물의 자동이온화반응과 이온화 상수 (Kw)

물의 자동 이온화 반응

브뢴스테드-로리의 산염기 정의에 따라 다른 물질에게 수소 이온(H+), 즉 양성자를 내놓는 물질은 산, 다른 물질로부터 수소 이온(H+), 즉 양성자를 받는 물질은 염기가 됩니다. 이 경우에 물(H2O)은 아래 반응식들처럼 경우에 따라 산이 될 수도 있고, 염기가 될 수도 있어서 양쪽성 물질(amphoteric)이 되는데요, 왜냐하면 수용액에서 물이 수소 이온(H+)과 하이드로늄 이온(H3O+, hydronium ion 또는 oxonium ion)으로 존재하기 때문입니다. pH를 구할 때 H3O^(+)의 농도를 이용하는 것의 이유이기도 합니다.

 

• HCl + H2O → H3O^(+) + Cl^(-) : 여기서 H2O는 수소 이온을 받으므로 염기가 됩니다.
• H2O + NH3 → NH4^(+) + OH^(-) : 여기서 H2O는 수소 이온을 내어놓으므로 산이 됩니다.

 

이렇게 양쪽성 물질인 물은 소량의 일부 문 분자들이 서로 수소 이온(H+)을 주고받을 수가 있기 때문에 하이드로늄 이온(H3O+)과 수산화이온(OH-)으로 이온화하는 반응이 일어납니다. 그리고, 이를 물의 자동 이온화 반응이라고 일컫습니다. (Water Autoionization)

 

H2O(l) + H2O(l) ⇄ H3O^(+)(aq) + OH^(-)(aq)

 

물의 자동이온화반응

 

여기서, 이 가역반응이 동적 평형에 도달하게 되면 하나의 물 분자가 수소 이온을 잃고 수산화이온(OH-)이 되면서 다른 물분자가 H3O+가 되기 때문에, 또는 하나의 물 분자가 수소 이온을 얻고 하이드로늄 이온(H3O+)이 되면서 다른 물 분자가 수산화 이온(OH-)이 되기 때문에 H3O+의 몰 농도와 OH-의 몰 농도가 같아지게 됩니다.

 

물의 이온화 상수 (Kw)

이온화 상수(K, ionization constant)는 이온화 반응이 동적 평형에 이르렀을 때의 평형 상수로, 아래와 같이 수용액 속에서 평형 상태일 때의 각 반응물과 생성물의 농도를 곱하고 나누는 계산을 통해 구할 수가 있습니다.

 

이온화 상수 계산

 

그렇다면 물의 자동이온화 반응에서 이온화 상수는 아래와 같이 됩니다.

 

K = [H3O+][OH-] / ([H2O]^2)

 

여기서 물은 아주 소량만 이온화가 진행되기 때문에 물의 농도는 거의 일정하므로 상수로 간주할 수가 있습니다. 따라서, 분모를 양변에 곱해주면 K([H2O]^2) = [H3O+][OH-]로 표현을 할 수가 있는데요, 여기서 K([H2O]^2)을 물의 이온화 상수, Kw로 정의합니다. 따라서 아래와 같이 물의 이온화 상수를 나타낼 수 있고 특정 온도에서 일정한 값을 가지기 때문에 온도를 표기하면 값을 나타낼 수가 있습니다.

 

Kw = [H3O+][OH-] = 1.0 x 10^(-14) at 25℃

 

여기서 알 수 있는 것은 위에서 언급하였던 대로 물에서 이온화된 물질의 농도, 즉 [H3O+]와 [OH-]가 같으므로 각각의 값이 1.0 x 10^(-7)인 것을 알 수 있습니다. 중성 용액의 pH가 7이 되는 이유입니다. 참고로, 온도가 높을수록 물의 이온화 상수는 커지게 됩니다.

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물의 이온화 상수로부터 pH와 pOH를 계산하는 방법은 아래 링크를 참조하시기 바랍니다.

2023.12.06 - [과학] - 물의 이온화 상수로부터 pH와 pOH 계산 방법

물의 이온화 상수로부터 pH와 pOH 계산 방법