Autoionizzazione

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L'autoionizzazione dell'acqua è una reazione chimica in cui due molecole di acqua reagiscono per produrre uno ione idronio (H₃O⁺) e un ossidrile (OH^-):

H₂O + H₂O ⇄ H₃O⁺ + OH^-

La reazione è anche nota come semi-ionizzazione o autodissociazione dell'acqua. È un esempio di autoprotolisi e spiega la natura anfotera dell'acqua.

L'acqua, sebbene pura, non è una semplice miscela di molecole H₂O. Anche nell'acqua distillata, un equipaggiamento molto sensibile può rintracciare una leggerissima conduttività elettrica. Secondo la teoria di Svante Arrhenius, questo deve darsi per presenza di ioni.

[modifica] Concentrazione e frequenza

La reazione prima illustrata ha una sua costante di equilibrio. Per le reazioni acquose, la molarità dell'acqua, [H₂O], è praticamente costante e per convenzione è quindi omessa nell'espressione della costante d'equilibrio.
L'equilibrio risultante è chiamata costante di ionizzazione, costante di dissociazione o costante di semiionizzazione o ancora prodotto ionico dell'acqua, ed è simboleggiato dalla scrittura K_w. Questo risulta così espresso:

K_w = [H₃O⁺] [OH^-]

dove

[H₃O⁺] = molarità dello ione idronio, e
[OH^-] = molarità dello ione idrosso.

In condizioni standard (298K e 1 atm), la K_w = [H₃O⁺][OH^-] = 1,0 × 10^-14. Acqua distillata si ionizza o dissocia in quantità eguali di H₃O⁺ e OH^-, cosicché la loro molarità sia a sua volta identica:

[H₃O⁺] = [OH^-].

In condizioni standard (298K e 1 atm), la concentrazione dello ione idronio e idrosso sono entrambe pari a 1,0 × 10^-7. Dal momento che la concentrazione delle molecole d'acqua in acquia è per la maggior parte non affetta da dissociazione e [H₂O] è circa uguale a 56 mol.l^-1, ne segue che per ogni 5,6 × 10⁸ molecole d'acqua, una esisterà in ioni. Ogni soluzione in cui le concentrazioni degli H₃O⁺ e degli OH^- sono ciascuna uguali è da considerarsi chimicamente neutra. L'acqua assolutamente pura è neutra, sebbene siano rinvenibili tracce di impurità che potrebbero interessare la concentrazione ionica e mettere in dubbio la sua neutralità. La K_w è sensibile sia ai cambiamenti di pressione che a quelli di temperatura: cresce quando una delle due aumenta, decresce quando la temperatura diminuisce.

Per definizione, pK_w = -log₁₀ K_w. A condizioni standard, pK_w = -log₁₀ (1,0 × 10^-14) = 14. pK_w pure varia con la temperatura. Quando questa aumenta, la pK_w decresce e viceversa.

Gli ioni idronio e idrosso hanno bassissima concentrazione in acqua, e vengono prodotte con estrema rarità: una molecola d'acqua scelta casualmente si dissocierà in circa 10 ora.

[modifica] Acidità

pH è per definizione il potenziale idrogenionico espresso in scala logaritmica, in matematica pH = -log₁₀ [H₃O⁺]. Dacché in soluzione neutra [H₃O⁺] = [OH^-], ne deriva necessariamente che una soluzione acquosa neutra ha pH = 7 in condizioni standard.

[modifica] Meccanismi

Geissler et al. hanno determinato che le fluttuazioni di un campo elettrico in un liquido acquoso causa dissociazione molecolare. Proposero la seguente sequenza di eventi che prendono luogo in circa 150 fs: il sistema comincia in uno stato neutro; il campo elettrico di un solvente rompe un legame a ponte di idrogeno tra due molecole di acqua, generando uno ione idronio e idrosso: il protone dello ione idronio viaggia tra le molecole d'acqua come previsto dal meccanismo Grotthuss; e un cambio nella rete del legame a ponte di idrogeno nel solvente isola i due ioni, che sono quindi stabilizzati per solvatazione.

In meno di 1 ps, tuttavia, una seconda riorganizzazione della rete del legame a ponte di idrogeno permette un rapido trasferimento di protone tramite la differenza di potenziale elettrico e la conseguente ricombinazione degli ioni. Questa sequenza cronologica avviene nel periodo in cui i legami ad idrogeno si riorientano nell'acqua.

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