Mga Acid, Base ug pH: Proton Transfer ug ang Logarithmic nga Eskala

Gikan sa Arrhenius nga mga acid ngadto sa Brønsted–Lowry proton transfer

Gipasabot ni Arrhenius ang acid isip compound nga naghimo og hydrogen ion sa tubig ug ang base isip naghimo og hydroxide ion. Ang kahulugan molihok alang sa hydrochloric acid ug sodium hydroxide, apan dili kini makapatin-aw kung nganong ang ammonia, NH₃, nga walay hydroxide, naghimo sa tubig nga basic.

Gitul-id kini sa Brønsted–Lowry nga kahulugan pinaagi sa pag-focus sa proton. Ang acid usa ka proton donor ug ang base usa ka proton acceptor, busa ang matag acid–base nga reaksyon usa ka proton transfer gikan sa usa ka species ngadto sa lain. Ang ammonia usa ka base tungod kay modawat kini og proton gikan sa tubig: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Ang hubo nga proton wala maglungtad nga gawas sa tubig. Moabot kini sa water molecule aron maporma ang hydronium ion, H₃O⁺. Ang mga chemist kasagarang nagsulat sa H⁺(aq) isip mubo nga paagi, ug ang duha ka notasyon parehas ang kahulugan sa mga kalkulasyon sa pH.

Pagpangita sa conjugate acid–base pair

Kung ang acid mohatag og proton, ang nahabilin mao ang conjugate base niini; kung ang base modawat og proton, mahimo kining conjugate acid niini. Ang duha ka miyembro sa conjugate pair magkalahi sa eksakto nga usa ka H⁺. Sa HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq), ang mga pair mao ang HF/F⁻ ug H₃O⁺/H₂O.

Ang tubig makita isip base sa reaksyon sa HF ug isip acid sa reaksyon sa ammonia. Ang species nga makahatag o makadawat og proton gitawag og amphiprotic. Ang hydrogen carbonate, HCO₃⁻, lain nga ehemplo: mahimo kining mawad-an og proton aron mahimong CO₃²⁻ o makakuha og usa aron mahimong H₂CO₃.

• Isulat ang equation ug pangitaa ang species nga mawad-an og H⁺ gikan sa wala paingon sa tuo. Kana ang acid.
• Pangitaa ang species nga makakuha og H⁺. Kana ang base.
• Parehasa ang matag reactant sa produkto nga lahi niini og usa ka H⁺, ug susiha nga ang mga charge magkalahi og usa.

Ang lig-on ug huyang naghulagway sa gidak-on, dili sa konsentrasyon

Ang lig-on nga acid halos hingpit nga mag-ionize sa tubig, busa ang matag acid molecule nga natunaw naghatag og H₃O⁺ ug conjugate base niini. Ang kasagarang lig-on nga acid mao ang HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ ug H₂SO₄ (alang sa unang proton niini). Ang kasagarang lig-on nga base mao ang mga hydroxide sa group 1 nga metal ug sa calcium, strontium ug barium. Ang huyang nga acid bahin lang ang pag-ionize, ug natukod ang equilibrium tali sa molecule ug mga ion niini.

Ang kalig-on ug konsentrasyon managlahi nga mga ideya. Ang dilute nga solusyon sa lig-on nga acid mahimong adunay mas gamay nga hydronium ion kaysa sa kasikit nga solusyon sa huyang. Sa patas nga konsentrasyon, bisan pa, dako ang kalainan. Ang 0.10 mol/L nga HCl nga solusyon adunay [H₃O⁺] = 0.10 mol/L ug pH 1.00. Ang acetic acid, nga adunay acid ionization constant nga Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax Appendix H), mga 1 porsyento lang ang na-ionize sa 0.10 mol/L, ug ang pH niini mga 2.9. Ang kalkulasyon sa equilibrium sa huyang nga acid lahi nga hilisgutan; gigamit lang niining giya ang pagtandi.

Ang kalig-on sa acid ug sa conjugate base niini nagkadugtong. Ang conjugate base sa lig-on nga mga acid, sama sa Cl⁻ ug NO₃⁻, adunay dili-hinungdanon nga hilig sa pagdawat og proton sa tubig.

Ion product sa tubig, pH ug pOH

Bisan ang putli nga tubig adunay pipila ka ion, tungod kay ang water molecule nagbalhin og proton sa usag usa: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Ang equilibrium constant alang niini nga autoionization mao ang Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ sa 25 °C. Sa putli nga tubig ang duha ka konsentrasyon patas, 1.0 × 10⁻⁷ mol/L matag usa. Sa bisan unsang aqueous nga solusyon sa 25 °C, kung nahibaloan nimo ang usa ka konsentrasyon makit-an nimo ang lain pinaagi sa pagbahin sa Kw niini.

