Phản ứng autoprotolysis của nước, tạo ra ion hydroxide và hydroni.

| Acid và base |
| --- |
| * Acid
* Phản ứng acid–base
* Độ mạnh của acid
* Hàm acid
* Lưỡng tính
* Base
* Dung dịch đệm
* Hằng số phân ly
* Hóa học cân bằng
* Chiết
* Hàm acid Hammett
* pH
* Ái lực proton
* Sự tự điện ly của nước
* Chuẩn độ
* Xúc tác acid Lewis
 |
| 
Các dạng acid |
| * Brønsted–Lowry
* Lewis
* Acceptor
* Vô cơ
* Hữu cơ
* Mạnh
* Siêu acid
* Yếu
* Rắn
 |
| 
Các dạng base |
| * Brønsted–Lowry
* Lewis
* Donor
* Hữu cơ
* Mạnh
* Siêu base
* Phi nucleophil
* Yếu
 |
| * x
* t
* s
 |

Quá trình **tự điện ly của nước**, còn được gọi là quá trinh **tự ion hóa của nước**, quá trình **tự phân ly của nước** (tiếng Anh: **self-ionization of water** (còn được gọi là **autoionization of water**, và **autodissociation of water**)), là một phản ứng điện ly trong nước tinh khiết hoặc trong dung dịch nước, trong đó phân tử nước, H2O, bị khử proton (phân tử nước bị mất đi hạt nhân của một trong hai nguyên tử hydro của nó) trở thành ion hydroxide, OH−. Hạt nhân hydro, H+, ngay lập tức protonate một phân tử nước khác để tạo thành cation hydroni, H3O+. Đây là một ví dụ về quá trình autoprotolysis và thể hiện tính chất lưỡng tính của nước.

Ảnh hưởng của đồng vị
---------------------

Nước nặng (D2O) tự điện ly ít hơn nước thường (H2O).

D2O + D2O ⇌ D3O+ + OD−.
Điều này là do hiệu ứng đồng vị cân bằng, một hiệu ứng cơ học lượng tử do oxy hình thành liên kết mạnh hơn một chút với deuteri (D) vì khối lượng deuteri lớn hơn dẫn đến năng lượng điểm không thấp hơn.

Được biểu thị bằng hoạt độ (activity) *a*, thay vì nồng độ, hằng số cân bằng nhiệt động (thermodynamic equilibrium constant) của phản ứng điện ly nước nặng là:

{\displaystyle K\_{\rm {eq}}={\frac {a\_{\rm {D\_{3}O^{+}}}\cdot a\_{\rm {OD^{-}}}}{a\_{\rm {D\_{2}O}}^{2}}}}.
Giả sử hoạt độ của D2O là 1 và giả sử rằng hoạt độ của D3O+ và OD− gần đúng với nồng độ của chúng

{\displaystyle K\_{\rm {w}}=[{\rm {D\_{3}O^{+}}}][{\rm {OD^{-}}}]}.
Bảng sau đây so sánh các giá trị của p*K*w đối với H2O và D2O:

Giá trị p*K*w cho nước tinh khiết| T/°C | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 50 |
| H2O | 14,535 | 14,167 | 13,997 | 13,830 | 13,535 | 13,262 |
| D2O | 15,439 | 15,049 | 14,869 | 14,699 | 14,385 | 14,103 |

Cơ chế
------

Tốc độ phản ứng của phản ứng điện ly

2 H2O → H3O+ + OH−
phụ thuộc vào năng lượng hoạt hóa Δ*E*‡. Theo phân phối Boltzmann, tỷ lệ các phân tử nước có đủ năng lượng, nhờ mật độ nhiệt (thermal population), được cho bởi:

{\displaystyle {\frac {N}{N\_{0}}}=e^{-{\frac {\Delta E^{\ddagger }}{kT}}}}.
Trong đó *k* là hằng số Boltzmann. Do đó, một số sự phân ly có thể xảy ra vì có đủ năng lượng nhiệt. Chuỗi sự kiện (event) sau đây đã được đề xuất trên cơ sở thăng giáng điện trường trong nước lỏng. Thỉnh thoảng có những dao động (fluctuation) ngẫu nhiên trong chuyển động phân tử (khoảng 10 giờ một lần trên mỗi phân tử nước) tạo ra một điện trường đủ mạnh để phá vỡ liên kết oxy–hydro, tạo ra ion hydroxide (OH−) và ion hydroni (H3O+); hạt nhân hydro của ion hydroni di chuyển dọc theo các phân tử nước theo cơ chế Grotthuss và sự thay đổi mạng lưới liên kết hydro (hydrogen bond network) trong dung môi sẽ cô lập hai ion, được ổn định bằng quá trình solvation. Tuy nhiên, trong vòng 1 picogiây, sự tái tổ chức lần thứ hai của mạng lưới liên kết hydro cho phép chuyển đổi proton nhanh (rapid proton) xuống mức chênh lệch điện thế và subsequent recombination của các ion. Khoảng thời gian này phù hợp với thời gian cần thiết để các liên kết hydro tự định hướng lại trong nước.

Phản ứng inverse recombination

H3O+ + OH− → 2 H2O
là một trong những phản ứng hóa học nhanh nhất được biết đến, với hằng số tốc độ phản ứng là 1,3×1011 M−1 s−1 ở nhiệt độ phòng. Tốc độ nhanh như vậy là đặc trưng của phản ứng diffusion-controlled, trong đó tốc độ bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán phân tử.

Tham khảo
---------

1. ↑  Lide, D. R. biên tập (1990). *CRC Handbook of Chemistry and Physics* (ấn bản 70). Boca Raton (FL):CRC Press.
2. ↑  Geissler, P. L.; Dellago, C.; Chandler, D.; Hutter, J.; Parrinello, M. (2001). "Autoionization in liquid water". *Science*. **291** (5511): 2121–2124. Bibcode:2001Sci...291.2121G. CiteSeerX 10.1.1.6.4964. doi:10.1126/science.1056991. PMID 11251111.
3. ↑  Eigen, M.; De Maeyer, L. (1955). "Untersuchungen über die Kinetik der Neutralisation I" [Investigations on the kinetics of neutralization I]. *Z. Elektrochem*. **59**: 986.
4. ↑  Stillinger, F. H. (1975). "Theory and Molecular Models for Water". *Advances in Chemical Physics*. *Adv. Chem. Phys*. **31**. tr. 1–101. doi:10.1002/9780470143834.ch1. ISBN 9780470143834.
5. ↑  Rapaport, D. C. (1983). "Hydrogen bonds in water". *Mol. Phys.* **50** (5): 1151–1162. Bibcode:1983MolPh..50.1151R. doi:10.1080/00268978300102931.
6. ↑  Chen, S.-H.; Teixeira, J. (1986). *Structure and Dynamics of Low-Temperature Water as Studied by Scattering Techniques*. *Adv. Chem. Phys*. Advances in Chemical Physics. **64**. tr. 1–45. doi:10.1002/9780470142882.ch1. ISBN 9780470142882.
7. ↑  Tinoco, I.; Sauer, K.; Wang, J. C. (1995). *Physical Chemistry: Principles and Applications in Biological Sciences* (ấn bản 3). Prentice-Hall. tr. 386.