Woda kranowa jest roztworem zawierającym jony pochodzące z dysocjacji rozpuszczonych w niej soli. Dobrze przewodzi prąd elektryczny, do czego przyczyniają się właśnie jony, które pochodzą z rozpuszczonych soli. Woda poddana kilkukrotnej destylacji staje się wodą zdejonizowaną, czyli taką, która bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny, ponieważ została pozbawiona jonów rozpuszczonych w niej soli. W wodzie będą się nadal znajdować niewielkie liczby jonów oksioniowych (${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$) oraz wodorotlenkowych (${\text{OH}}^{-}$). Jest to związane z jej autoprotoliząautoprotolizaautoprotolizą, zachodzącą zgodnie z równaniem:

R88puM14vOVkq

Ilustracja dotyczy autoprotolizy wody. Po lewej stronie równania umieszczono dwie cząsteczki wody przedstawione za pomocą modeli kulkowych: atom tlenu stanowi czerwona kulka, a dwa atomy wodoru dwie mniejsze białe kulki. Ponad modelami umieszczono wzór sumaryczny: ${\text{H}}_2\text{O}$. Strzałka reakcji jest podwójna: jedna strzałka skierowana jest w lewo, a druga w prawo. Po prawej stronie znajdują się dwa modele kulkowe: model jonu oksoniowego ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$, złożony z jednej czerwonej kulki i trzech mniejszych białych kulek, oraz model jonu wodorotlenkowy ${\text{OH}}^{-}$, reprezentowany przez jedną czerwoną i jedną białą kulkę.

Powyższa reakcja pokazuje, że jedna cząsteczka wody zachowuje się jak zasada Brønsteda, ponieważ przyjmuje jon wodoru (${\text{H}}^{+}$), w wyniku czego staje się jonem oksoniowym (${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$). Natomiast druga cząsteczka zachowuje się jak kwas Brønsteda, ponieważ oddaje jon wodoru (${\text{H}}^{+}$), w wyniku czego staje się jonem wodorotlenkowym (${\text{OH}}^{-}$). Woda jest przykładem związku amfiprotycznegosubstancja amfiprotycznaamfiprotycznego – zachowuje się, jak kwas oraz zasada.

Strzałka $\rightleftarrows$ oznacza stan równowagi termodynamicznej reakcji. A więc w pewnym momencie ustala się równowaga pomiędzy formami zdysocjowanymi i niezdysocjowanymi, co jest związane z tym, że tyle samo jonów ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ i ${\text{OH}}^{-}$ powstaje, co ulega ponownemu przekształceniu w cząsteczki wody.

Iloczyn stężeń jonów oksoniowych i wodorotlenkowych (tzw. iloczyn jonowy wody) jest zatem stały w danej temperaturze:

W temperaturze $298 \text{K}$ wynosi ${10}^{-14}$. Z iloczynu jonowego wody wynika, że w czystej wodzie stężenie jonów oksioniowych oraz stężenie jonów wodorotlenkowych wynosi $1·{10}^{-7} \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$ w temperaturze $298 \text{K}$. Jest ono tak małe, że woda zdejonizowana bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny.

Wiesz już, że woda jest związkiem amfiprotycznym, czyli może zachowywać się, jak kwas oraz zasada. W wyniku zmieszania kwasu z wodą zachodzi reakcja dysocjacji elektrolitycznejdysocjacja elektrolitycznadysocjacji elektrolitycznej, dzięki której kwas rozpada się na odpowiednie jony. Przeanalizujemy równanie procesu dysocjacji, zapisane zgodnie z teorią Brønsteda–Lowry’ego:

RowcJGgzO9N2m

Ilustracja dotyczy reakcji dysocjacji kwasu azotowego(<math aria‑label="trzy">III). Wzory związków zapisano za pomocą wzorów strukturalnych. Po lewej stronie równania znajduje się wzór kwasu azotowego(<math aria‑label="trzy">III), podpisany „kwas jeden”: jeden atom tlenu z dwiema parami elektronowymi jest połączony z atomem azotu wiązaniem podwójnym. Atom azotu z jedną wolną parą elektronową łączy się z drugim atomem tlenu, zaznaczonym na niebiesko i posiadającym dwie wolne pary elektronowe, wiązaniem pojedynczym, a ten z kolei łączy się z atomem wodoru zaznaczonym na zielono. Obok znajduje się cząsteczka wody ${\text{H}}_2\text{O}$z zaznaczonymi dwiema wolnymi parami na atomie tlenu, podpisana „zasada dwa”. W cząsteczce kwasu poprowadzono strzałkę od wiązania pomiędzy tlenem a wodorem, której grot wskazuje atom tlenu. Druga strzałka wychodzi od atomu wodoru, a grot wskazuje wolną parę elektronową atomu tlenu w cząsteczce wody. Po prawej stronie od cząsteczki wody umieszczono dwie poziome strzałki: górna skierowana w lewo, a dolna w prawo. Po prawej stronie równania reakcji przedstawiono jon ${{\text{NO}}_2}^{-}$ o wzorze strukturalnym, który można opisać następująco: jeden atom tlenu z dwiema parami elektronowymi jest połączony z atomem azotu wiązaniem podwójnym. Atom azotu z jedną wolną parą elektronową łączy się wiązaniem pojedynczym z drugim atomem tlenu, zaznaczonym na niebiesko i posiadającym trzy wolne pary elektronowe oraz ładunek ujemny. To indywiduum chemiczne podpisano „zasada jeden”. Po znaku plus w równaniu przedstawiono jon oksoniowy ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ podpisany „kwas dwa”. Jego struktura to atom tlenu z jedną wolną parą elektronową i połączone z nim trzy atomy wodoru. Cała cząsteczka ujęta jest w nawias kwadratowy, a poza nim w indeksie górnym umieszczono ładunek dodatni.

W wyniku reakcji dysocjacji kwasu azotowego($\text{III}$), para elektronowa tworząca wiązanie tlen–wodór zostaje w całości przyciągnięta do bardziej elektroujemnego atomu tlenu, w wyniku czego powstaje jon azotanowy($\text{III}$) (${\text{NO}}_2^{-}$). Uwolniony jon wodoru zostaje przyciągnięty przez wolną parę elektronową atomu tlenu cząsteczki wody, co w konsekwencji tworzy jon oksoniowy (${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$). Zwróć uwagę, że dzięki reakcji dysocjacji i w myśl teorii Brønsteda–Lowry’ego powstają sprzężone pary kwasowo–zasadowe: kwas $1$ – zasada $1$ oraz zasada $2$ – kwas $2$.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa $2018$.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa $2007$.

Encyklopedia PWN

Housecroft C. E., Sharpe A. G., Inorganic Chemistry, Fourth edition, $2012$.