ቋቶች፦ ደካማ አሲድና ተጣማሪ ቤዙ pHን እንዴት እንደሚያረጋጉ

እያንዳንዳቸው አንድን ስጋት የሚያስወግዱ ሁለት አጋሮች

የአሴቲክ አሲድ፣ CH₃COOH፣ እና CH₃COO⁻ የሚያቀርብ የሶዲየም አሲቴት ቅይጥ ይውሰዱ። ጠንካራ አሲድ ከተጨመረ የአሲቴት አዮን ተጨማሪዎቹን ፕሮቶኖች ይቀበላል፦ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O። ጠንካራ ቤዝ ከተጨመረ ደግሞ አሴቲክ አሲዱ ያጠፋዋል (ገለልተኛ ያደርገዋል)፦ CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O።

ሁለቱም ምላሾች በመሠረቱ እስከ መጨረሻ ይካሄዳሉ፤ ስለዚህ የተጨመረው ጠንካራ አሲድ ወይም ቤዝ ወደ ተጨማሪ ደካማ አጋር ይቀየራል። የአሲድና የቤዝ ሬሾ ስለሚለወጥ pH አሁንም ይንቀሳቀሳል፤ ግን በጥቂቱ ብቻ። ደካማ አሲድ ብቻውን ያለበት መፍትሔ ይህን ማድረግ አይችልም፤ ምክንያቱም የተጨመረን አሲድ የሚቀበል ተጣማሪ ቤዝ ከሞላ ጎደል የለውም።

የተለመዱ የቋት ጥንዶች አሴቲክ አሲድና አሲቴት፣ አሞኒየምና አሞኒያ፣ ዳይሃይድሮጂን ፎስፌትና ሃይድሮጂን ፎስፌት፣ እንዲሁም ካርቦኒክ አሲድና ሃይድሮጂን ካርቦኔት ናቸው። OpenStax ክፍል 14.6 እንደሚገልጸው የመጨረሻው ጥንድ የሰውን ደም በpH 7.4 አካባቢ ለማቆየት ይረዳል።

ሄንደርሰን–ሃሰልባልክን ከKa መግለጫ ማውጣት

ከKa = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] ይጀምሩና ለሃይድሮኒየም ይፍቱ፦ [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]። pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) ለማግኘት የሁለቱንም ጎኖች −log ይውሰዱ። ይህ የሄንደርሰን–ሃሰልባልክ እኩልታ ነው።

በቋት ውስጥ HA እና A⁻ ሁለቱም በከፍተኛ መጠን ይገኛሉ፤ እያንዳንዳቸውም የሌላውን ከውሃ ጋር የሚሰጠውን ምላሽ ይገታሉ። ስለዚህ የሚዛን ክምችቶቻቸው ከቀላቀሏቸው መጠኖች ጋር ከሞላ ጎደል እኩል ናቸው። የተዘጋጁትን ክምችቶች ያለ ICE ሠንጠረዥ በቀጥታ በእኩልታው ውስጥ ማስገባት የሚችሉት ለዚህ ነው።

ሁለቱም አጋሮች በአንድ መጠን (ይዘት) ውስጥ ስለሚገኙ የክምችቶቹ ሬሾ ከሞሎቹ ሬሾ ጋር እኩል ነው። ሞሎችን በቀጥታ መጠቀም ይችላሉ፤ ይህም አሲድ ወይም ቤዝ ከተጨመረ በኋላ አንድ እርምጃ ይቆጥባል።

• [A⁻] = [HA] ሲሆን የlog ቃሉ ዜሮ ሲሆን pH = pKa ነው።
• በቤዝ–አሲድ ሬሾ ውስጥ ያለ እያንዳንዱ አሥር እጥፍ ጭማሪ pHን በአንድ አሃድ ያሳድጋል።
• ከአሲዱ የበለጠ ተጣማሪ ቤዝ ከpKa በላይ pH ይሰጣል፤ የበለጠ አሲድ ደግሞ ከእሱ በታች pH ይሰጣል።

የተሠራ ምሳሌ፦ የአሲቴት ቋት pH

አንድ ቋት 0.300 M CH₃COOH እና 0.250 M CH₃COONa ይዟል። አባሪ H Ka = 1.8 × 10⁻⁵ ይሰጣል፤ ስለዚህ pKa = 4.745። ከዚያም pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67።

