B6.2 Vands selvionisering og pH

NoteDet skal du kunne
  • forklare vands selvionisering og opskrive vands ionprodukt
  • forklare, hvorfor rent vand har pH 7,00 ved 25 °C
  • regne mellem [H3O+], [OH−], pH og pOH
  • afgøre, om en opløsning er sur, neutral eller basisk

Selv det reneste vand leder en lille smule strøm. Der må altså være ioner i det. De kommer fra vandet selv: nogle få vandmolekyler har givet en hydron videre til et andet vandmolekyle. Det er den reaktion, hele pH-skalaen bygger på.

Vand reagerer med sig selv

Vand er en amfolyt. Ét vandmolekyle kan derfor reagere som syre og et andet som base:

Figur 1: Vands selvionisering. Ét vandmolekyle afgiver en hydron til et andet.

2 H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + OH−(aq)

Reaktionen kaldes vands selvionisering. Ligevægten ligger meget langt mod venstre. I rent vand er der kun én oxoniumion for hver 550 millioner vandmolekyler.

Vands ionprodukt

Selvioniseringen er en ligevægt, så ligevægtsloven gælder. Vand er opløsningsmidlet og er ikke med i reaktionsbrøken, ligesom det faste salt ikke var det i afsnit B2.7. Ligevægtskonstanten kaldes vands ionprodukt, Kv. Du brugte det allerede i afsnit 7.4 i bogen til C-niveau:

\[ K_\mathrm{v} = [\mathrm{H_3O^+}] \cdot [\mathrm{OH^-}] = 1{,}0 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{M^2} \]

Værdien gælder ved 25 °C. Ionproduktet gælder ikke kun i rent vand, men i alle vandige opløsninger. Tilsætter man en syre, stiger [H3O+], og så må [OH−] falde tilsvarende, så produktet stadig er 1,0 · 10−14 M2.

VigtigtDer er altid begge ioner

Selv i en stærk syre er der hydroxidioner, og selv i en stærk base er der oxoniumioner. Der er bare meget få af dem.

Rent vand er neutralt

I rent vand dannes der én hydroxidion for hver oxoniumion. De to koncentrationer er derfor lige store. Kaldes de begge x, giver ionproduktet

\[ x \cdot x = 1{,}0 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{M^2} \]

\[ x = \sqrt{1{,}0 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{M^2}} = 1{,}0 \cdot 10^{-7}\ \mathrm{M} \]

x angiver her koncentrationen af oxoniumioner i rent vand. Den er 1,0 · 10−7 M, og det giver pH 7,00. Det er grunden til, at netop 7 er det neutrale punkt på pH-skalaen.

Opløsningen er Koncentrationerne pH ved 25 °C
sur [H3O+] er større end [OH−] under 7
neutral [H3O+] er lig med [OH−] 7
basisk [H3O+] er mindre end [OH−] over 7

pH og pOH

pH er defineret ud fra koncentrationen af oxoniumioner. Det kender du fra afsnit 7.4 i bogen til C-niveau.

\[ \mathrm{pH} = -\log\,[\mathrm{H_3O^+}] \qquad\qquad [\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-\mathrm{pH}}\ \mathrm{M} \]

På samme måde defineres pOH ud fra koncentrationen af hydroxidioner:

\[ \mathrm{pOH} = -\log\,[\mathrm{OH^-}] \qquad\qquad [\mathrm{OH^-}] = 10^{-\mathrm{pOH}}\ \mathrm{M} \]

Tager man −log på begge sider af vands ionprodukt, får man en enkel sammenhæng mellem de to:

\[ \mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = 14{,}00 \]

Figur 2: pH-skalaen med koncentrationerne og med pOH. Læs lodret: ved pH 3 er pOH 11.

Skalaen er ikke lineær. Hver gang pH falder med 1, bliver koncentrationen af oxoniumioner 10 gange større. En opløsning med pH 2 er altså 1000 gange så sur som en med pH 5.

Skalaen har ikke noget fast start og slut, selv om de fleste opløsninger ligger mellem 0 og 14. Er [H3O+] større end 1 M, er pH negativ, og er [OH−] større end 1 M, er pH over 14. I saltsyre med koncentrationen 10 M er pH −1, og pOH er 15. De mest koncentrerede syrer og baser kommer endnu lidt længere ud, så i praksis går pH fra lidt under −1 til over 15.

Regnefirkanten

Kender du ét af de fire tal, kan du finde de tre andre.

Figur 3: De fire størrelser og de fire sammenhænge mellem dem.
NoteEksempel: fra hydroxid til pH

En opløsning har [OH−] = 2,5 · 10−3 M. Hvad er pH?

Vej 1: over pOH

\[ \mathrm{pOH} = -\log\,[\mathrm{OH^-}] = -\log(2{,}5 \cdot 10^{-3}) = 2{,}60 \]

\[ \mathrm{pH} = 14{,}00 - \mathrm{pOH} = 14{,}00 - 2{,}60 = 11{,}40 \]

Vej 2: over vands ionprodukt

\[ [\mathrm{H_3O^+}] = \frac{K_\mathrm{v}}{[\mathrm{OH^-}]} = \frac{1{,}0 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{M^2}}{2{,}5 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M}} = 4{,}0 \cdot 10^{-12}\ \mathrm{M} \]

\[ \mathrm{pH} = -\log\,[\mathrm{H_3O^+}] = -\log(4{,}0 \cdot 10^{-12}) = 11{,}40 \]

Konklusion

Begge veje giver pH 11,40. Opløsningen er basisk.

Hvor mange decimaler?

I en pH-værdi er det kun decimalerne, der tæller som betydende cifre. Tallet foran kommaet viser bare tierpotensen. En koncentration med to betydende cifre giver derfor en pH-værdi med to decimaler: 2,5 · 10−3 M giver pOH 2,60.

Temperaturen flytter det neutrale punkt

Vands selvionisering er en endoterm reaktion. Når temperaturen stiger, forskydes ligevægten mod højre, og Kv bliver større. Det følger af reglerne i afsnit B2.6.

Ved 37 °C er Kv omkring 2,4 · 10−14 M2. Rent vand har så pH 6,81. Det er stadig neutralt, for der er lige mange oxoniumioner og hydroxidioner. Neutral betyder altså ikke altid pH 7. I denne bog regner vi ved 25 °C, hvor det passer.

NoteKort sagt
  • Vand reagerer med sig selv og danner oxoniumioner og hydroxidioner. Det kaldes vands selvionisering.
  • Vands ionprodukt er Kv = [H3O+] · [OH−] = 1,0 · 10−14 M2 ved 25 °C. Det gælder i alle vandige opløsninger.
  • I rent vand er begge koncentrationer 1,0 · 10−7 M, og pH er 7,00.
  • pH = −log[H3O+], og pOH = −log[OH−].
  • pH + pOH = 14,00 ved 25 °C.
  • Én pH-enhed svarer til en faktor 10 i koncentration.