Varför är vattnets jonprodukt konstant?

Vattnets jonprodukt (också kallad vattnets protolyskonstant) (K_w), är ju lika med [H₃O⁺] * [OH⁻] eftersom man kan ta bort [H₂O]² från denna jämvikts ekvation:

$\frac{[H_{3} O^{+}] * [O H^{-}]}{{[H_{2} O]}^{2}} = K$

Jag har letat runt och försökt förstå exakt varför man kan göra så, och hela tiden får jag en förklaring som är ungefär "Koncentrationen av vatten är i stort sett konstant i en vattenlösning". För mig är det väldigt svårt att acceptera att det helt enkelt "bara är så", så skulle någon snälla kunna försöka förklara för mig varför vattnets koncentration "i princip är konstant"?

Kemisk jämvikt är egentligen inte relaterat till koncentrationer utan ett begrepp som kallas för aktivitet:

https://sv.wikipedia.org/wiki/Aktivitet_(kemi)

Oftast tas inte aktivitet upp inom gymnasiekemin. Det är normalt sett inte problematiskt förutom när frågor likt den du har ställt här dyker upp. I korthet kan man likna aktivitet vid ett slags "effektiv koncentration". En lösning med en viss koncentration kan bete sig som om den hade en annan koncentration. Om en lösning med koncentrationen 1,0 mol/dm³ har aktiviteten 0,5 (aktivitet är enhetslöst) så betyder det ungefär att lösningen beter sig som om koncentrationen vore 0,5 mol/dm³. Det beror på att ämnena i en lösning kan interagera med varandra så att deras egenskaper förändras (vattenmolekyler kan t.ex. lägga sig runt joner så att deras laddning upplevs som mindre, och joner kan i sig attrahera/repellera varandra).

För utspädda lösningar kan aktiviteten för ett upplöst ämne approximeras med dess koncentration, vilket är vad man gör i gymnasiekemin utan att ge någon vidare bakgrund till det. Gasers aktivitet kallas ibland för fugacitet:

https://sv.wikipedia.org/wiki/Fugacitet

Det kan ofta approximeras med gasens partialtryck. Eftersom en gas partialtryck och koncentration är två sidor av samma mynt enligt ideala gaslagen (pV=nRT kan skrivas som c=n/V=p/RT) kan man räkna med gasens koncentration istället (om man använder en annan jämviktskonstant).

För gaser och lösta ämnen kan man alltså ofta ersätta aktiviteten med deras koncentrationer. Problemet dyker upp när det handlar om vätskor och fasta ämnen, där man säger att aktiviteten kan sättas till 1 om det handlar om ett rent ämne. För att ta reda på varför det blir så måste man studera definitionen av aktivitet:

$a_{A} = γ_{A} \frac{c_{A}}{{c_{A}}^{°}}$

Vad detta samband säger är att aktiviteten för ämne A kan beräknas som en aktivitetskoefficient multiplicerat med ämnets koncentration delat med ämnets koncentration vid standardtillstånd:

https://sv.wikipedia.org/wiki/Standardtillst%C3%A5nd

För rena eller nästan rena ämnen gäller att aktivitetskoefficienten ungefär är lika med 1. Frågan är då vad "koncentrationen av vatten i vatten" är? Vid rumstemperatur och normalt lufttryck är den ungefär 55 mol/dm³. Vad är då koncentrationen vid standardtillstånd? Ungefär lika hög, visar det sig. En vätska är ganska inkompressibel, dvs oavsett tryck ändras inte densiteten särskilt mycket. Densiteten ändras heller inte särskilt mycket med ändrad temperatur. Koncentrationen vid standardtillstånd blir då också ungefär 55 mol/dm³. Sätt in alla dessa värden i ekvationen så får du fram att vattens aktivitet är ungefär 1. Därför går vattnets koncentration, som egentligen är vattnets aktivitet, att förkorta bort i ekvationen du skrev.

Av samma anledning går aktiviteten för ett rent, fast ämne också att sätta till 1. Ett fast ämnes densitet är också ganska opåverkat av tryck och temperatur, till skillnad från exempelvis en gas.

Svara