অ্যাসিড, ক্ষার ও pH: প্রোটন স্থানান্তর ও লগারিদমিক স্কেল

আরহেনিয়াস অ্যাসিড থেকে ব্রনস্টেড–লাউরি প্রোটন স্থানান্তরে

আরহেনিয়াস অ্যাসিডকে সংজ্ঞায়িত করেন এমন যৌগ হিসেবে যা পানিতে হাইড্রোজেন আয়ন উৎপন্ন করে এবং ক্ষারককে এমন হিসেবে যা হাইড্রক্সাইড আয়ন উৎপন্ন করে। সংজ্ঞাটি হাইড্রোক্লোরিক অ্যাসিড ও সোডিয়াম হাইড্রক্সাইডের জন্য কাজ করে, কিন্তু হাইড্রক্সাইডহীন অ্যামোনিয়া, NH₃, কেন পানিকে ক্ষারীয় করে তা ব্যাখ্যা করতে পারে না।

ব্রনস্টেড–লাউরি সংজ্ঞা প্রোটনের ওপর মনোযোগ দিয়ে এটি ঠিক করে। অ্যাসিড প্রোটন দাতা এবং ক্ষারক প্রোটন গ্রহীতা, তাই প্রতিটি অ্যাসিড–ক্ষারক বিক্রিয়া এক প্রজাতি থেকে অন্য প্রজাতিতে প্রোটন স্থানান্তর। অ্যামোনিয়া একটি ক্ষারক কারণ এটি পানি থেকে প্রোটন গ্রহণ করে: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)।

একটি খালি প্রোটন পানিতে মুক্ত থাকে না। এটি একটি পানির অণুর সঙ্গে যুক্ত হয়ে হাইড্রোনিয়াম আয়ন, H₃O⁺, গঠন করে। রসায়নবিদরা প্রায়ই সংক্ষেপে H⁺(aq) লেখেন, এবং pH হিসাবে দুটি লেখার একই অর্থ।

অনুবন্ধী অ্যাসিড–ক্ষারক জোড় নির্ণয়

অ্যাসিড প্রোটন দান করলে যা থাকে তা তার অনুবন্ধী ক্ষারক; ক্ষারক প্রোটন গ্রহণ করলে সে তার অনুবন্ধী অ্যাসিড হয়। অনুবন্ধী জোড়ের দুই সদস্য ঠিক একটি H⁺-এ ভিন্ন। HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq)-এ জোড় দুটি হলো HF/F⁻ এবং H₃O⁺/H₂O।

পানি HF বিক্রিয়ায় ক্ষারক হিসেবে এবং অ্যামোনিয়া বিক্রিয়ায় অ্যাসিড হিসেবে আসে। যে প্রজাতি প্রোটন দান বা গ্রহণ দুটিই করতে পারে তাকে উভধর্মী বলা হয়। হাইড্রোজেন কার্বনেট, HCO₃⁻, আরেকটি উদাহরণ: এটি প্রোটন হারিয়ে CO₃²⁻ হতে পারে অথবা একটি পেয়ে H₂CO₃ হতে পারে।

• সমীকরণ লিখুন এবং বাম থেকে ডানে যাওয়ার সময় যে প্রজাতি একটি H⁺ হারায় তা খুঁজুন। সেটিই অ্যাসিড।
• যে প্রজাতি একটি H⁺ পায় তা খুঁজুন। সেটিই ক্ষারক।
• প্রতিটি বিক্রিয়ককে সেই উৎপাদের সঙ্গে জোড়া দিন যা তার থেকে একটি H⁺-এ ভিন্ন, এবং যাচাই করুন চার্জ একটি এককে ভিন্ন।

