L’autoionizzazione dell’acqua

L’autoionizzazione dell’acqua è una reazione chimica in cui due molecole di acqua reagiscono per dare uno ione H₃O⁺ e uno ione OH^– . Anche se pura, l’acqua ha una bassa concentrazione di ioni che possono essere rilevati con accurate misure di conduttività elettrica e dà luogo a autoionizzazione.

Si può pensare che alcune molecole d’acqua agiscano da donatori di protoni e altre da accettori di protoni. Nell’autoionizzazione dell’acqua, per ogni molecola di H₂O che agisce da acido un’altra agisce da base portando alla formazione degli ioni idronio, H₃O⁺, e idrossido, OH^–.

Equilibrio di autoionizzazione

La reazione è reversibile e nella reazione inversa H₃O⁺ dona un protone a OH^–. In effetti la reazione inversa è molto più significativa della reazione diretta.

L’equilibrio

2 H₂O ⇄ H₃O⁺ + OH^–

è molto spostato verso sinistra.

L’espressione della costante di equilibrio che si può scrivere è:

K_w= [H₃O⁺][ OH^–]

Dall’equazione si può vedere anche che [H₃O⁺] e [OH^–] nell’acqua pura sono uguali. Esistono diversi metodi sperimentali per determinare le concentrazioni di questi ioni e tutti portano a questo risultato.

A 25 °C in acqua pura :  [H₃O⁺] = [ OH^–] = 1.0 · 10^-7 M

La costante di equilibrio per la reazione di autoionizzazione dell’acqua viene detta prodotto ionico dell’acqua ed indicata dal simbolo K_w.

L’espressione di K_w che a 25°C assume il valore di  1.0 ·10^-14  è

K_w = [H₃O⁺][ OH^–] = 1.0 ·10^-14

Il significato dell’equazione è che essa si applica a tutte le soluzioni acquose, non solo all’acqua pura.

Natura dello ione idronio

Poiché lo ione H⁺ è molto piccolo, la carica positiva dello ione è concentrata in una regione piccola; lo ione possiede un’elevata densità di carica positiva. E prevedibile che gli ioni H⁺ (protoni) scovino centri di carica negativa con cui formare legami. Questo è quello che si verifica quando uno ione H⁺ si lega ad una coppia solitaria di elettroni di un atomo di O dell’H₂O.

Per molti anni si ritenne che lo ione idronio, H₃O⁺, non fosse altro che uno di una serie di protoni idratati, [H (H₂O) n]⁺, in cui n = 1, cioè [H (H₂O)]⁺ = H₃O⁺.

Recentemente, però, i chimici hanno trovato delle evidenze sperimentali che attestano l’esistenza di H₃O⁺ allo stato gassoso, nei solidi è in soluzione acquosa.

Ad esempio, quello che una volta si riteneva fosse un monoidrato dell’acido perclorico, HClO₄ ∙ H₂O, è stato dimostrato mediante studi ai raggi X essere strutturalmente molto simile al perclorato di ammonio, NH₄⁺ClO₄^–. L’attuale concezione dello ione idronio in soluzione acquosa è quella Cluster contenente ione H₃O⁺ centrale circondato da molecole d’acqua.