水的自解離（Self-ionization）與離子積常數（Ion Product Constant）

水的自解離（Self-ionization）與離子積常數（Ion Product Constant）
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

若上維基百科（Wikipedia）查詢「電解質」的意思，它會告訴你：「電解質是指可以產生自由離子而導電的化合物，通常是指在『溶液』中導電的化合物，但在『熔融態』與『固態』下導電的電解質也存在。」在教科書中，我們學到「純水（即水中一切雜質，包括離子、有機物等都已除去）」是「弱電解質」。所以如果把維基百科的定義套入說明，則「純水」會產生小部分的自由離子，若用很精密的儀器測量，應該測得到它的導電度。

那麼，純水如何產生自由離子呢？如圖一所示，水分子兩兩相互碰撞的時候，水分子B搶奪了水分子A的質子，水分子B得到質子成為H₃O⁺，而水分子A失去質子成為^–OH，又因為質量與電荷守恆的原理，水中有多少H₃O⁺，就會有相同數目的^–OH，用科學的語言來表達，就是[H₃O⁺“>=[^–OH”>，意思是：「純水中，H₃O⁺的濃度與^–OH 的濃度相同。」在這樣的反應中，水分子A扮演著「酸」─給予質子的角色；而水分子B則扮演著「鹼」─得到質子的角色。然而純水本身是純物質，水分子A和水分子B在性質上並沒有任何差異，像這樣的酸鹼反應－相同的物種在一個反應中扮演酸，又扮演鹼而產生自由離子的現象，稱作「自解離（self- ionization，或做autoionization）」。水之所以能夠進行自解離，主要是因為水是一個二元性物種（amphoteric），即物種本身既可當酸，又可當鹼，比如: 醋酸溶於水（如式一）的反應中，水扮演著鹼的角色，得到質子，變成H₃O⁺；但是如果將氨溶於水，反應如式二所表達，水分子扮演著酸的角色，給予質子，變成^–OH，像這樣既可當酸，又可當鹼的物種，即為二元性物種。二元性物種的特性，使水能進行自解離。

已知道一般狀態下，一杯純水中會含有少許H₃O⁺與^–OH，且兩者濃度相同，那麼就有幾個問題值得我們繼續深究下去：

1. 一杯純水中只有少數水分子解離成H₃O⁺與^–OH，是因為有些水分子會解離，那這意味有些水分子不會解離嗎？如果是這樣，水分子的化學性質將會分成兩類，又怎麼能說它是純物質？
2. 『少許被解離』是一個很籠統的概念，有沒有更精緻的數值，能幫助我們了解？

第一個問題其實要用「平衡」的觀點去理解。杯水中，所有的水分子都會兩兩相互作用，產生H₃O⁺與^–OH，然而產生的H₃O⁺與^–OH當然也會互相再結合形成兩當量的水分子。達平衡時，杯水裡有少許的H₃O⁺與^–OH及大量中性水分子，所以照理也可以寫成一組平衡常數(式三)

但是水是純物質，[H₂O”>為定值，所以只需要考慮[H₃O⁺“>•[^–OH”>，而根據實驗的測量，發現在25℃時，純水中，[H₃O⁺“>=[^–OH”>=10^-7 M，隨著溫度越高，[H₃O⁺“>與[^–OH”>越大，因為解離程度越高，但不論任何溫度，純水中，[H₃O⁺“>=[^–OH”>的式子永遠成立（可以想想看為什麼?），所以依據實驗數值的結果，可以得到在25℃時，[H₃O⁺“>•[^–OH”>= 10^-14，這個平衡常數我們以Kw來表達，是為水的離子積常數（ion product constant ）。

參考文獻:
1. http://zh.wikipedia.org/zh-hant/%E7%94% … 3%E8%B4%A8
2. Hill, J. W.; Petrucci, R. H.; McCreay, T. W.; Perry, S. S. “General Chemistry” 4th Ed , Pearson Prentice Hall, New Jersey (2005)