## 3.1 Waarom heeft water een pH van 7?

Aanwijzing:

Zuiver water geleidt een beetje stroom.
Met de stroommeters op school is die geleiding niet aan te tonen en bovendien kunnen we het water niet zuiver genoeg krijgen. Je moet bij dit onderzoek platina bekers en platina destillatieapparatuur gebruiken. Uit glas (een zout, een elektrolyt dus) lossen altijd wat ionen op en dan zegt eventuele stroomgeleiding niets over zuiver water.

Verklaring (micro):
Door de H-bruggen trekken watermoleculen stevig aan elkaar, ze plakken stevig aan elkaar. Als ze moeten loslaten - er wordt nu eenmaal veel gebotst door watermoleculen- is er een kans dat een deel van het molecuul blijft plakken” en breekt daardoor een watermolecuul. We kijken alleen naar de gevallen dat watermoleculen breken in H+ en OH-. Die ionen zijn we immers vaker tegengekomen.

Als we aannemen dat die ionen elkaar niet meteen terugvinden en weer een watermolecuul vormen hebben zouden er dus altijd wel wat ionen zijn in water. Dat verklaart waarom ook zuiver water – weliswaar heel slecht -stroom geleidt

Uit metingen van die geleidbaarheid kun je afleiden dat in één liter water ( dat is 55 mol water) 1 x 10-7 mol watermoleculen uiteengescheurd, gesplitst zijn in H+ en OH- . Dat geldt bij 25 oC .
1 x 10-7 mol gesplitste moleculen op 55 mol komt neer op één de 550 miljoen moleculen.
Een op de 550 miljoen lijkt niet bepaald de moeite waard. Maar in een liter zijn het toch nog heel veel moleculen.

Gesplitst per liter : 10-7 x 6 x 1023 = 6 x 10 16 H+ ionen ( en evenveel OH- ionen) (aantal mol ) (aantal moleculen per mol)
Ter vergelijking: op aarde leven nu ongeveer 6 x 10 9 mensen.
Andere getallen: de kans dat een watermolecuul breekt en er vrije H+ en OH- ionen ontstaan is ongeveer twee keer per dag. De gemiddelde levensduur voor die H+ en OH- ionen is 70 microseconde ( 0,00007 sec.).

Dat in water is een constante hoeveelheid H+ en OH- ionen aanwezig is verklaren chemici dus met een model waarbij per seconde evenveel watermoleculen in H+ en OH- ionen breken als dat er watermoleculen teruggevormd worden doordat die ionen weer samengaan.

Om de omzetting van water in ionen en de gelijktijdige vorming van watermoleculen uit die ionen weer te geven gebruiken chemici een reactievergelijking met een “dubbele pijl”
Men noemt zo een toestand waarbij twee tegengestelde reacties tegelijkertijd optreden een (chemisch) evenwicht. Bij een evenwichtsreactie hoort een dubbele pijl.

Het waterevenwicht
H2O H+ (aq) + OH- (aq)

Vaak wordt de splitsing en terugvorming als volgt aangegeven:
2 H2O H3O+ + OH-

Deze manier van opschrijven geeft duidelijker aan dat het H+ ion niet zomaar afbreekt maar gebonden wordt door een ander watermolecuul.

Het H3O+ ion heeft een eigen naam gekregen oxonium-ion.
( Zelfs twee : je kunt ook de naam hydroxonium-ion tegenkomen).

We kunnen nog een stap verder gaan in ons model van watermoleculen die breken in H+ en OH- maar ook weer teruggevormd worden.

In zuiver water van 25 oC geldt:

[ H+ ] = 0,0000001 (= 10-7 ) pH =7

[OH-] = 0,0000001 (= 10-7 ) pOH =7

Als er H+ ionen ontstaan doordat we bijvoorbeeld HCl in water oplossen heeft dat gevolgen voor de OH- ionen. De kans dat een OH- ion met H+ weer water vormt neemt toe. Als we aannemen dat het aantal watermoleculen dat per seconde kapot gaat niet verandert en de OH- ionen vinden door het opgeloste zuur sneller een H+ ion, dan zijn er gemiddeld minder OH- ionen.
Je kunt zeggen dat de gemiddelde levensduur van de vrije OH- ionen afneemt en dus ook hun concentratie.

Met kansberekening kun je aannemelijk maken dat als de [H+ ] 10 maal zo groot wordt, de [OH- ] 10 maal zo klein wordt.

Daaruit volgt dat het product [H+ ] [OH-] gelijk blijft

Uit de gegevens van zuiver water volgt dat [H+ ] [OH- ] = 10-7 x 10-7 = 10-14

We hebben een formule!

Een formule ontdekken is het beste wat een wetenschapper kan overkomen. Wetenschap is het zoeken naar wat zeker is, wat nu geldt en morgen ook nog, naar houvast, naar orde in de chaos. Een formule levert dat houvast, betekent dat we greep hebben op de zaak.
Formules zijn voor de eeuwigheid, en geven eeuwige roem aan de ontdekker, denk aan dé formule van de 20e eeuw: E=mc2.

Maar [H+ ] [OH- ] = 10-14 verdient ook een ereplaats.

Als er meer H+ en OH- ionen zijn en daardoor het product van de concentraties te groot is, zullen er per seconde meer ionen verdwijnen dan dat er gevormd worden. Dat gaat door totdat [H+] . [OH-] gelijk is aan 10-14. Dan worden evenveel ionen gevormd als dat er verdwijnen. Als er te weinig H+ en OH- ionen zijn en het product [H+ ] . [OH-] kleiner dan 10-14, zullen er meer watermoleculen splitsen dan gevormd worden totdat weer geldt [H+] . [OH-] = 10-14

Om aan te geven dat die waarde van het ionenconcentratieproduct een vaste waarde heeft noemt men deze waarde de waterconstante (Kw)

[H+] | = | 100 | 10-1 | 10-2 | 10-3 | 10-4 | 10-5 | 10-6 | 10-7 | 10-8 | 10-9 | 10-10 | 10-11 | 10-12 | 10-13 | 10-14
[OH-] | = | 10-14 | 10-13 | 10-12 | 10-11 | 10-10 | 10-9 | 10-8 | 10-7 | 10-6 | 10-5 | 10-4 | 10-3 | 10-2 | 10-1 | 100
Kw | = | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14 | 10-14
pH | =. | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14

Waarde van Kw en de pH van zuiver water bij verschillende temperaturen

T (°C) | Kw (mol2 dm-6) | pH
0 | 0.114 x 10-14 | 7.47
10 | 0.293 x 10-14 | 7.27
20 | 0.681 x 10-14 | 7.08
25 | 1.008 x 10-14 | 7.00
30 | 1.471 x 10-14 | 6.92
40 | 2.916 x 10-14 | 6.77
50 | 5.476 x 10-14 | 6.63
100 | 51.3 x 10-14 | 6.14