Aigéid, Báisí agus pH: Aistriú Prótóin agus an Scála Logartamach

Ó aigéid Arrhenius go haistriú prótóin Brønsted–Lowry

Shainmhínigh Arrhenius aigéad mar chomhdhúil a tháirgeann ianta hidrigine in uisce agus bonn mar chomhdhúil a tháirgeann ianta hiodrocsaíde. Oibríonn an sainmhíniú d'aigéad hidriclórach agus do hiodrocsaíd sóidiam, ach ní féidir leis a mhíniú cén fáth a ndéanann amóinia, NH₃, nach bhfuil aon hiodrocsaíd ann, uisce bunúsach.

Socraíonn sainmhíniú Brønsted–Lowry é seo trí fhócas a chur ar an bprótón. Is deontóir prótóin é aigéad agus is glacadóir prótóin é bonn, mar sin is aistriú prótóin ó speiceas amháin go speiceas eile gach imoibriú aigéad–bonn. Is bonn é amóinia toisc go nglacann sé le prótón ó uisce: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Níl prótón lom ann saor in uisce. Nascann sé le móilín uisce chun an ian hidróiniam, H₃O⁺, a fhoirmiú. Is minic a scríobhann ceimiceoirí H⁺(aq) mar ghiorrúchán, agus tá an bhrí chéanna leis an dá nodaireacht i ríomhanna pH.

Péirí aigéad–bonn comhchuingeacha a aimsiú

Nuair a thugann aigéad prótón uaidh, is é a bhonn comhchuingeach an rud a fhanann; nuair a ghlacann bonn le prótón, éiríonn sé ina aigéad comhchuingeach. Tá an dá bhall de phéire comhchuingeach éagsúil faoi H⁺ amháin go beacht. In HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq), is iad na péirí HF/F⁻ agus H₃O⁺/H₂O.

Feictear uisce mar bhonn in imoibriú HF agus mar aigéad in imoibriú na hamóinia. Tugtar amfaprótach ar speiceas ar féidir leis prótón a thabhairt uaidh nó glacadh leis. Sampla eile is ea carbónáit hidrigine, HCO₃⁻: is féidir leis prótón a chailleadh chun éirí ina CO₃²⁻ nó ceann a ghnóthú chun éirí ina H₂CO₃.

• Scríobh an chothromóid agus aimsigh an speiceas a chailleann H⁺ ag dul ó chlé go deas. Is é sin an t-aigéad.
• Aimsigh an speiceas a ghnóthaíonn H⁺. Is é sin an bonn.
• Péireáil gach imoibrí leis an táirge atá éagsúil uaidh faoi H⁺ amháin, agus seiceáil go bhfuil na muirir éagsúil faoi aon cheann.

Déanann láidir agus lag cur síos ar mhéid, ní ar thiúchan

Ianaíonn aigéad láidir go hiomlán go bunúsach in uisce, mar sin tugann gach móilín aigéid tuaslagtha H₃O⁺ agus a bhonn comhchuingeach. Is iad HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ agus H₂SO₄ (dá chéad phrótón) na haigéid láidre choitianta. Is iad na báisí láidre coitianta hiodrocsaídí mhiotail ghrúpa 1 agus cailciam, stronsam agus bairiam. Ianaíonn aigéad lag go páirteach amháin, agus bunaítear cothromaíocht idir an móilín agus a ianta.

Is smaointe ar leith iad neart agus tiúchan. Is féidir níos lú ianta hidróiniam a bheith ag tuaslagán caolaithe d'aigéad láidir ná ag tuaslagán tiubhaithe d'aigéad lag. Ag tiúchan comhionann, áfach, is mór an difríocht. Tá [H₃O⁺] = 0.10 mol/L agus pH 1.00 ag tuaslagán HCl 0.10 mol/L. Níl aigéad aicéiteach, le tairiseach ianúcháin aigéid Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (Aguisín H OpenStax), ianaithe ach thart ar 1 faoin gcéad ag 0.10 mol/L, agus is é a pH thart ar 2.9. Is topaic ar leith iad ríomhanna cothromaíochta aigéid lag; ní úsáideann an treoir seo ach an chomparáid.

Tá neart aigéid agus a bhonn comhchuingeach nasctha. Is beag nó ní bhíonn claonadh ag bonn comhchuingeach aigéid láidre, ar nós Cl⁻ agus NO₃⁻, glacadh le prótón in uisce.

