เคมี

การแตกตัวเป็นไอของน้ำ

สร้างเมื่อ 18 ก.ค. 2555 11:53:39

ระดับม.5
2,241 view

การแตกตัวเป็นไอออนของน้ำ

จากการศึกษาที่ผ่านมาได้ทราบแล้วว่าน้ำเป็นโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้วและเป็นตัวทำละลายที่ดี น้ำบริสุทธิ์ เช่น น้ำกลั่น แตกตัวเป็นไอออนได้หรือไม่ จะมีวิธีทดสอบได้อย่างไร

การทดลอง 8.3 การนำไฟฟ้าของน้ำ

1. ใส่น้ำกลั่น 10 $\displaystyle cm^3$ ลงในหลอดทดลองขนาดกลางทดสอบการนำไฟฟ้าด้วยเครื่องตรวจการนำไฟฟ้าสังเกตความสว่างของหลอดไฟ

2. ต่อแอมมิเตอร์ชนิดที่วัดกระแสไฟฟ้าได้เป็นไมโครแอมแปร์เข้ากับเครื่องตรวจการนำไฟฟ้าแล้วจุ่มลวดตัวนำของเครื่องตรวจการนำไฟฟ้าลงในน้ำกลั่น ดังรูป 8.3 อ่านค่ากระแสไฟฟ้าบันทึกผล

อุ่รน้ำกลั่นให้ร้อนประมาณ 60 $\displaystyle ^0C$ แล้วทดสอบการนำไฟฟ้าเช่นเดียวกับข้อ 2

รูป 8.3 การทดสอบการนำไฟฟ้าของน้ำกลั่น

- น้ำกลั่นนำไฟฟ้าหรือไม่ อย่างไร

- การนำไฟฟ้าของน้ำกลั่นที่อุณหภูมิสูงกับที่อุณหภูมิต่ำแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร

จากผลการทดลอง น้ำกลั่นบริสุทธิ์นำไฟฟ้าได้น้อยมาก จนไม่สามารถตรวจสอบได้ด้วยเครื่องตรวจการนำไฟฟ้าธรรมดา แต่เมื่อใช้แอมมิเตอร์ช่วยในการตรวจสอบ เข้มของแอมมิเตอร์เบนเพียงเล็กน้อย แสดงว่าน้ำบริสุทธิ์แตกตัวให้ไฮโดรเนียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนน้อยมาก การแตกตัวของน้ำบริสุทธิ์เป็นดังสมการ

$\displaystyle H_2 O(l) + H_2 O(l) \leftrightarrow$ $\displaystyle H_3 O^+(aq)+OH^-(aq)$

หรือ

$\displaystyle 2H_2 O(l) \leftrightarrow$ $\displaystyle H_3 O^+(aq)+OH^-(aq)$

$\displaystyle K=\frac{{[H_3O^+][OH^-]}}{{[H_2O]^2]}}$

$\displaystyle K[H_2O]^2=[H_3 O^+][OH^-]$

เนื่องจากน้ำแตกตัวได้น้อยมากจนถือว่าความเข้มข้นของน้ำไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อจักความสัมพันธ์อยู่ในรูปใหม่จึงได้ค่าคงที่ใหม่ซึ่งเรียกว่า ค่าคงที่การแตกตัวของน้ำ ใช้สัญลักษณ์ $\displaystyle K_w$

ดังนั้น $\displaystyle K_w=[H_3O^+][OH^-]$

จากผลการทดลอง พบว่าน้ำที่อัณหภูมิสูงนำไฟฟ้าได้ดีกว่าที่อุณหภูมิต่ำ แสดงว่าน้ำที่อุณหภูมิสูงแตกตัวเป็นไอออนได้มากกว่าที่อุณหภูมิต่ำ $\displaystyle K_w$ จึงสูงกว่า ตัวอย่างเช่น

ค่า $\displaystyle K_w$ ที่อุณหภูมิ $\displaystyle 25^0C$ มีค่าเท่ากับ1.0 x $\displaystyle 10^{-14}mol/dm^3$

ค่า $\displaystyle K_w$ ที่อุณหภูมิ $\displaystyle 60^0C$ มีค่าเท่ากับ9.5 x $\displaystyle 10^{-14}mol/dm^3$

ดังนั้น การบอกค่า $\displaystyle K_w$ จึงต้องระบุอุณหภูมิด้วยเช่นเดียวกับค่าคงที่อื่น ๆ โดยปกติเราจะไม่กล่าวถึงหน่วยของ $\displaystyle K_w$ เช่นเดียวกับค่าคงที่สมดุลอื่น ๆ ยกเว้นในกรณีที่จะนำมาใช้คำนวณความเข้มข้นของไอออนจึงจะระบุหน่วยของ $\displaystyle K_w$

จากสมการการแตกตัวของน้ำ จะได้ไฮโดรเนียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนเกิดขึ้นในจำนวนโมลที่เท่ากัน ดังนั้น

$\displaystyle [H_3O^+]$ = $\displaystyle [OH^-]$
นั่นคือ $\displaystyle K_w$ = $\displaystyle [H_3O^+]^2$ หรือ = $\displaystyle [OH^-]^2$

