Veden ionitulo

Veden ionitulo on lauseke, joka on johdettu veden autoprotolyysireaktion tasapainovakion lausekkeesta.

Veden autoprotolyysin tasapainovakio on:

$K = \frac{[H_{3} O^{+}] [{OH}^{-}]}{[H_{2} O] [H_{2} O]}$

Vesi ei ionisoidu kovin voimakkaasti, joten veden konsentraatio on lähes vakio. Se yhdistetään K:n arvoon, ja tätä arvoa merkitään termillä K_w_.

$K [H_{2} O] [H_{2} O] = [H_{3} O^{+}] [{OH}^{-}]$

$K_{w} = [H_{3} O^{+}] [{O H}^{-}]$

Konsentraation yksikkö on mol/dm³ eli M.

Puhtaan veden autoprotolyysireaktiossa syntyvien oksonium- ja hydroksidi-ionien konsentraatiot ovat pienet, koska vain pieni osa vesimolekyyleistä ionisoituu, mutta molempien ionien konsentraatiot ovat luonnollisesti yhtä suuret. Lämpötilassa +25 °C tämä konsentraatio on

$[H_{3} O^{+}] = [{OH}^{-}] = 1,004 \cdot 10^{- 7} M .$

Näistä kaavoista saadaan johdettua veden ionitulon lauseke:

$K_{w} = [H_{3} O^{+}] [{OH}^{-}] = (1,004 \cdot 10^{- 7} M)^{2} = 1,008 \cdot 10^{- 14} M^{2}$

Ionien konsentraatio ja sen mukaisesti veden ionitulo riippuu kuitenkin voimakkaasti lämpötilasta.

Yhteys happovakioon ja emäsvakioon

Kun kerrotaan keskenään hapon happovakio ja sen vastinemäksen emäsvakio, saadaan johdettua ionitulo K_w.

$K_{a} (H A) \cdot K_{b} (A^{-}) = \frac{[A^{-}] [H_{3} O^{+}]}{[HA]} \cdot \frac{[HA] [{OH}^{-}]}{[A^{-}]} = [H_{3} O^{+}] \cdot [{O H}^{-}] = K_{w}$

$K_{a} \cdot K_{b} = K_{w} = 1,008 \cdot 10^{- 14} M^{2}$

pK_w ja pH

Usein käytetään veden ionitulon kymmenkantaista logaritmia pK_w.

$p K_{w} = - \lg K_{w} = - \lg ([H_{3} O^{+}] [{O H}^{-}]) = (- \lg [H_{3} O^{+}]) + (- \lg [{O H}^{-}]) = 13,9965 \approx 14,00$

Yhtälö voidaan ilmaista käyttökelpoisemmin seuraavasti pH:n ja pOH:n avulla. Liuoksen happamuuden mittana yleisesti käytetty pH tarkoittaa oksoniumionien pOH taas hydroksidi-ionien konsentraation kymmenkantaista logaritmia.

$p K_{w} = p H + p O H = 14, 00$

pK_w voidaan muuttaa myös takaisin K_w:ksi logaritmin laskusääntöjen avulla.

$K_{w} = 10^{{- p K}_{w}}$

pK_w :n yhteys happovakioon ja emäsvakioon

Ionitulolla on aiemmin mainittu yhteys happovakioon ja sen vastinemäksen emäsvakioon. Näin ollen myös kymmenkantaisilla logaritmeilla on yhteys toisiinsa, eli pK_w:llä on yhteys happovakion ja emäsvakion kymmenkantaisiin logaritmeihin pK_a ja pK_b.

$p K_{W} = - l g (K_{a} \cdot K_{b}) = - l g K_{a} + (- l g K_{b}) = p K_{a} + p K_{b}$

$p K_{a} + p K_{b} = - l g (\frac{[A^{-}] [H_{3} O^{+}]}{[HA]}) - l g (\frac{[HA] [{OH}^{-}]}{[A^{-}]}) = - l g (\frac{[A^{-}] [H_{3} O^{+}]}{[HA]} \cdot \frac{[HA] [{OH}^{-}]}{[A^{-}]}) = - l g ([H_{3} O^{+}] \cdot [{O H}^{-}]) = 14, 00$

Kaava voidaan lyhentää seuraavasti:

$p K_{W} = p K_{a} + p K_{b}$

$p K_{a} + p K_{b} = 14, 00$

Katso myös

Lähteet

1 2 3 Rautio, Jarkko et al.: ”2 Ionisoituminen vesiliuoksessa”, Farmaseuttisen kemian perusteet, s. 17–18. Kuopio: Farmasian opiskelijayhdistys Fortis ry, 2013. ISBN 978-951-98725-7-5
1 2 3 Lehtiniemi, Kalle & Turpeenoja, Leena: ”14. Vesiliuosten pH-arvo ja sen laskeminen”, Abi Kemia, s. 206–209. (1.-4. painos) Helsinki: Otava, 2007. ISBN 978-951-1-22290-3

[:0-1] 1 2 3 Rautio, Jarkko et al.: ”2 Ionisoituminen vesiliuoksessa”, Farmaseuttisen kemian perusteet, s. 17–18. Kuopio: Farmasian opiskelijayhdistys Fortis ry, 2013. ISBN 978-951-98725-7-5

[:1-2] 1 2 3 Lehtiniemi, Kalle & Turpeenoja, Leena: ”14. Vesiliuosten pH-arvo ja sen laskeminen”, Abi Kemia, s. 206–209. (1.-4. painos) Helsinki: Otava, 2007. ISBN 978-951-1-22290-3