Mengapa konstanta disosiasi air Kw tetap konstan? [Tutup]
Di $\pu{25 ^\circ C}$ pada kesetimbangan nilai $K_\mathrm{w}$ adalah $\pu{1\times 10^{-14} M}$ dan konsentrasi $\ce{H+}$ dan $\ce{OH-}$ adalah sama yaitu $\pu{1\times 10^{-7} M}$.
Sekarang jika kita menambahkan $\ce{HCl}$ untuk itu $\ce{HCl}$ akan terbentuk $\ce{H3O+}$ dan konsentrasi $\ce{H+}$meningkat dan keseimbangan bergeser ke kiri untuk melawan perubahan. Akibatnya konsentrasi$\ce{OH-}$ menurun tapi mengapa masih $K_\mathrm{w}$tetap sama. Jika kita menambahkan terlalu banyak$\ce{HCl}$ seperti 1 mol maka kita tahu itu akan benar-benar berdisosiasi dan akan terbentuk $\ce{H3O+}$ yang akan menjadi konsentrasinya $\pu{1 M}$.
Jadi sekarang apa yang akan terjadi $K_\mathrm{w}$? Apakah masih tetap konstan tapi mengapa? Apakah masih konsentrasi$\ce{H+}$ tidak bisa naik ke atas $1\times 10^{-14}$ tapi kenapa?
Jawaban
Pertanyaan Anda mencerminkan pengetahuan Anda dalam ilmu kimia, jadi saya akan mencoba membuat penjelasan ini sesederhana mungkin.
Air menghantarkan listrik karena mengandung $\ce{H+}$ dan $\ce{OH-}$ ion dengan ionisasi otomatis:
$$\ce{H2O <=> H+ + OH- \tag1}$$
Telah ditentukan bahwa ionisasi ini adalah konstanta pada $\pu{25 ^\circ C}$. Jadi menurut definisi:
$$K_\mathrm{w} = [\ce{H+}][\ce{OH-}] = 1.0 \times 10^{-14} \tag2$$
Dengan demikian, menurut definisi untuk air murni, $ [\ce{H+}]=[\ce{OH-}]= 1.0 \times 10^{-7}$. Dan kemudian, ada prinsip yang diterima secara luas dalam kimia yang disebut prinsip Le Chatelier:
Prinsip Le Chatelier adalah pengamatan tentang kesetimbangan reaksi kimia. Ini menyatakan bahwa perubahan suhu, tekanan, volume, atau konsentrasi sistem akan menghasilkan perubahan yang dapat diprediksi dan berlawanan dalam sistem untuk mencapai keadaan ekuilibrium baru.
Dengan demikian, peningkatan konsentrasi reaktan (spesies di sisi kiri reaksi) akan mendorong reaksi ke kanan (lebih banyak produk), sedangkan peningkatan konsentrasi produk (spesies di sisi kanan reaksi) akan mendorong reaksi ke kiri (lebih banyak reaktan). Pada suhu konstan, meskipun konsentrasi spesies (misalnya, ini dia$\ce{H+}$ dan $\ce{OH-}$ dalam persamaan $(1)$) pada keadaan kesetimbangan baru diubah, konstanta kesetimbangan tetap sama. Dengan kata lain, konstanta kesetimbangan hanya bergantung pada suhu.
Menurut prinsip Le Chatelier, dalam persamaan $(1)$, jika Anda menambahkan lebih banyak $\ce{H+}$ atau $\ce{OH-}$(RHS), kesetimbangan akan disesuaikan untuk mengurangi jumlah tersebut dengan membuat lebih banyak air. Tetapi karena penambahan ini pada suhu konstan,$K_\mathrm{w}$ tetap konstan.
Jawaban pengguna Mathew Mahindaratne sangat bagus, tapi saya ingin menjelaskan satu hal. Kesetimbangan diberikan oleh persamaan kimia:
$$\ce{H2O <=> H+ + OH- \tag1}$$
dan persamaan matematika biasanya direduksi menjadi:
$$K_\mathrm{w} = [\ce{H+}][\ce{OH-}] = 1.0 \times 10^{-14} \tag2$$
Namun memikirkan ekspresi kesetimbangan secara umum, Anda dapat melihat bahwa ekspresi matematika untuk (1) seharusnya:
$$K^*_\mathrm{w} =\dfrac{[\ce{H+}][\ce{OH-}]}{[\ce{H2O}]}\tag{3}$$
Intinya di sini adalah bahwa untuk larutan encer itu$[\ce{H2O}]$ adalah sebuah konstanta dan karenanya:
$$K_\mathrm{w} = [\ce{H2O}]\times K^*_\mathrm{w} = [\ce{H+}][\ce{OH-}]\tag{4}$$
Jadi larutan dengan jumlah yang signifikan dari beberapa pelarut organik yang dapat larut bukanlah larutan "encer aqueous", dan persamaan matematika (2) tidak berlaku. Ini bukan untuk mengatakan bahwa persamaan matematika (3) akan jauh lebih baik, melainkan mengikat untuk menciptakan pemahaman tentang mengapa ekspresi ekuilibrium sederhana gagal.
Dapat dikatakan bahwa pada suhu tertentu, laju autodisosiasi air tetap, tetapi laju rekombinasi ion sebanding dengan $[\ce{H+}][\ce{OH-}]$. Karena proporsional dengan probabilitas dua ion tersebut bertemu satu sama lain, karena laju reaksi dibatasi oleh difusi. Menurut Wikipedia ,
Reaksi rekombinasi terbalik $\ce{H3O+ + OH− -> 2 H2O}$ adalah salah satu reaksi kimia tercepat yang diketahui, dengan konstanta laju reaksi $\pu{1.3×10^11 M−1 s−1}$pada suhu kamar. Laju yang cepat seperti itu merupakan karakteristik dari reaksi yang dikendalikan difusi, di mana laju tersebut dibatasi oleh kecepatan difusi molekul.
Kinetika perubahan [H +] itu seperti:
$$\frac{\mathrm{d}[\ce{H+}]}{\mathrm{d}t} = k_1 - k_2[\ce{H+}][\ce{OH-}]$$ dimana $$K_\mathrm{w} = \frac{k_1}{k_2}$$ dan $$k_1 = k_{1\mathrm{a}}[\ce{H2O}]$$
menyiratkan $[\ce{H2O}] \simeq \pu{55 mol/L}$ konstan.
Konsekuensinya adalah hasil kali konsentrasi ion pada kesetimbangan harus konstan.
Jika $[\ce{H+}][\ce{OH-}] \gt K_\mathrm{w}$, kemudian ion bergabung kembali lebih cepat kemudian air berdisosiasi hingga sama.
Jika $[\ce{H+}][\ce{OH-}] \lt K_\mathrm{w}$, kemudian air terdisosiasi lebih cepat kemudian ion bergabung kembali hingga sama.
Kekuatan ionik dan koefisien aktivitas, atau keberadaan utama senyawa non-ionik lainnya memperumit masalah, tetapi prinsip umum kesetimbangan kimia tetap berlaku di atas.