หรือ $\displaystyle [H_3O^+]^2$ = $\displaystyle [OH^-]^2$

$\displaystyle [H_3 O^+]$ = $\displaystyle OH^-$ = $\displaystyle \sqrt{1.0\times10^{-14}mol^2dm^6}$ ที่อุณหภูมิ 25 $\displaystyle ^0C$

= 1.0 x $\displaystyle 10^{-7}mol/dm^3$

แสดงว่าน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ25 $\displaystyle ^0C$ มีความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนเท่ากับความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ไอออนคือ

1.0 x $\displaystyle 10^{-7} mol/dm^3$

การเปลี่ยนความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนในน้ำ

น้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ25 $\displaystyle ^0C$ มีไฮโดรเนียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนเท่ากันคือ
1.0 x $\displaystyle 10^{-7}mol/dm^3$ ถ้าเติมกรดหรือเบสลงในน้ำ ความเข้มข้นของไอออนทั้งสองในสารละลาย รวมทั้งสมดุลของน้ำจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร
การเติมกรดลงในน้ำ จะทำให้ปริมาณ $\displaystyle H_3O^+$ ในสารละลายเพิ่มขึ้นและสมดุลของน้ำถูกรบกวน ตามหลักของเลอชาเตอลิเอ ระบบจะปรับตัวเพื่อลดปริมาณของ $\displaystyle H_3O^+$ โดยรวมตัวกับ $\displaystyle OH^-$ เกิดเป็นโมเลกุลของน้ำและเข้าสู่สมดุลอีกครั้งหนึ่ง ณ ภาวะสมดุล ความเข้มข้นของ $\displaystyle OH^-$ ในสารละลายจะลดลงคือน้อยกว่า 1.0 x $\displaystyle 10^{-7}mol/dm^3$ ส่วนความเข้มข้นของ $\displaystyle H_3O^+$ จะมากกว่า 1.0 x $\displaystyle 10^{-7}mol/dm^3$ แตผลคูณของความเข้มข้นของไอออนทั้งสองยังมีค่าคงที่ ดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้

$\displaystyle K_w=[H_3O^+][OH^-]$

$\displaystyle [OH^-]=\frac{{K_w}}{{[H_3O^+]}}$
ถ้าทราบความเข้มข้นของ $\displaystyle H_3O^+$ ในสารละลายก็สามารถคำนวณหาความเข้มข้นของ

$\displaystyle OH^-$ ได้ เช่น น้ำมีความเข้มข้นของ $\displaystyle H_3O^+$ เท่ากับ 1.0 x $\displaystyle 10^{-7}mol/dm^3$ เมื่อเติมกรดลงไปจำนวนหนึ่งและสมมติว่าที่ภาวะสมดุลมีความเข้มข้นของ $\displaystyle H_3O^+$ เป็น 1.0 x $\displaystyle 10^{-4}mol/dm^3$ ความเข้มข้นของ
$\displaystyle OH^-$ จะมี่ค่าเท่าใด สามารถคำนวณหาได้ดังนี้
$\displaystyle OH^-$ = $\displaystyle\frac{{1.0\times10^{-14}mol^2/dm^6}}{{[1.0\times10^{-4}mol/dm^3]}}$
= 1.0 x $\displaystyle 10^{-10}mol/dm^3$

- ถ้าเติมไซเดียมไฮดรอกไซด์ลงในน้ำ ความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร

การเติมเบสลงในน้ำ จะทำให้ภาวะสมดุลของน้ำเปลี่ยนแปลง และในที่สุดระบบจึงปรับตัวเพื่อเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง ณ ภาวะสมดุล ความเข้มข้นของ $\displaystyle OH^-$ จะมากกว่า 1.0 x $\displaystyle 10^{-7}mol/dm^3$ และความเข้มข้นของ $\displaystyle H_3O^+$ จะน้อยกว่า 1.0 x $\displaystyle 10^{-7}mol/dm^3$
ในสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย จะมีทั้งไฮโดรเนียมไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนรวมอยู่ด้วยกัน เมื่อความเข้มข้นของไอออนหนึ่งเพิ่มขี้น ความเข้มข้นของอีกไอออนหนึ่งจะลดลง แต่ผลคูณของ $\displaystyle [H_3O^+][OH^-]$ หรือ ค่า $\displaystyle  K_w$ ยังคงมีค่าคงที่เท่ากับ 1.0 x $\displaystyle 10^{-14}$ เสมอ ที่อุณหภูมิ 25 $\displaystyle ^0C$ ดังรูป 8.4

รูป 8.4 เปรียบเทียบความเข้มข้นของ $\displaystyle H_3O^+$ และ $\displaystyle OH^-$ กับความเป็นกรด - เบสของสารละลาย

บทเรียนที่เกี่ยวข้อง

	สารละลายอิเล็กโทรไลต์และนอนอิเล็กโทรไลต์
	สารละลายกรดและสารละลายเบส
	การแตกตัวของกรดและเบส
	การแตกตัวเป็นไอของน้ำ
	pH ของสารละลาย
	อินดิเคเตอร์สำหรับกรด-เบส
	การไทเทรตกรด-เบส
	สารละลายบัพเฟอร์