21.8: Ión-Producto del Agua

En un momento, podrías quitar las pequeñas tapas de la parte superior de la batería de un automóvil y verificar el estado del ácido sulfúrico en su interior. Si bajaba, podrías agregar más ácido. Pero, el ácido sulfúrico es materia peligrosa, por lo que ahora las baterías están selladas para proteger a las personas. Debido a la naturaleza peligrosa del ácido, no es buena idea cortar en una batería para ver cómo se ve, podrías sufrir quemaduras por ácido.

El producto iónico del agua

La autoionización del agua (el proceso en el que el agua se ioniza a iones hidronio e iones hidróxido) ocurre en un grado muy limitado. Cuando dos moléculas de agua chocan, puede haber una transferencia de un ion hidrógeno de una molécula a otra. Los productos son un ion hidronio cargado positivamente y un ion hidróxido cargado negativamente.

\[\ce{H_2O} \left( l \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{H_3O^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\nonumber \]

A menudo usamos la forma simplificada de la reacción:

\[\ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\nonumber \]

La constante de equilibrio para la autoionización del agua se conoce como el producto iónico para el agua y se le da el símbolo\(K_\text{w}\).

\[K_\text{w} = \left[ \ce{H^+} \right] \left[ \ce{OH^-} \right]\nonumber \]

El producto iónico del agua\(\left( K_\text{w} \right)\) es el producto matemático de la concentración de iones hidrógeno e iones hidróxido. Tenga en cuenta que no\(\ce{H_2O}\) está incluido en la expresión ión-producto porque es un líquido puro. El valor de\(K_\text{w}\) es muy pequeño, de acuerdo con una reacción que favorece a los reactivos. At\(25^\text{o} \text{C}\), el valor determinado experimentalmente de\(K_\text{w}\) en agua pura es\(1.0 \times 10^{-14}\).

\[K_\text{w} = \left[ \ce{H^+} \right] \left[ \ce{OH^-} \right] = 1.0 \times 10^{-14}\nonumber \]

En agua pura, las concentraciones de iones hidrógeno e hidróxido son iguales entre sí. Se dice que el agua pura o cualquier otra solución acuosa en la que se mantenga esta relación es neutra. Para encontrar la molaridad de cada ion,\(K_\text{w}\) se toma la raíz cuadrada de.

\[\left[ \ce{H^_+} \right] = \left[ \ce{OH^-} \right] = 1.0 \times 10^{-7}\nonumber \]

Una solución ácida es una solución en la que la concentración de iones hidrógeno es mayor que la concentración de iones hidróxido. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno se ioniza para producir\(\ce{H^+}\) e\(\ce{Cl^-}\) iones al disolverse en agua.

\[\ce{HCl} \left( g \right) \rightarrow \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right)\nonumber \]

Esto aumenta la concentración de\(\ce{H^+}\) iones en la solución. Según el principio de Le Chatelier, el equilibrio representado por\(\ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\) es forzado a la izquierda, hacia el reactivo. Como resultado, la concentración del ion hidróxido disminuye.

Una solución básica es una solución en la que la concentración de iones hidróxido es mayor que la concentración de iones hidrógeno. El hidróxido de potasio sólido se disocia en agua para producir iones de potasio e iones hidróxido.

\[\ce{KOH} \left( s \right) \rightarrow \ce{K^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\nonumber \]

El aumento en la concentración de los\(\ce{OH^-}\) iones provoca una disminución en la concentración de los\(\ce{H^+}\) iones y el producto iónico de\(\left[ \ce{H^+} \right] \left[ \ce{OH^-} \right]\) permanece constante.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

\(\left( \ce{HCl} \right)\)El ácido clorhídrico es un ácido fuerte, lo que significa que está\(100\%\) ionizado en solución. ¿Cuál es el\(\left[ \ce{H^+} \right]\) y el\(\left[ \ce{OH^-} \right]\) en una solución de\(2.0 \times 10^{-3} \: \text{M} \: \ce{HCl}\)?

Solución

Paso 1: Enumere los valores conocidos y planifique el problema.

Conocido

• \(\left[ \ce{HCl} \right] = 2.0 \times 10^{-3} \: \text{M}\)
• \(K_\text{w} = 1.0 \times 10^{-14}\)

Desconocido

• \(\left[ \ce{H^+} \right] = ? \: \text{M}\)
• \(\left[ \ce{OH^-} \right] = ? \: \text{M}\)

Debido a que\(\ce{HCl}\) está\(100\%\) ionizado, la concentración de\(\ce{H^+}\) iones en solución será igual a la concentración original de\(\ce{HCl}\). Cada\(\ce{HCl}\) molécula que originalmente estaba presente ioniza en un\(\ce{H^+}\) ión y un\(\ce{Cl^-}\) ion. La concentración de entonces se\(\ce{OH^-}\) puede determinar a partir de la\(\left[ \ce{H^+} \right]\) y\(K_\text{w}\).

Paso 2: Resolver.

\[\begin{align*} \left[ \ce{H^+} \right] &= 2.0 \times 10^{-3} \: \text{M} \\ K_\text{w} &= \left[ \ce{H^+} \right] \left[ \ce{OH^-} \right] = 1.0 \times 10^{-14} \\ \left[ \ce{OH^-} \right] &= \frac{K_\text{w}}{\left[ \ce{H^+} \right]} = \frac{1.0 \times 10^{-14}}{2.0 \times 10^{-3}} = 5.0 \times 10^{-12} \: \text{M} \end{align*}\nonumber \]

Paso 3: Piensa en tu resultado.

El\(\left[ \ce{H^+} \right]\) es mucho mayor que el\(\left[ \ce{OH^-} \right]\) porque la solución es ácida. Al igual que con otras constantes de equilibrio, la unidad para\(K_\text{w}\) se omite habitualmente.

Resumen

• Se describe la autoionización del agua y se establece una constante de ionización para el proceso.
• Se definen soluciones ácidas y básicas.
• \(K_\text{w}\)Se ilustran los cálculos que utilizan.