الدرس: 3-4: التأين الذاتي للماء

هو تفاعل كيميائي يتم فيه انتقال بروتون من جزئ ماء إلى جزئ آخر للماء لتكوين أيون الهيدرونيوم وأيون الهيدروكسيد. وتعتبر هذه العملية عملية برتنة ذاتية (انتقال بروتون بشكل تلقائي) وهي المسؤولة عن الصفة الامفوتيرية للماء، أظهرت الدراسات العملية الدقيقة أن الماء النقي يعاني عملية تأين بسيطة.

${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\mathrm{L}}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{OL}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}\mathrm{eq}+{\mathrm{OH}}^{-}\mathrm{eq}$

أو بشكل أبسط:

${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\mathrm{L}}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}$

يمكن تمثيل هذا الاتزان بدلالة ثابت يدعى الحاصل الأيوني للماء K _W

أي ${\mathbf{K}}_{\mathbf{w}}=\left[{\mathbf{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]$ حيث: $K_w=1\times {10}^{-14}$

من هذه العلاقة:

1. نجد تركيز أيون الهيدروجين بدلالة تركيز أيون الهيدروكسيد وبالعكس لأن قيمة: K_w ثابتة.
2. تقاس حامضية وقاعدية المحاليل المائية استناداً إلى قيمة [⁺H] أو قيمة: [^-oH] لكل منها، كما موضح:

$\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]={10}^{-7}\mathrm{M}$محاليل متعادلة.

$\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]>{10}^{-7}\mathrm{M}$ محاليل حامضية أو $\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]<{10}^{-7}\mathrm{M}$

$\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]<{10}^{-7}\mathrm{M}$ محاليل قاعدية أو $\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]>{10}^{-7}\mathrm{M}$

في الماء وفي جميع المحاليل المتعادلة فإن: $\cdot \left[\mathrm{OH}\right]=\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=1\times {10}^{-7}\mathrm{M}$

فعند إضافة حامض أو أي محلول ذو تأثير حامضي إلى الماء فإن ذلك يقود إلى زيادة [⁺H] المائية ويقلل حسب قاعدة لي شاتليه من [^-oH] المائية حسب معادلة اتزان تفكك الماء: ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}$

أما عند إضافة قاعدة أو أي محلول ذو تأثير قاعدي إلى الماء النقي فإن ذلك يقود إلى زيادة [^-oH] المائية ويقلل حسب قاعدة لي شاتليه من [⁺H] المائية.

احسب تركيزي كل من أيون الهيدروجين وأيون الهيدروكسيد في محلول 0.05M من حامض النتريك HNO₃؟

$$\begin{gathered} {\mathrm{HNO}}_3\to {\mathrm{H}}^{+}+{{\mathrm{NO}}_3}^{-} \\ 0.05 0 0 \\ 0 0.05 0.05 \end{gathered}$$

$\begin{array}{r}\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]={\left[{\mathrm{NO}}_3\right]}^{-}=0.05\mathrm{M}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right][\mathrm{OH}-]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[0.05\right][\mathrm{OH}-]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[0.05\right][\mathrm{OH}-]=1\times {10}^{-14}\\ \\ [\mathrm{OH}-]=2\times {10}^{-13}\mathrm{M}\end{array}$

احسب تركيز أيونات الهيدروجين المائية في محلول يحتوي محلول أيونات الهيدروكسيد المائية بتركيز:

أ. 0.01M

$\begin{array}{r}\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[0.01\right]=\mathbf{1}\times {\mathbf{10}}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=\mathbf{1}\times {10}^{-12}\mathrm{M}\end{array}$

ب. 2x10^-9

^{$\begin{array}{r}\left[{\mathrm{H}}^{+}\right][\mathrm{OH}-]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[2\times {10}^{-9}\right]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=5\times {10}^{-6}\mathrm{M}\end{array}$}

احسب قيمة [⁺H] في محلول يحتوي على أيون الهيدروكسيد بتركيز 0.001M ثم بين طبيعة المحلول، ولماذا؟

$$\begin{gathered} {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\to 2{\mathrm{H}}^{+}+{ \mathrm{SO}}_4^{-} \\ 0.05 0 0 \\ 0 2\mathrm{ْ}\mathrm{x} 0.05 0.05 \end{gathered}$$

$\begin{array}{r}\left[{\mathrm{H}}^{+}\right][\mathrm{OH}-]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[0.001\right]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=\mathbf{1}\times {10}^{-11}\mathrm{M}\end{array}$

المحلول قاعدي لأن $\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]<1\times {10}^{-7}\mathrm{M}$

احسب قيمة [^-oH] في محلول مخفف بتركيز 0.0015M من حامض الكبريتيك؟

$\begin{array}{r}\left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=0.01\mathrm{M}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right][\mathrm{OH}-]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[0.001\right]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]=1\times {10}^{-12}\mathrm{M}\end{array}$

احسب قيمة [⁺H] في محلول يحتوي 0.01M من مثيل أمين CH₃NH₂ و K_b = 4 x 10 ^-4؟

$$\begin{gathered} {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_3^{+}+{\mathrm{OH}}^{-} \\ 0.01 0 \mathrm{X} \\ 0.01-\mathrm{X} 0 \mathrm{x} \end{gathered}$$

${\mathbf{K}}_{\mathbf{b}}=\frac{{\displaystyle \left[{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_3^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}}{{\displaystyle \left[{\mathrm{CH}}_3{\mathbf{NH}}_2\right]}}$

$4\times {10}^{-4}=\frac{{\displaystyle \text{ (X) }\left(\mathbf{X}\right)}}{{\displaystyle \mathrm{0.0.01}}}$

$\begin{array}{c}\mathrm{X}=\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]=2\times {10}^{-3}\mathrm{M}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]\left[2\times {10}^{-3}\right]=1\times {10}^{-14}\\ \\ \left[{\mathrm{H}}^{+}\right]=5\times {10}^{-12}\mathrm{M}\end{array}$