Turşular, əsaslar və pH: proton ötürülməsi və loqarifmik şkala

Arrenius turşularından Brønsted–Lowry proton ötürülməsinə

Arrenius turşunu suda hidrogen ionları əmələ gətirən, əsası isə hidroksid ionları əmələ gətirən birləşmə kimi təyin etdi. Tərif xlorid turşusu və natrium hidroksid üçün işləyir, lakin tərkibində hidroksid olmayan ammonyak, NH₃, suyu niyə əsas xassəli edir, bunu izah edə bilmir.

Brønsted–Lowry tərifi diqqəti protona yönəldərək bunu düzəldir. Turşu proton donoru, əsas proton akseptorudur, buna görə hər turşu–əsas reaksiyası bir növdən digərinə proton ötürülməsidir. Ammonyak əsasdır, çünki sudan proton qəbul edir: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Çılpaq proton suda sərbəst mövcud deyil. O, su molekuluna bağlanaraq hidronium ionunu, H₃O⁺, əmələ gətirir. Kimyaçılar çox vaxt H⁺(aq) qısa yazılışından istifadə edir və pH hesablamalarında bu iki yazılış eyni mənanı verir.

Qoşa turşu–əsas cütlərinin tapılması

Turşu proton verdikdə qalan onun qoşa əsasıdır; əsas proton qəbul etdikdə onun qoşa turşusuna çevrilir. Qoşa cütün iki üzvü dəqiq bir H⁺ ilə fərqlənir. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) tənliyində cütlər HF/F⁻ və H₃O⁺/H₂O-dur.

Su HF reaksiyasında əsas, ammonyak reaksiyasında isə turşu kimi görünür. Proton verə də, qəbul edə də bilən növ amfiprotik adlanır. Hidrokarbonat, HCO₃⁻, başqa nümunədir: o, proton itirərək CO₃²⁻, proton qazanaraq H₂CO₃ ola bilər.

• Tənliyi yazın və soldan sağa keçərkən H⁺ itirən növü tapın. Bu, turşudur.
• H⁺ qazanan növü tapın. Bu, əsasdır.
• Hər reagenti ondan bir H⁺ ilə fərqlənən məhsulla cütləşdirin və yüklərin bir ilə fərqləndiyini yoxlayın.

Güclü və zəif dərəcəni təsvir edir, qatılığı yox

Güclü turşu suda mahiyyətcə tam ionlaşır, buna görə həll olunan hər turşu molekulu H₃O⁺ və qoşa əsasını verir. Ümumi güclü turşular HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ və H₂SO₄-dür (birinci protonuna görə). Ümumi güclü əsaslar 1-ci qrup metallarının, həmçinin kalsium, stronsium və bariumun hidroksidləridir. Zəif turşu yalnız qismən ionlaşır və molekulla onun ionları arasında tarazlıq qurulur.

Güc və qatılıq ayrı anlayışlardır. Güclü turşunun durulaşdırılmış məhlulunda zəif turşunun qatı məhlulundan daha az hidronium ionu ola bilər. Bərabər qatılıqda isə fərq böyükdür. 0.10 mol/L HCl məhlulunda [H₃O⁺] = 0.10 mol/L və pH 1.00-dır. Turşu ionlaşma sabiti Ka = 1.8 × 10⁻⁵ olan sirkə turşusu (OpenStax Əlavə H) 0.10 mol/L-də yalnız təxminən 1 faiz ionlaşıb və onun pH-ı təxminən 2.9-dur. Zəif turşu tarazlıq hesablamaları ayrı mövzudur; bu bələdçi yalnız müqayisədən istifadə edir.

Turşunun gücü ilə onun qoşa əsası əlaqəlidir. Cl⁻ və NO₃⁻ kimi güclü turşuların qoşa əsaslarının suda proton qəbul etmək meyli cüzidir.

Suyun ion hasili, pH və pOH

Təmiz suda da bir neçə ion var, çünki su molekulları bir-birinə proton ötürür: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Bu avtoionlaşma üçün tarazlıq sabiti 25 °C-də Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴-dür. Təmiz suda iki qatılıq bərabərdir, hər biri 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C-də istənilən sulu məhlulda birini bilsəniz, Kw-ni ona bölərək digərini tapa bilərsiniz.

