አሲዶች፣ ቤዞችና pH፦ የፕሮቶን ዝውውርና የሎጋሪዝም መለኪያ

ከአርሄኒየስ አሲዶች ወደ ብሮንስተድ–ሎውሪ የፕሮቶን ዝውውር

አርሄኒየስ አሲድን በውሃ ውስጥ ሃይድሮጂን አዮኖችን የሚያመርት ውህድ፣ ቤዝን ደግሞ ሃይድሮክሳይድ አዮኖችን የሚያመርት አድርጎ ተርጉሟል። ትርጓሜው ለሃይድሮክሎሪክ አሲድና ለሶዲየም ሃይድሮክሳይድ ይሠራል፤ ነገር ግን ሃይድሮክሳይድ የሌለው አሞኒያ NH₃ ውሃን ቤዛማ ለምን እንደሚያደርግ ሊያብራራ አይችልም።

የብሮንስተድ–ሎውሪ ትርጓሜ በፕሮቶን ላይ በማተኮር ይህንን ያስተካክላል። አሲድ ፕሮቶን ለጋሽ ሲሆን ቤዝ ፕሮቶን ተቀባይ ነው፤ ስለዚህ እያንዳንዱ የአሲድ–ቤዝ ምላሽ ከአንድ ንጥረ ነገር ወደ ሌላ የፕሮቶን ዝውውር ነው። አሞኒያ ከውሃ ፕሮቶን ስለሚቀበል ቤዝ ነው፦ NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)።

ባዶ ፕሮቶን በውሃ ውስጥ ነፃ ሆኖ አይኖርም። ከውሃ ሞለኪውል ጋር ተሳስሮ ሃይድሮኒየም አዮን H₃O⁺ ይፈጥራል። ኬሚስቶች ብዙውን ጊዜ H⁺(aq) ብለው በአጭሩ ይጽፋሉ፤ ሁለቱ ምልክቶች በpH ስሌቶች ውስጥ አንድ ነገር ማለት ናቸው።

ተጣማሪ አሲድ–ቤዝ ጥንዶችን ማግኘት

አሲድ ፕሮቶን ሲሰጥ የሚቀረው ተጣማሪ ቤዙ ነው፤ ቤዝ ፕሮቶን ሲቀበል ተጣማሪ አሲዱ ይሆናል። የተጣማሪ ጥንድ ሁለት አባላት በትክክል በአንድ H⁺ ይለያያሉ። በHF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) ጥንዶቹ HF/F⁻ እና H₃O⁺/H₂O ናቸው።

ውሃ በHF ምላሽ እንደ ቤዝ በአሞኒያ ምላሽ ደግሞ እንደ አሲድ ይታያል። ፕሮቶን ሊሰጥም ሊቀበልም የሚችል ንጥረ ነገር አምፊፕሮቲክ ይባላል። ሃይድሮጂን ካርቦኔት HCO₃⁻ ሌላ ምሳሌ ነው፦ ፕሮቶን አጥቶ CO₃²⁻ ሊሆን ወይም አንድ አግኝቶ H₂CO₃ ሊሆን ይችላል።

• እኩልታውን ይጻፉና ከግራ ወደ ቀኝ ሲሄድ H⁺ የሚያጣውን ንጥረ ነገር ያግኙ። ያ አሲዱ ነው።
• H⁺ የሚያገኘውን ንጥረ ነገር ያግኙ። ያ ቤዙ ነው።
• እያንዳንዱን ምላሽ ሰጪ በአንድ H⁺ ከሚለየው ምርት ጋር ያጣምሩ፤ ክፍያዎቹ በአንድ እንደሚለያዩም ያረጋግጡ።

ጠንካራና ደካማ መጠንን ሳይሆን ስፋትን ይገልጻሉ

ጠንካራ አሲድ በውሃ ውስጥ በመሠረቱ ሙሉ በሙሉ ይዮናይዝ ይሆናል፤ ስለዚህ የሚሟሟው እያንዳንዱ የአሲድ ሞለኪውል H₃O⁺ እና ተጣማሪ ቤዙን ይሰጣል። የተለመዱት ጠንካራ አሲዶች HCl፣ HBr፣ HI፣ HNO₃፣ HClO₄ እና H₂SO₄ (ለመጀመሪያው ፕሮቶኑ) ናቸው። የተለመዱት ጠንካራ ቤዞች የቡድን 1 ብረቶችና የካልሲየም፣ የስትሮንቲየምና የባሪየም ሃይድሮክሳይዶች ናቸው። ደካማ አሲድ በከፊል ብቻ ይዮናይዝ ይሆናል፤ በሞለኪውሉና በአዮኖቹ መካከል ሚዛን ይመሠረታል።

