Mahihinang Acid at Base: Mula Ka at Kb Hanggang pH

Pagbasa sa Ka, Kb, at sa mga p-scale nila

Para sa mahinang acid na HA, ang ionization na HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) ay may constant na Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]. Ang tubig ang solvent at hindi isinasama. Ang mas malaking Ka ay nangangahulugang mas malakas na acid. Para sa mahinang base na B, ang reaksyong B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) ay may Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B].

Dahil sumasaklaw ang mga constant na ito sa maraming power ng sampu, madalas silang iulat bilang pKa = −log Ka at pKb = −log Kb. Pabaligtad ang scale: ang mas maliit na pKa ay nangangahulugang mas malakas na acid. Ibinibigay ng Appendix H ang Ka = 1.8 × 10⁻⁵ para sa acetic acid (pKa 4.74), 6.4 × 10⁻⁴ para sa hydrofluoric acid (pKa 3.19) at 4.9 × 10⁻¹⁰ para sa hydrocyanic acid (pKa 9.31). Ang Ka ng HF ay mga isang milyong beses na mas malaki kaysa sa Ka ng HCN, kahit parehong tinatawag na mahina ang dalawa.

Halimbawang may solusyon: pH ng mahinang acid gamit ang shortcut na maliit ang x

Hanapin ang pH ng 0.200 M na acetic acid, CH₃COOH. Hayaang ang x ang dami na nag-iionize. Sa equilibrium, [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x at [CH₃COOH] = 0.200 − x. Bale-wala ang sariling ambag ng tubig sa H₃O⁺ (10⁻⁷ M) kumpara sa ambag ng acid.

Isulat ang 1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x). Dahil maliit ang Ka, ipagpalagay na mas maliit nang husto ang x kaysa sa 0.200 at alisin ito sa denominator. Kung gayon, x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ at x = 1.9 × 10⁻³ M. Pagsusuri: ang 1.9 × 10⁻³ / 0.200 ay bahagyang mas mababa sa 1 porsyento, malayo sa ilalim ng 5 porsyentong limitasyon, kaya may bisa ang shortcut. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, na iniulat sa dalawang decimal place dahil may dalawang mahalagang digit ang Ka.

Ihambing iyan sa malakas na acid sa parehong konsentrasyon, na magbibigay ng pH 0.70. Mga isang-sandaan ng konsentrasyon ng hydronium ang mayroon ang mahinang acid.

Halimbawang may solusyon: kapag pumalya ang shortcut at kailangan mo ang quadratic

Hanapin ang pH ng 0.0500 M na nitrous acid, HNO₂, na may Ka = 4.6 × 10⁻⁴ mula sa Appendix H. Ibinibigay ng shortcut ang x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M, na 9.6 porsyento ng 0.0500. Bigo iyan sa 5 porsyentong pagsusuri, kaya lutasin ang buong equation.

Ayusin muli ang 4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) bilang x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0. Ang positibong root ay x = 4.57 × 10⁻³ M, kaya pH = 2.34 at 9.1 porsyentong na-ionize ang acid. Ang shortcut ay magbibigay sana ng pH 2.32. Mukhang maliit ang pagkakaibang 0.02, ngunit mas malaki ito kaysa sa precision na 0.01 na sinusuportahan ng datos, kaya ang sagot ng quadratic ang dapat iulat.

Isang mabilis na rule of thumb: kadalasang ligtas ang shortcut kapag ang panimulang konsentrasyon na hinati sa Ka ay higit sa ilang daan. Dito, ang 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ ay mga 110 lang, kaya ito pumalya. Gawin pa rin ang 5 porsyentong pagsusuri sa bawat pagkakataon.

Tumataas ang percent ionization habang dina-dilute ang acid

Ang percent ionization ay ang [H₃O⁺] sa equilibrium na hinati sa panimulang konsentrasyon ng acid, na pinarami sa 100. Para sa mahinang acid, hindi ito nakapirmi. Ang paglutas sa buong equation para sa acetic acid ay nagbibigay ng 0.94 porsyento sa 0.200 M, 3.0 porsyento sa 0.0200 M at 9.0 porsyento sa 0.00200 M.

Ang dahilan ay ang prinsipyo ni Le Chatelier na inilapat sa dilution. Ibinababa ng pag-dilute ang bawat konsentrasyon, na nagpapababa sa Q sa ilalim ng Ka, at lumilipat ang equilibrium patungo sa mas maraming ion. Tumataas pa rin ang pH sa dilution, mula 2.72 hanggang 3.23 hanggang 3.74 sa seryeng ito, ngunit nang mga kalahating unit lang bawat sampung beses na dilution, hindi ang buong unit na makikita mo para sa malakas na acid.