তীব্র ও দুর্বল বোঝায় মাত্রা, ঘনমাত্রা নয়

তীব্র অ্যাসিড পানিতে প্রায় সম্পূর্ণ আয়নিত হয়, তাই দ্রবীভূত প্রতিটি অ্যাসিড অণু H₃O⁺ ও তার অনুবন্ধী ক্ষারক দেয়। প্রচলিত তীব্র অ্যাসিড হলো HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ এবং H₂SO₄ (এর প্রথম প্রোটনের জন্য)। প্রচলিত তীব্র ক্ষার হলো গ্রুপ 1-এর ধাতু এবং ক্যালসিয়াম, স্ট্রনশিয়াম ও বেরিয়ামের হাইড্রক্সাইড। দুর্বল অ্যাসিড কেবল আংশিক আয়নিত হয় এবং অণু ও তার আয়নগুলোর মধ্যে সাম্য স্থাপিত হয়।

তীব্রতা ও ঘনমাত্রা আলাদা ধারণা। তীব্র অ্যাসিডের লঘু দ্রবণে দুর্বল অ্যাসিডের গাঢ় দ্রবণের চেয়ে কম হাইড্রোনিয়াম আয়ন থাকতে পারে। সমান ঘনমাত্রায় অবশ্য পার্থক্য বড়। 0.10 mol/L HCl দ্রবণে [H₃O⁺] = 0.10 mol/L এবং pH 1.00। অ্যাসিটিক অ্যাসিড, অ্যাসিড আয়নন ধ্রুবক Ka = 1.8 × 10⁻⁵ সহ (OpenStax পরিশিষ্ট H), 0.10 mol/L-এ মাত্র প্রায় 1 শতাংশ আয়নিত হয়, এবং এর pH প্রায় 2.9। দুর্বল অ্যাসিডের সাম্য হিসাব একটি আলাদা বিষয়; এই গাইড কেবল তুলনাটি ব্যবহার করে।

অ্যাসিডের তীব্রতা ও তার অনুবন্ধী ক্ষারক যুক্ত। Cl⁻ ও NO₃⁻-এর মতো তীব্র অ্যাসিডের অনুবন্ধী ক্ষারক পানিতে প্রোটন গ্রহণের নগণ্য প্রবণতা রাখে।

পানির আয়ন গুণফল, pH ও pOH

বিশুদ্ধ পানিতেও কিছু আয়ন থাকে, কারণ পানির অণুগুলো একে অপরকে প্রোটন স্থানান্তর করে: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq)। এই স্বতঃআয়ননের সাম্য ধ্রুবক Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 25 °C-এ 1.0 × 10⁻¹⁴। বিশুদ্ধ পানিতে দুটি ঘনমাত্রা সমান, প্রতিটি 1.0 × 10⁻⁷ mol/L। 25 °C-এ যেকোনো জলীয় দ্রবণে একটি ঘনমাত্রা জানলে Kw-কে তা দিয়ে ভাগ করে অন্যটি পাওয়া যায়।

এই ঘনমাত্রাগুলো দশের অনেক ঘাত জুড়ে থাকে বলে রসায়নবিদরা লগারিদম ব্যবহার করেন: pH = −log[H₃O⁺] এবং pOH = −log[OH⁻]। Kw রাশিমালার ঋণাত্মক লগারিদম নিলে 25 °C-এ pH + pOH = 14.00 পাওয়া যায়। এক pH একক পরিবর্তন হাইড্রোনিয়াম ঘনমাত্রার দশগুণ পরিবর্তন, তাই pH 3-এর দ্রবণে pH 5-এর দ্রবণের চেয়ে [H₃O⁺] 100 গুণ।

নিরপেক্ষ মানে [H₃O⁺] = [OH⁻], যা কেবল 25 °C-এ pH 7.00। Kw তাপমাত্রার সঙ্গে বাড়ে; OpenStax 100 °C-এ প্রায় 5.6 × 10⁻¹³ দেয়, যেখানে নিরপেক্ষ পানির pH প্রায় 6.1। লগারিদমের জন্য pH-এর দশমিক স্থানের সংখ্যা ঘনমাত্রার সার্থক অঙ্কের সংখ্যার সমান।