ያልተጠጋጋውን pKa እስከ መጨረሻ ይያዙ። መጀመሪያ ወደ 4.74 ማጠጋጋት 4.66 ይሰጣል። ልዩነቱ ሁለት ጉልህ አሃዞች ባሉት Ka እርግጠኛ አለመሆን ውስጥ ነው፤ ነገር ግን በመጨረሻ አንድ ጊዜ ብቻ ማጠጋጋት መልሶችዎን ከመልስ ቁልፍ ጋር ወጥ ያደርጋቸዋል። ከቤዙ ትንሽ የበለጠ አሲድ ስላለ pH እንደሚጠበቀው ከpKa በጥቂቱ ያንሳል።

የተሠራ ምሳሌ፦ ጠንካራ አሲድ፣ ከዚያም ጠንካራ ቤዝ መጨመር

ከላይ ባለው ቋት 1.00 L ላይ 0.0200 mol HCl ይጨምሩ። መጀመሪያ የገለልተኛነት ምላሹን እንደ ስቶይኪዮሜትሪ እርምጃ ይሥሩ፦ H₃O⁺ 0.0200 mol አሲቴትን ወደ አሴቲክ አሲድ ይቀይራል። አሴቲክ አሲድ ከ0.300 ወደ 0.320 mol ይጨምራል፤ አሲቴት ደግሞ ከ0.250 ወደ 0.230 mol ይቀንሳል። ከዚያም pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60። pH ከ4.67 ወደ 4.60 ወረደ፤ ይህም ከአንድ አሃድ አንድ አሥረኛ ያነሰ ነው።

ያንኑ 0.0200 mol HCl በ1.00 L ንጹህ ውሃ ላይ መጨመር [H₃O⁺] = 0.0200 M እና pH 1.70 ይሰጥ ነበር፤ ይህም ከገለልተኛ ከአምስት አሃዶች በላይ መውረድ ነው።

አሁን በአዲስ 1.00 L የመጀመሪያው ቋት ላይ 0.0500 mol NaOH ይጨምሩ። ሃይድሮክሳይዱ 0.0500 mol አሴቲክ አሲድን ወደ አሲቴት ይቀይራል፤ 0.250 mol አሲድና 0.300 mol ቤዝ ይቀራሉ። pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82፤ ይህም ከ4.67 ከ0.2 ያነሰ ጭማሪ ነው። በንጹህ ውሃ ውስጥ ያው NaOH pH 12.70 ይሰጥ ነበር።

ይኸው አመክንዮ በከፊል ገለልተኛ በማድረግ ቋት እንዲያዘጋጁ ያስችልዎታል። 0.0400 mol አሴቲክ አሲድን ከ0.0150 mol NaOH ጋር መቀላቀል 0.0250 mol አሲድና 0.0150 mol አሲቴት ይተዋል፤ ስለዚህ የመጨረሻው መጠን (ይዘት) ምንም ቢሆን pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52።

ለታለመ pH ቋት መንደፍ

መጀመሪያ pKaው ከሚፈልጉት pH በአንድ አሃድ ውስጥ የሆነ ተጣማሪ ጥንድ ይምረጡ። ከዚያም ሬሾውን ለማግኘት ሄንደርሰን–ሃሰልባልክን በተገላቢጦሽ፣ ሬሾውን ወደ መጠኖች ለመቀየር ደግሞ ስቶይኪዮሜትሪን ይጠቀሙ።

የተሠራ ምሳሌ። ጠጣር አሞኒየም ክሎራይድ በመጨመር ከ500.0 mL የ0.200 M አሞኒያ የpH 9.50 ቋት ያዘጋጁ። የአሲዱ አጋር NH₄⁺ ነው። ከአባሪ I፣ Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵፤ ስለዚህ pKb = 4.745 እና pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255። የሚያስፈልገው ሬሾ [NH₃]/[NH₄⁺] = 10 በ(9.50 − 9.255) ኃይል የተነሳ = 1.76 ነው።

