمد pK_w على القوة الأيونية للمحلول ,

في محاليل الكهارل تعتمد قيمة pK_w على القوة الأيونية للكهرل. وعلى سبيل المثال، تكون قيمته لمحلول كلوريد الصوديوم هي القيمة المعتادة لنوع الكهارل 1:1 (الصيغة الكيميائية لكلوريد الصوديوم NaCl أي 1 كلور : 1 صوديوم). أما للكهارل بنسبة 1:2 ،وهي الكهارل ذات الصيغة الكيميائية MX₂, فتنخفض pK_w بتزايد القوة الأيونية.

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 :

${\frac {N}{N_{0}}}=e^{-{\frac {\Delta E^{\ddagger }}{kT}}}$

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 كهربائي 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]

انظر أيضا

• الاتزان الكيميائي
• حمض
• نظرية تفاعل حمض-قاعدة
• مخطط تصنيفي للماء