তীব্র অ্যাসিড ও তীব্র ক্ষারের pH হিসাব

সমাধান করা উদাহরণ 1। 4.6 × 10⁻³ mol/L নাইট্রিক অ্যাসিডের pH বের করুন। HNO₃ তীব্র, তাই [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L। pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34। ঘনমাত্রায় দুটি সার্থক অঙ্ক আছে, তাই pH-এ দুটি দশমিক স্থান। তারপর [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, অ্যাসিডীয় দ্রবণে যেমন প্রত্যাশিত তেমন ক্ষুদ্র।

সমাধান করা উদাহরণ 2। 0.350 g পটাসিয়াম হাইড্রক্সাইড গুলে 750.0 mL দ্রবণ তৈরি করা হলো। দুই দশমিক স্থানে রাউন্ড করা IUPAC আদর্শ পারমাণবিক ভর (K 39.10, O 16.00, H 1.01) ব্যবহার করে M(KOH) = 56.11 g/mol। n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, এবং [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L। pOH = 2.080, এবং pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 দ্বারা দুই দশমিক স্থানে সীমিত।

সমাধান করা উদাহরণ 3। 3.60 × 10⁻³ mol/L স্ট্রনশিয়াম হাইড্রক্সাইডের pH বের করুন। Sr(OH)₂ প্রতি ফর্মুলা ইউনিটে দুটি হাইড্রক্সাইড আয়ন মুক্ত করে, তাই [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L। pOH = 2.143 এবং pH = 14.00 − 2.143 = 11.86। 2 গুণকটি ভুলে গেলে pH প্রায় 0.30 কম আসত।

সমাধান করা উদাহরণ 4। একটি দ্রবণের pH 4.62। লগারিদম উল্টান: [H₃O⁺] = 10-এর ঘাত −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L। pH-এর দুটি দশমিক স্থান ঘনমাত্রায় দুটি সার্থক অঙ্কের অনুমতি দেয়। pOH হলো 14.00 − 4.62 = 9.38, তাই [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L।

pH-এর কাজে লগারিদম ও স্টয়কিওমেট্রির ভুল

বেশিরভাগ pH ভুল আসে লগারিদম থেকে অথবা অ্যাসিড বা ক্ষারের সংকেত থেকে। একটি দ্রুত যুক্তিসংগততা যাচাই অনেকগুলো ধরে ফেলে: 25 °C-এ অ্যাসিডীয় দ্রবণের pH 7-এর নিচে, ক্ষারীয়গুলোর 7-এর ওপরে, এবং ঘনমাত্রার প্রতিটি দশ গুণ পরিবর্তন pH এক একক সরায়।

খুব লঘু তীব্র অ্যাসিডে সতর্ক থাকুন। 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl দ্রবণের pH 8 নয়, যা ক্ষারীয় হতো। এত কম ঘনমাত্রায় পানির নিজস্ব আয়নন থেকে আসা হাইড্রোনিয়াম আয়ন নগণ্য নয়, এবং পূর্ণ আলোচনা প্রায় 6.98 pH দেয়, নিরপেক্ষের ঠিক নিচে।

• ঋণাত্মক চিহ্ন বাদ দেওয়া: 1-এর কম সংখ্যার −log ধনাত্মক। সাধারণ লঘু দ্রবণের জন্য ঋণাত্মক pH চিহ্নের ভুলের সংকেত।
• স্টয়কিওমেট্রি ভুলে যাওয়া: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ ও Ba(OH)₂ প্রতিটি ফর্মুলা ইউনিটে দুটি করে OH⁻ মুক্ত করে।
• ক্ষার pOH দিলে pH ব্যবহার করা: আগে [OH⁻] থেকে pOH বের করুন, তারপর রূপান্তর করুন।
• দুর্বল অ্যাসিডকে তীব্র ধরা: [H₃O⁺] অ্যাসিডের ঘনমাত্রার সমান কেবল তীব্র অ্যাসিডের জন্য।
• 25 °C থেকে অনেক দূরের তাপমাত্রায় pH + pOH = 14.00 প্রয়োগ করা।