Sự tự điện ly của nước

Phản ứng autoprotolysis của nước, tạo ra ion hydroxidehydroni.

Quá trình tự điện ly của nước, còn được gọi là quá trình tự ion hóa của nước, quá trình tự phân ly của nước (tiếng Anh: self-ionization of water (còn được gọi là autoionization of water, và autodissociation of water)), là một phản ứng điện ly trong nước tinh khiết hoặc trong dung dịch nước, trong đó phân tử nước, H2O, bị khử proton (phân tử nước bị mất đi hạt nhân của một trong hai nguyên tử hydro của nó) trở thành ion hydroxide, OH. Hạt nhân hydro, H+, ngay lập tức protonate một phân tử nước khác để tạo thành cation hydroni, H3O+. Đây là một ví dụ về quá trình autoprotolysis và thể hiện tính chất lưỡng tính của nước.

Ảnh hưởng của đồng vị

[sửa | sửa mã nguồn]

Nước nặng (D2O) tự điện ly ít hơn nước thường (H2O).

D2O + D2O ⇌ D3O+ + OD.

Điều này là do hiệu ứng đồng vị cân bằng, một hiệu ứng cơ học lượng tử do oxy hình thành liên kết mạnh hơn một chút với deuteri (D) vì khối lượng deuteri lớn hơn dẫn đến năng lượng điểm không thấp hơn.

Được biểu thị bằng hoạt độ (activity) a, thay vì nồng độ, hằng số cân bằng nhiệt động (thermodynamic equilibrium constant) của phản ứng điện ly nước nặng là:

.

Giả sử hoạt độ của D2O là 1 và giả sử rằng hoạt độ của D3O+ và OD gần đúng với nồng độ của chúng

.

Bảng sau đây so sánh các giá trị của pKw đối với H2O và D2O:[1]

Giá trị pKw cho nước tinh khiết
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

Tốc độ phản ứng của phản ứng điện ly

2 H2O → H3O+ + OH

phụ thuộc vào năng lượng hoạt hóa ΔE. Theo phân phối Boltzmann, tỷ lệ các phân tử nước có đủ năng lượng, nhờ mật độ nhiệt (thermal population), được cho bởi:

.

Trong đó khằng số Boltzmann. Do đó, một số sự phân ly có thể xảy ra vì có đủ năng lượng nhiệt. Chuỗi hiện tượng sau đây đã được đề xuất trên cơ sở thăng giáng điện trường trong nước lỏng.[2] Thỉnh thoảng có những dao động (fluctuation) ngẫu nhiên trong chuyển động phân tử (khoảng 10 giờ một lần trên mỗi phân tử nước[3]) tạo ra một điện trường đủ mạnh để phá vỡ liên kết oxy–hydro, tạo ra ion hydroxide (OH) và ion hydroni (H3O+); hạt nhân hydro của ion hydroni di chuyển dọc theo các phân tử nước theo cơ chế Grotthuss và sự thay đổi mạng lưới liên kết hydro trong dung môi sẽ cô lập hai ion, được ổn định bằng quá trình solvation. Tuy nhiên, trong vòng 1 picogiây, sự tái tổ chức lần thứ hai của mạng lưới liên kết hydro cho phép chuyển đổi proton nhanh (rapid proton) xuống mức chênh lệch điện thế và subsequent recombination của các ion. Khoảng thời gian này phù hợp với thời gian cần thiết để các liên kết hydro tự định hướng lại trong nước.[4][5][6]

Phản ứng inverse recombination

H3O+ + OH → 2 H2O

là một trong những phản ứng hóa học nhanh nhất được biết đến, với hằng số tốc độ phản ứng1,3×1011 M−1 s−1 ở nhiệt độ phòng. Tốc độ nhanh như vậy là đặc trưng của phản ứng diffusion-controlled, trong đó tốc độ bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán phân tử.[7]

Tham khảo

[sửa | sửa mã nguồn]
  1. ^ Lide, D. R., biên tập (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics (ấn bản thứ 70). Boca Raton (FL):CRC Press.
  2. ^ Geissler, P. L.; Dellago, C.; Chandler, D.; Hutter, J.; Parrinello, M. (2001). "Autoionization in liquid water". Science. Quyển 291 số 5511. tr. 2121–2124. Bibcode:2001Sci...291.2121G. CiteSeerX 10.1.1.6.4964. doi:10.1126/science.1056991. PMID 11251111.
  3. ^ Eigen, M.; De Maeyer, L. (1955). "Untersuchungen über die Kinetik der Neutralisation I" [Investigations on the kinetics of neutralization I]. Z. Elektrochem. Quyển 59. tr. 986.
  4. ^ Stillinger, F. H. (1975). "Theory and Molecular Models for Water". Advances in Chemical Physics. Quyển 31. tr. 1–101. doi:10.1002/9780470143834.ch1. ISBN 9780470143834. {{Chú thích sách}}: Đã bỏ qua |journal= (trợ giúp)
  5. ^ Rapaport, D. C. (1983). "Hydrogen bonds in water". Mol. Phys. Quyển 50 số 5. tr. 1151–1162. Bibcode:1983MolPh..50.1151R. doi:10.1080/00268978300102931.
  6. ^ Chen, S.-H.; Teixeira, J. (1986). Structure and Dynamics of Low-Temperature Water as Studied by Scattering Techniques. Advances in Chemical Physics. Quyển 64. tr. 1–45. doi:10.1002/9780470142882.ch1. ISBN 9780470142882. {{Chú thích sách}}: Đã bỏ qua |journal= (trợ giúp)
  7. ^ Tinoco, I.; Sauer, K.; Wang, J. C. (1995). Physical Chemistry: Principles and Applications in Biological Sciences (ấn bản thứ 3). Prentice-Hall. tr. 386.
Chúng tôi bán
Bài viết liên quan
Nhân vật Xích Luyện / 赤练 - Tần Thời Minh Nguyệt
Nhân vật Xích Luyện / 赤练 - Tần Thời Minh Nguyệt
Xích Luyện xuất thân là công chúa nước Hàn, phong hiệu: Hồng Liên. Là con của Hàn Vương, em gái của Hàn Phi
Genshin Impact - Hướng dẫn build đồ tối ưu cho newbie
Genshin Impact - Hướng dẫn build đồ tối ưu cho newbie
Sai lầm của 1 số newbie về việc build tướng như thế nào là tối ưu nhất vì chưa hiểu rõ role
Extraordinary Ones: Game MOBA hoạt hình vui nhộn
Extraordinary Ones: Game MOBA hoạt hình vui nhộn
Extraordinary Ones với phong cách thiết kế riêng biệt mang phong cách anime
Nhật Bản - Sự Trỗi Dậy Của Con Hổ Phương Đông?
Nhật Bản - Sự Trỗi Dậy Của Con Hổ Phương Đông?
BoJ đã chính thức trở thành ngân hàng cuối cùng trên thế giới nới lỏng chính sách tiền tệ cực kỳ lỏng lẻo khi quốc gia này đang phải đối mặt với hàng thập kỷ giảm phát.