مفهوم تأين الماء
تتفاعل جزيئات الماء مع بعضها البعض بطريقة مشابهة لتفاعلات الأحماض والقواعد. حيث يتم تبادل كمية ضئيلة من البروتونات بين جزيئات الماء، مما يعرف بالتأين الذاتي للماء، كما يتضح في المعادلة التالية:
-H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH-
في هذه التفاعل، يقوم أحد جزيئات الماء بفقدان بروتون، مما يجعله يعمل كحمض وفقاً لمفهوم برونستد-لوري، بينما يستقبل الجزيء الآخر هذا البروتون، مما يجعله يتصرف كقاعدة وفقاً لنفس المفهوم. بهذا الشكل، تتكون أيونات الهيدرونيوم +H3O وأيونات الهيدروكسيد -OH بنسبة مولية 1:1. في أي عينة من الماء النقي، يجب أن يتساوى التركيز المولي لأيونات الهيدرونيوم مع أيونات الهيدروكسيد.
ملاحظات هامة:
- يمتلك الماء خصائص الحمض والقاعدة، مما يجعله مادة أمفوتريه (Amphoteric)، حيث يعمل كقاعدة مع الأحماض وكحمض مع القواعد.
- تظهر العملية بشكل عكسي في المعادلة، حيث يُعد الماء حمضاً ضعيفاً وقاعدة ضعيفة في الوقت ذاته.
- تركز أيوني الهيدروكسيد والهيدرونيوم يكون قليلاً جداً مقارنةً بالكمية غير المتأينة من الماء.
ثابت تأين الماء
لتحديد ثابت تأين الماء، يُمكن اتباع الخطوات التالية:
- من المعادلة -H2O +H2O ⇌ H3O+ + OH- وعند تطبيق قانون الاتزان، نحصل على: 2 [Kc = [H3O+] [OH-] / [H2O].
- نظراً لثبات تركيز الماء والذي يساوي 55.5 مول/دسم³، فإن ثابت تأين الماء (Kw) يساوي (2(Kc * 55.5.
- وبالتالي، فإن [+ Kw = [OH-] [H3O].
- عند قياس موصلية الماء النقي، وُجد أن تركيز أيوني الهيدروكسيد والهيدرونيوم عند درجة حرارة 25 مئوية يساوي 7 × 10^- 1 مول/دسم³.
- لذا فإن (7 × 10^-1)*(7 × 10^-Kw= (1، مما يساوي 14 × 10^-2 مول²/دسم⁶.
ملاحظة: يعتمد ثابت تأين الماء (Kw) على قوة الروابط الهيدروجينية، وبالتالي يتأثر بنفس العوامل التي تؤثر على تلك الروابط، مثل درجة الحرارة والضغط وتركيز المذاب والقوة الأيونية.
مثال لتوضيح تأين الماء
احسب تركيز أيون الهيدرونيوم في محلول مائي تركيزه 0.001 مولار عند درجة حرارة 25 مئوية.
الحل:
بناءً على القاعدة، يكون تركيز أيون الهيدرونيوم [+ Kw = [OH-] [H3O].
لذا، فإن تركيز أيون الهيدرونيوم يساوي (14 × 10^-1) / 0.001، مما يساوي (11 × 10^-1) مولار.
أهمية تأين الماء في جسم الإنسان
طبقاً لمبدأ التعادل الكهربائي، يجب أن تكون البلازما متوازنة كهربائياً، حيث يتساوى مجموع الأيونات الموجبة مع مجموع الأيونات السالبة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تظل أيونات الماء ثابتة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي اختلاف تركيز الأيونات في البلازما إلى تغيير النسبة بين الأيونات الموجبة والسالبة. لكن ثبات تأين الماء يسهم في الحفاظ على التعادل الكهربائي في البلازما وضمان توازن الأحماض والقواعد.