Táirge ianach an uisce, pH agus pOH

Tá cúpla ian fiú in uisce íon, mar go n-aistríonn móilíní uisce prótóin dá chéile: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Is é Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ ag 25 °C tairiseach na cothromaíochta don uathianúchán seo. In uisce íon tá an dá thiúchan comhionann, 1.0 × 10⁻⁷ mol/L an ceann. In aon tuaslagán uiscí ag 25 °C, má tá ceann de na tiúchain ar eolas agat is féidir leat an ceann eile a fháil trí Kw a roinnt air.

Toisc go síneann na tiúchain seo thar go leor cumhachtaí de dheich, úsáideann ceimiceoirí logartaim: pH = −log[H₃O⁺] agus pOH = −log[OH⁻]. Tugann logartam diúltach an chur in iúl Kw pH + pOH = 14.00 ag 25 °C. Is ionann athrú aon aonaid pH agus athrú deich n-uaire i dtiúchan hidróiniam, mar sin tá 100 uair [H₃O⁺] ag tuaslagán ag pH 3 i gcomparáid le ceann ag pH 5.

Ciallaíonn neodrach [H₃O⁺] = [OH⁻], is é sin pH 7.00 ag 25 °C amháin. Méadaíonn Kw le teocht; tugann OpenStax thart ar 5.6 × 10⁻¹³ ag 100 °C, áit a bhfuil pH gar do 6.1 ag uisce neodrach. I gcás logartaim, is ionann líon na n-ionad deachúlach i bpH agus líon na bhfigiúirí suntasacha sa tiúchan.

pH a ríomh d'aigéid láidre agus de bháisí láidre

Sampla oibrithe 1. Faigh pH aigéad nítreach 4.6 × 10⁻³ mol/L. Tá HNO₃ láidir, mar sin [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Tá dhá fhigiúr shuntasacha sa tiúchan, mar sin tá dhá ionad deachúlacha sa pH. Ansin [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, an-bheag mar a bhfuil súil leis i dtuaslagán aigéadach.

Sampla oibrithe 2. Tuaslagtar 0.350 g de hiodrocsaíd photaisiam chun 750.0 mL tuaslagáin a dhéanamh. Le meáchain adamhacha chaighdeánacha IUPAC cruinnithe go dhá ionad deachúlacha (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, agus [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, agus pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, teoranta go dhá ionad deachúlacha ag 14.00.

Sampla oibrithe 3. Faigh pH hiodrocsaíd stronsaim 3.60 × 10⁻³ mol/L. Scaoileann Sr(OH)₂ dhá ian hiodrocsaíde in aghaidh an aonaid foirmle, mar sin [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 agus pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. Dá ndearmadfaí fachtóir 2 bheadh pH thart ar 0.30 ró-íseal.

Sampla oibrithe 4. Tá pH 4.62 ag tuaslagán. Aisiompaigh an logartam: [H₃O⁺] = 10 arna ardú go dtí an chumhacht −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. Ceadaíonn an dá ionad deachúlacha sa pH dhá fhigiúr shuntasacha sa tiúchan. Is é 14.00 − 4.62 = 9.38 an pOH, mar sin [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

Botúin logartaim agus stoicióiméadrachta in obair pH

Eascraíonn an chuid is mó d'earráidí pH ón logartam nó ó fhoirmle an aigéid nó an bhoinn. Gabhann seiceáil chéille ghasta go leor díobh: tá pH faoi bhun 7 ag tuaslagáin aigéadacha ag 25 °C, os cionn 7 ag cinn bhunúsacha, agus bogann gach fachtóir de dheich i dtiúchan an pH faoi aonad amháin.

Bí cúramach le haigéid láidre an-chaolaithe. Níl pH 8 ag tuaslagán HCl 1.0 × 10⁻⁸ mol/L, rud a bheadh bunúsach. Ag tiúchain chomh híseal sin, ní neamhshuntasach iad na hianta hidróiniam ó uathianúchán an uisce féin, agus tugann cóireáil iomlán pH de thart ar 6.98, díreach faoi bhun neodrach.

• An comhartha lúide a fhágáil: tá −log de uimhir faoi bhun 1 dearfach. Is comhartha earráide comhartha é pH diúltach ó thuaslagán caolaithe gnáth.
• Stoicióiméadracht a dhearmad: scaoileann Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ agus Ba(OH)₂ dhá OH⁻ an ceann in aghaidh an aonaid foirmle.
• pH a úsáid nuair a thugann an bonn pOH: faigh pOH ó [OH⁻] ar dtús, ansin tiontaigh.
• Aigéad lag a láimhseáil mar aigéad láidir: is ionann [H₃O⁺] agus tiúchan an aigéid i gcás aigéid láidre amháin.
• pH + pOH = 14.00 a chur i bhfeidhm ag teochtaí i bhfad ó 25 °C.