ብልቃጡ 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ ይይዛል፤ ስለዚህ 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ ያስፈልገዋል። M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol ሲሆን ይህ ወደ 3.0 g ገደማ አሞኒየም ክሎራይድ ነው፤ Kb ሁለት ጉልህ አሃዞች ስላሉት በሁለት ጉልህ አሃዞች ይገለጻል። በተግባር ከዚያ በኋላ pHን በተስተካከለ (ካሊብሬት በተደረገ) መለኪያ ፈትሸው ያስተካክላሉ።

የቋት አቅምና ጠቃሚው የpH ክልል

የቋት ክልል ቋቱ በደንብ የሚሠራበት የpH ስፋት ነው። የ10:1 ወይም የ1:10 ሬሾ ከpH = pKa ± 1 ጋር ይዛመዳል፤ ከዚያ ስፋት ውጭ አንዱ አጋር ተጨማሪ አሲድ ወይም ቤዝ ለመቀበል በጣም ጥቂት ነው። የአሲቴት ቋቶች ከpH 3.7 ገደማ እስከ 5.7፣ የአሞኒያ ቋቶች ደግሞ ከ8.3 ገደማ እስከ 10.3 ጠቃሚ ናቸው።

የቋት አቅም አንድ ቋት pHው በእጅጉ ከመለወጡ በፊት ሊቀበለው የሚችለው የአሲድ ወይም የቤዝ መጠን ነው። የሚወሰነው በሬሾአቸው ብቻ ሳይሆን ከእያንዳንዱ አጋር ምን ያህል እንደሚገኝ ነው። እያንዳንዳቸው 1.00 L የሆኑና እኩል አሲድና ቤዝ ያላቸውን ሁለት የአሲቴት ቋቶች ያወዳድሩ። ሁለቱም በpH = pKa = 4.74 ይጀምራሉ። ከእያንዳንዱ 0.100 M ሲኖር 0.00500 mol HCl መጨመር pHን በ0.04 ዝቅ አድርጎ 4.70 ያደርገዋል። ከእያንዳንዱ 0.0100 M ሲኖር ያው መጨመር በግማሽ አሃድ ገደማ ዝቅ አድርጎ 4.27 ያደርገዋል። ሬሾው ተመሳሳይ ነበር፤ የቀጠነው ቋት ግን አንድ አሥረኛ አቅም ብቻ ነበረው።

ቋት የሚያልቀው የተጨመረው አሲድ ወይም ቤዝ አንዱን አጋር ሙሉ በሙሉ ሲፈጀው ነው። ከዚያ በኋላ pH የሚወሰነው በትርፉ ጠንካራ አሲድ ወይም ቤዝ ሲሆን በከፍተኛ ሁኔታ ይለወጣል።

የቋት መልስን የሚያሳስቱ ስህተቶች

የቋት ችግሮች ሁለት ዓይነት አመክንዮዎችን ያጣምራሉ፦ ለገለልተኛነቱ ስቶይኪዮሜትሪ፣ ለpH ደግሞ ሚዛን። በዚያ ቅደም ተከተል ያቆዩዋቸው።

• ሬሾውን ተገልብጦ መጻፍ። ቤዝ በአሲድ ላይ ነው፦ log([A⁻]/[HA])።
• የገለልተኛነት እርምጃውን ከማከናወንዎ በፊት የተጨመረውን HCl ወይም NaOH በሄንደርሰን–ሃሰልባልክ እኩልታ ውስጥ ማስገባት።
• ለአሞኒያ ቋት በpKa ፈንታ pKbን መጠቀም። በ25 °C በpKa + pKb = 14.00 ይቀይሩ።
• አጋሮቹ በተለያዩ መጠኖች (ይዘቶች) ውስጥ ሲሆኑ ለአንዱ ሞሎችን፣ ለሌላው ክምችትን ማደባለቅ።
• የተጨመረው አሲድ ወይም ቤዝ ከአንዱ አጋር መጠን ካለፈ በኋላም ቋቱ አሁንም ይሠራል ብሎ መገመት።
• ደካማ አሲድን ብቻውን፣ ወይም ደካማ አሲድን ከጠንካራ አሲድ ጋር፣ እንደ ቋት መቁጠር።