Tungod kay kini nga mga konsentrasyon naglakip sa daghang gahum sa napulo, ang mga chemist naggamit og logarithm: pH = −log[H₃O⁺] ug pOH = −log[OH⁻]. Ang pagkuha sa negatibo nga logarithm sa Kw nga ekspresyon naghatag sa pH + pOH = 14.00 sa 25 °C. Ang kausaban nga usa ka pH nga yunit mao ang napulo ka pilo nga kausaban sa konsentrasyon sa hydronium, busa ang solusyon sa pH 3 adunay 100 ka pilo sa [H₃O⁺] sa usa sa pH 5.

Ang neutral nagpasabot nga [H₃O⁺] = [OH⁻], nga pH 7.00 lamang sa 25 °C. Ang Kw motaas uban sa temperatura; ang OpenStax naghatag og mga 5.6 × 10⁻¹³ sa 100 °C, diin ang neutral nga tubig adunay pH nga duol sa 6.1. Alang sa mga logarithm, ang gidaghanon sa decimal place sa pH katumbas sa gidaghanon sa mahinungdanong mga digit sa konsentrasyon.

Pagkalkulo sa pH alang sa lig-on nga mga acid ug lig-on nga mga base

Nasulbad nga ehemplo 1. Pangitaa ang pH sa 4.6 × 10⁻³ mol/L nga nitric acid. Ang HNO₃ lig-on, busa [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Ang konsentrasyon adunay duha ka mahinungdanong digit, busa ang pH adunay duha ka decimal place. Dayon [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, gamay kaayo sama sa gipaabot sa acidic nga solusyon.

Nasulbad nga ehemplo 2. Ang 0.350 g sa potassium hydroxide gitunaw aron maghimo og 750.0 mL nga solusyon. Gamit ang IUPAC standard atomic weights nga gi-round sa duha ka decimal (K 39.10, O 16.00, H 1.01), M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, ug [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, ug pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, gilimitahan sa duha ka decimal place sa 14.00.

Nasulbad nga ehemplo 3. Pangitaa ang pH sa 3.60 × 10⁻³ mol/L nga strontium hydroxide. Ang Sr(OH)₂ nagpagawas og duha ka hydroxide ion matag formula unit, busa [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 ug pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. Ang paglimot sa factor nga 2 maghatag og pH nga mga 0.30 nga sobra ka ubos.

Nasulbad nga ehemplo 4. Ang solusyon adunay pH 4.62. Baliskara ang logarithm: [H₃O⁺] = 10 gipataas sa gahum nga −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. Ang duha ka decimal place sa pH nagtugot og duha ka mahinungdanong digit sa konsentrasyon. Ang pOH 14.00 − 4.62 = 9.38, busa [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

Mga sayop sa logarithm ug stoichiometry sa buhat sa pH

Kadaghanan sa mga sayop sa pH naggikan sa logarithm o sa pormula sa acid o base. Ang dali nga sanity check makakuha sa daghan niini: ang acidic nga mga solusyon sa 25 °C adunay pH nga ubos sa 7, ang basic sa ibabaw sa 7, ug ang matag factor nga napulo sa konsentrasyon mobalhin sa pH og usa ka yunit.

Pag-amping sa dilute kaayo nga lig-on nga mga acid. Ang 1.0 × 10⁻⁸ mol/L nga HCl nga solusyon walay pH 8, nga basic unta. Sa ingon ka ubos nga mga konsentrasyon, ang hydronium ion gikan sa kaugalingong ionization sa tubig dili hinungdanon nga wagtangon, ug ang hingpit nga pagtratar naghatag og pH nga mga 6.98, ubos lang sa neutral.

• Pagwagtang sa minus nga timaan: ang −log sa numero nga ubos sa 1 positibo. Ang negatibo nga pH gikan sa ordinaryong dilute nga solusyon nagsenyas og sayop sa timaan.
• Pagkalimot sa stoichiometry: ang Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ ug Ba(OH)₂ matag usa nagpagawas og duha ka OH⁻ matag formula unit.
• Paggamit sa pH kung ang base naghatag sa pOH: pangitaa una ang pOH gikan sa [OH⁻], dayon i-convert.
• Pagtratar sa huyang nga acid isip lig-on: ang [H₃O⁺] katumbas sa konsentrasyon sa acid alang lamang sa lig-on nga mga acid.
• Pagpadapat sa pH + pOH = 14.00 sa mga temperatura nga layo sa 25 °C.