ጥንካሬና ክምችት የተለያዩ ሃሳቦች ናቸው። የጠንካራ አሲድ የቀጠነ መፍትሔ ከደካማ የተከማቸ መፍትሔ ያነሰ ሃይድሮኒየም አዮኖች ሊኖረው ይችላል። በእኩል ክምችት ግን ልዩነቱ ትልቅ ነው። 0.10 mol/L HCl መፍትሔ [H₃O⁺] = 0.10 mol/L እና pH 1.00 አለው። አሴቲክ አሲድ፣ የአሲድ አዮናይዜሽን ቋሚ Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax አባሪ H)፣ በ0.10 mol/L ወደ 1 በመቶ ብቻ ይዮናይዝ ይሆናል፤ pHውም ወደ 2.9 ነው። የደካማ-አሲድ የሚዛን ስሌቶች የተለየ ርዕስ ናቸው፤ ይህ መመሪያ ንጽጽሩን ብቻ ይጠቀማል።

የአሲድና የተጣማሪ ቤዙ ጥንካሬ የተሳሰሩ ናቸው። የጠንካራ አሲዶች ተጣማሪ ቤዞች፣ እንደ Cl⁻ እና NO₃⁻፣ በውሃ ውስጥ ፕሮቶን የመቀበል ዝንባሌ ቸል የሚባል ነው።

የውሃ አዮን ብዜት፣ pH እና pOH

ንጹህ ውሃ እንኳን ጥቂት አዮኖችን ይዟል፤ ምክንያቱም የውሃ ሞለኪውሎች እርስ በርስ ፕሮቶን ያስተላልፋሉ፦ 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq)። ለዚህ ራስ-አዮናይዜሽን የሚዛን ቋሚ Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ በ25 °C ነው። በንጹህ ውሃ ሁለቱ ክምችቶች እኩል ናቸው፣ እያንዳንዳቸው 1.0 × 10⁻⁷ mol/L። በ25 °C በማንኛውም የውሃ ውስጥ መፍትሔ አንዱን ክምችት ካወቁ Kwን በእሱ በማካፈል ሌላውን ማግኘት ይችላሉ።

እነዚህ ክምችቶች ብዙ የአሥር ኃይሎችን ስለሚሸፍኑ ኬሚስቶች ሎጋሪዝም ይጠቀማሉ፦ pH = −log[H₃O⁺] እና pOH = −log[OH⁻]። የKw መግለጫን አሉታዊ ሎጋሪዝም መውሰድ በ25 °C pH + pOH = 14.00 ይሰጣል። የአንድ pH አሃድ ለውጥ የሃይድሮኒየም ክምችት አሥር እጥፍ ለውጥ ነው፤ ስለዚህ pH 3 ያለ መፍትሔ ከpH 5 ካለው 100 እጥፍ [H₃O⁺] አለው።

ገለልተኛ ማለት [H₃O⁺] = [OH⁻] ማለት ነው፤ ይህም በ25 °C ብቻ pH 7.00 ነው። Kw ከሙቀት ጋር ይጨምራል፤ OpenStax በ100 °C ወደ 5.6 × 10⁻¹³ ይሰጣል፤ እዚያ ገለልተኛ ውሃ ወደ 6.1 pH አለው። ለሎጋሪዝሞች በpH ውስጥ ያሉት የአስርዮሽ ቦታዎች ብዛት በክምችቱ ውስጥ ካሉ ጉልህ አሃዞች ብዛት ጋር እኩል ነው።

ለጠንካራ አሲዶችና ለጠንካራ ቤዞች pH ማስላት

የተሠራ ምሳሌ 1። የ4.6 × 10⁻³ mol/L ናይትሪክ አሲድ pHን ያግኙ። HNO₃ ጠንካራ ነው፤ ስለዚህ [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L። pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34። ክምችቱ ሁለት ጉልህ አሃዞች አሉት፤ ስለዚህ pHው ሁለት የአስርዮሽ ቦታዎች አሉት። ከዚያ [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L፣ በአሲዳማ መፍትሔ እንደሚጠበቀው እጅግ ትንሽ።

