Las moléculas de agua pueden disociarse de la siguiente manera:
3.13
Analizando la reacción es posible observar que el agua es un ácido, ya que está donando protones. La reacción es reversible y tiene una constante de disociación que estará dada por la siguiente relación:
3.14
El valor de esta constante es sumamente pequeño. En otras palabras: el agua se disocia muy poco, por ser un ácido sumamente débil.
La concentración molar del agua es 55.5 M, ([H2O] = 55.5 M). Este valor se obtiene considerando que el peso molecular del agua es igual a 18, de tal manera que, en un litro de agua, (1000 Ml), se encuentran 1000/18 = 55.5 moles de agua. Se desprecia la cantidad de agua disociada que como ya se vio es muy pequeña.
Si en la Ecuación 3.14 se sustituye la concentración del agua por 55.5 M, se obtiene la siguiente relación:
3.15
De aquí se obtiene:
3.16
Ahora bien, debido a que el agua tiene una tendencia extraordinariamente pequeña a disociarse, la concentración del agua, (55.5 M), se puede considerar como constante. El resultado de multiplicar dos cantidades constantes, (55.5 K), es otra constante que se conoce como producto iónico del agua y se representa por la letra Kw. El valor de Kw, calculado experimentalmente es igual a 1.0 x 10-4.
Con estas consideraciones, la Ecuación 3.16 se puede escribir de la siguiente manera:
3.17
Cada molécula de agua que se disocia produce un protón y un oxhidrilo, de tal forma que, en el agua ultrapura, la concentración de protones debe de ser igual que la de oxhidrilos y de acuerdo con la Ecuación 3.17 se deduce que:
3.18
Recordemos, que en párrafos anteriores se definió al pA como el número que se obtiene al tomar el logaritmo de la cantidad A y cambiarle el signo. Siguiendo con esta línea, se puede definir el pH como el logaritmo negativo de la concentración de protones y el pOH como el logaritmo negativo de la concentración de iones OH-:
3.19
3.20
La Ecuación 3.17 puede ser transformada a una expresión en términos de pKw. Para esto, si en la Expresión 3.17 se toman logaritmos en ambos miembros y se les cambia el signo se obtiene:
3.21
Recordando que log (AxB) = log A + log B, se puede aplicar esta propiedad a la Ecuación 3.21 y se tiene:
3.22
Utilizando 3.3, 3.19 y 3.20, se obtiene, finalmente:
3.23
Esta ecuación es el producto iónico del agua expresado en lenguaje logarítmico.
De 3.23 se deduce que en el agua ultrapura: pH = pOH = 7. Cuando se hace referencia a un valor de pH, lo que se está expresando es una determinada concentración de protones. Decir que el pH = 7, es lo mismo que expresar, que la concentración de protones es igual a 1.0 x 10-7 Molar.