Bu qatılıqlar çoxlu onluq qüvvəti əhatə etdiyindən kimyaçılar loqarifmlərdən istifadə edir: pH = −log[H₃O⁺] və pOH = −log[OH⁻]. Kw ifadəsinin mənfi loqarifmini götürmək 25 °C-də pH + pOH = 14.00 verir. Bir pH vahidinin dəyişməsi hidronium qatılığının on qat dəyişməsidir, buna görə pH 3 olan məhlulun [H₃O⁺]-ı pH 5 olan məhlulunkundan 100 dəfə çoxdur.

Neytral [H₃O⁺] = [OH⁻] deməkdir və bu, yalnız 25 °C-də pH 7.00-dır. Kw temperaturla artır; OpenStax 100 °C-də təxminən 5.6 × 10⁻¹³ verir, orada neytral suyun pH-ı 6.1 yaxınlığındadır. Loqarifmlər üçün pH-dakı onluq mərtəbələrin sayı qatılıqdakı əhəmiyyətli rəqəmlərin sayına bərabərdir.

Güclü turşular və güclü əsaslar üçün pH-ın hesablanması

Həll olunmuş nümunə 1. 4.6 × 10⁻³ mol/L nitrat turşusunun pH-ını tapın. HNO₃ güclüdür, buna görə [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Qatılığın iki əhəmiyyətli rəqəmi var, buna görə pH-ın iki onluq mərtəbəsi var. Onda [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, turşu məhlulda gözlənildiyi kimi çox kiçikdir.

Həll olunmuş nümunə 2. 0.350 g kalium hidroksid 750.0 mL məhlul hazırlamaq üçün həll edilir. İKYTB-nin (IUPAC) iki onluğa yuvarlaqlaşdırılmış standart atom kütlələrindən (K 39.10, O 16.00, H 1.01) istifadə etsək, M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol və [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080 və pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 ilə iki onluq mərtəbəyə məhdudlaşır.

Həll olunmuş nümunə 3. 3.60 × 10⁻³ mol/L stronsium hidroksidin pH-ını tapın. Sr(OH)₂ hər düstur vahidinə iki hidroksid ionu buraxır, buna görə [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 və pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 vuruğunu unutmaq pH-ı təxminən 0.30 çox aşağı verərdi.

Həll olunmuş nümunə 4. Məhlulun pH-ı 4.62-dir. Loqarifmi tərsinə çevirin: [H₃O⁺] = 10-un −4.62 qüvvəti = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH-dakı iki onluq mərtəbə qatılıqda iki əhəmiyyətli rəqəmə imkan verir. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38-dir, buna görə [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH işində loqarifm və stexiometriya səhvləri

pH səhvlərinin çoxu loqarifmdən və ya turşunun və ya əsasın düsturundan yaranır. Sürətli məntiqi yoxlama bir çoxunu tutur: 25 °C-də turşu məhlulların pH-ı 7-dən aşağı, əsas məhlulların isə 7-dən yuxarıdır və qatılığın hər on qat dəyişməsi pH-ı bir vahid dəyişir.

Çox durulaşdırılmış güclü turşularla ehtiyatlı olun. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl məhlulunun pH-ı 8 deyil, çünki bu, əsas məhlul olardı. Bu qədər aşağı qatılıqlarda suyun öz ionlaşmasından gələn hidronium ionları cüzi deyil və tam yanaşma neytraldan bir qədər aşağı, təxminən 6.98 pH verir.

• Mənfi işarəni buraxmaq: 1-dən kiçik ədədin −log-u müsbətdir. Adi durulaşdırılmış məhlulda mənfi pH işarə səhvini göstərir.
• Stexiometriyanı unutmaq: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ və Ba(OH)₂ hər düstur vahidinə iki OH⁻ buraxır.
• Əsas pOH verdikdə pH-dan istifadə etmək: əvvəlcə [OH⁻]-dən pOH-ı tapın, sonra çevirin.
• Zəif turşuya güclü kimi yanaşmaq: [H₃O⁺] yalnız güclü turşular üçün turşunun qatılığına bərabərdir.
• pH + pOH = 14.00 düsturunu 25 °C-dən çox uzaq temperaturlarda tətbiq etmək.