Halimbawang may solusyon: isang mahinang base at ang pOH nito

Hanapin ang pH ng 0.120 M na ammonia, na may Kb = 1.8 × 10⁻⁵ mula sa Appendix I. Pareho ang hugis ng table sa para sa acid, ngunit hydroxide ang produkto: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x at [NH₃] = 0.120 − x.

Kung gayon, x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, kaya x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. Nagbibigay ang pagsusuri ng 1.2 porsyento, kaya may bisa ang shortcut. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, at pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. Ang pinakakaraniwang pagkakamali rito ay iulat ang 2.83 bilang pH. Kailangang magbigay ang base ng pH na higit sa 7.

Mga salt na nagre-react sa tubig ang mga ion

Para sa anumang conjugate acid–base pair sa tubig, Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴ sa 25 °C. Kung mas malakas ang acid, mas mahina ang conjugate base nito. Pinapayagan ka nitong mahanap ang constant na hindi nakalista sa mga table.

Halimbawang may solusyon 1. Hanapin ang pH ng 0.100 M na sodium acetate. Hindi nagre-react sa tubig ang Na⁺, ngunit mahinang base ang acetate. Ang Kb nito ay 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. Kung gayon, [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 at pH = 8.87. Bahagyang basic ang solusyon.

Halimbawang may solusyon 2. Hanapin ang pH ng 0.200 M na ammonium chloride. Ang Cl⁻ ay conjugate base ng malakas na acid at walang masusukat na epekto, ngunit ang NH₄⁺ ay mahinang acid na may Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. Kung gayon, [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, at pH = 4.98.

• Cation mula sa malakas na base (Na⁺, K⁺) na may anion mula sa malakas na acid (Cl⁻, NO₃⁻): neutral.
• Cation mula sa malakas na base na may anion ng mahinang acid (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): basic.
• Cation na conjugate acid ng mahinang base (NH₄⁺) na may anion ng malakas na acid: acidic.
• Parehong reactive ang dalawang ion: ihambing ang Ka ng cation sa Kb ng anion. Ang mas malaking constant ang nananaig.

Isa-isang nawawalan ng proton ang mga polyprotic acid

Ang mga acid tulad ng carbonic acid, H₂CO₃, at phosphoric acid, H₃PO₄, ay may isang Ka para sa bawat proton, at mas maliit nang husto ang bawat isa kaysa sa nauna. Para sa carbonic acid, inililista ng Appendix H ang Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ at Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹. Dahil libu-libong beses na mas malaki ang Ka1 kaysa sa Ka2, halos lahat ng hydronium ay galing sa unang hakbang.

Halimbawang may solusyon. Para sa 0.0330 M na carbonic acid, ituring ang unang hakbang bilang iisang mahinang acid: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, kaya pH = 3.92. Halos hindi ito binabago ng ikalawang hakbang. Dahil halos magkapantay ang [H₃O⁺] at [HCO₃⁻], nagkakansela sila sa expression ng Ka2, at lumalabas na humigit-kumulang katumbas ng Ka2 ang [CO₃²⁻], 4.7 × 10⁻¹¹ M.

Mga error sa mahinang acid at base na dapat bantayan

Bago ka matapos, tanungin kung makatwiran ang sagot. Dapat mas mataas ang pH ng solusyon ng mahinang acid kaysa sa malakas na acid na may parehong konsentrasyon, at dapat mas mababa ang pH ng mahinang base kaysa sa malakas na base.

• Pagturing sa mahinang acid bilang malakas at pagtatakda sa [H₃O⁺] na katumbas ng panimulang konsentrasyon.
• Paglaktaw sa 5 porsyentong pagsusuri matapos alisin ang x.
• Pag-uulat ng pOH bilang pH para sa base, o paglimot na mag-convert sa dulo.
• Paggamit ng Ka kung saan Kb ang kailangan para sa anion ng isang salt. Mag-convert muna gamit ang Kw.
• Pagturing sa Cl⁻, NO₃⁻ o Na⁺ na parang binabago nila ang pH.
• Pagdaragdag ng hydronium ng ikalawang ionization sa una para sa polyprotic acid kapag mas maliit nang husto ang Ka2 kaysa sa Ka1.
• Pag-uulat ng mas maraming decimal place sa pH kaysa sa bilang ng mahahalagang digit sa Ka.