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:
Kw= [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 Kw.
L’espressione di Kw che a 25°C assume il valore di 1.0 ·10-14 è
Kw = [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.