የተሠራ ምሳሌ 2። 0.350 g ፖታሲየም ሃይድሮክሳይድ 750.0 mL መፍትሔ ለመሥራት ይሟሟል። ወደ ሁለት አስርዮሽ የተጠጋጉ የIUPAC መደበኛ የአቶም ክብደቶችን (K 39.10፣ O 16.00፣ H 1.01) ሲጠቀሙ M(KOH) = 56.11 g/mol። n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol፣ እና [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L። pOH = 2.080፣ እና pH = 14.00 − 2.080 = 11.92፣ በ14.00 ወደ ሁለት የአስርዮሽ ቦታዎች የተገደበ።

የተሠራ ምሳሌ 3። የ3.60 × 10⁻³ mol/L ስትሮንቲየም ሃይድሮክሳይድ pHን ያግኙ። Sr(OH)₂ በአንድ የቀመር አሃድ ሁለት ሃይድሮክሳይድ አዮኖችን ይለቃል፤ ስለዚህ [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L። pOH = 2.143 እና pH = 14.00 − 2.143 = 11.86። የ2 ብዜትን መርሳት pHን በ0.30 ገደማ ዝቅተኛ ያደርግ ነበር።

የተሠራ ምሳሌ 4። አንድ መፍትሔ pH 4.62 አለው። ሎጋሪዝሙን ይገልብጡ፦ [H₃O⁺] = 10 ወደ −4.62 ኃይል = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L። በpH ውስጥ ያሉት ሁለት የአስርዮሽ ቦታዎች በክምችቱ ሁለት ጉልህ አሃዞችን ይፈቅዳሉ። pOH 14.00 − 4.62 = 9.38 ነው፤ ስለዚህ [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L።

በpH ሥራ ውስጥ የሎጋሪዝምና የስቶይኪዮሜትሪ ስህተቶች

አብዛኞቹ የpH ስህተቶች የሚመጡት ከሎጋሪዝሙ ወይም ከአሲዱ ወይም ከቤዙ ቀመር ነው። ፈጣን የምክንያታዊነት ፍተሻ ብዙዎቹን ይይዛል፦ በ25 °C አሲዳማ መፍትሔዎች ከ7 በታች pH አላቸው፣ ቤዛማዎቹ ከ7 በላይ፣ እያንዳንዱ የክምችት አሥር እጥፍም pHን በአንድ አሃድ ያንቀሳቅሳል።

በጣም ከቀጠኑ ጠንካራ አሲዶች ጋር ይጠንቀቁ። 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl መፍትሔ pH 8 የለውም፤ ይህም ቤዛማ ይሆናል። በእንዲህ ያለ ዝቅተኛ ክምችት ከውሃው የራሱ አዮናይዜሽን የሚመጡ ሃይድሮኒየም አዮኖች ቸል ሊባሉ አይችሉም፤ ሙሉ አያያዝ ወደ 6.98 pH ይሰጣል፤ ከገለልተኛ ትንሽ በታች።

• የመቀነስ ምልክቱን መጣል፦ ከ1 በታች ያለ ቁጥር −log አዎንታዊ ነው። ከተራ የቀጠነ መፍትሔ አሉታዊ pH የምልክት ስህተትን ያመለክታል።
• ስቶይኪዮሜትሪን መርሳት፦ Ca(OH)₂፣ Sr(OH)₂ እና Ba(OH)₂ እያንዳንዳቸው በአንድ የቀመር አሃድ ሁለት OH⁻ ይለቃሉ።
• ቤዙ pOH ሲሰጥ pH መጠቀም፦ መጀመሪያ ከ[OH⁻] pOHን ያግኙ፤ ከዚያ ይለውጡ።
• ደካማ አሲድን እንደ ጠንካራ መውሰድ፦ [H₃O⁺] ከአሲዱ ክምችት ጋር እኩል የሚሆነው ለጠንካራ አሲዶች ብቻ ነው።
• pH + pOH = 14.00ን ከ25 °C እጅግ በራቁ ሙቀቶች መተግበር።