નિર્બળ ઍસિડ અને બેઝ: Ka અને Kb થી pH સુધી

Ka, Kb અને તેમના p-માપક્રમો વાંચવા

નિર્બળ ઍસિડ HA માટે, આયનીકરણ HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) નો અચળાંક Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] છે. પાણી દ્રાવક છે અને તેને બાકાત રાખવામાં આવે છે. મોટા Ka નો અર્થ વધુ પ્રબળ ઍસિડ છે. નિર્બળ બેઝ B માટે, પ્રક્રિયા B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) નો Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B] છે.

આ અચળાંકો દસની ઘણી ઘાતોમાં ફેલાયેલા હોવાથી, તે ઘણી વાર pKa = −log Ka અને pKb = −log Kb તરીકે દર્શાવાય છે. માપક્રમ ઊલટો ચાલે છે: નાના pKa નો અર્થ વધુ પ્રબળ ઍસિડ છે. પરિશિષ્ટ H એસિટિક ઍસિડ માટે Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), હાઇડ્રોફ્લોરિક ઍસિડ માટે 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19) અને હાઇડ્રોસાયનિક ઍસિડ માટે 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) આપે છે. બંનેને નિર્બળ કહેવામાં આવે છે છતાં HF નો Ka, HCN ના કરતાં આશરે દસ લાખ ગણો મોટો છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: નાના-x ના ટૂંકા રસ્તા વડે નિર્બળ ઍસિડનો pH

0.200 M એસિટિક ઍસિડ, CH₃COOH, નો pH શોધો. ધારો કે x એ આયનીકૃત થતો જથ્થો છે. સંતુલને [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x અને [CH₃COOH] = 0.200 − x. H₃O⁺ માં પાણીનો પોતાનો ફાળો (10⁻⁷ M) ઍસિડના ફાળાની સરખામણીમાં નગણ્ય છે.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) લખો. Ka નાનો હોવાથી, ધારો કે x એ 0.200 કરતાં ઘણો ઓછો છે અને તેને છેદમાંથી છોડી દો. પછી x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ અને x = 1.9 × 10⁻³ M. ચકાસણી: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 એ 1 ટકાથી સહેજ ઓછું છે, 5 ટકાની સીમાથી ઘણું નીચે, તેથી ટૂંકો રસ્તો માન્ય છે. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, બે દશાંશ સ્થાનો સુધી દર્શાવેલ કારણ કે Ka માં બે સાર્થક અંકો છે.

તેની સરખામણી સમાન સાંદ્રતાવાળા પ્રબળ ઍસિડ સાથે કરો, જે pH 0.70 આપે. નિર્બળ ઍસિડમાં હાઇડ્રોનિયમની સાંદ્રતા આશરે સોમા ભાગ જેટલી છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: જ્યારે ટૂંકો રસ્તો નિષ્ફળ જાય અને તમારે દ્વિઘાત જોઈએ

પરિશિષ્ટ H માંથી Ka = 4.6 × 10⁻⁴ સાથે 0.0500 M નાઇટ્રસ ઍસિડ, HNO₂, નો pH શોધો. ટૂંકો રસ્તો x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M આપે છે, જે 0.0500 ના 9.6 ટકા છે. તે 5 ટકા ચકાસણીમાં નિષ્ફળ જાય છે, તેથી સંપૂર્ણ સમીકરણ ઉકેલો.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) ને x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 માં ફરી ગોઠવો. ધન બીજ x = 4.57 × 10⁻³ M છે, તેથી pH = 2.34 અને ઍસિડ 9.1 ટકા આયનીકૃત છે. ટૂંકો રસ્તો pH 2.32 આપત. 0.02 નો તફાવત નાનો લાગે છે, પરંતુ તે ડેટા જેટલી ચોકસાઈને ટેકો આપે છે તે 0.01 કરતાં મોટો છે, તેથી દર્શાવવાનો જવાબ દ્વિઘાતનો જવાબ છે.

ઝડપી અંગૂઠાનો નિયમ: જ્યારે શરૂઆતની સાંદ્રતા ભાગ્યા Ka થોડાક સોથી વધુ હોય ત્યારે ટૂંકો રસ્તો સામાન્ય રીતે સુરક્ષિત છે. અહીં 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ માત્ર આશરે 110 છે, અને એટલે જ તે નિષ્ફળ ગયો. છતાં દર વખતે 5 ટકા ચકાસણી કરો.

ઍસિડ મંદ થાય તેમ ટકાવાર આયનીકરણ વધે છે

ટકાવાર આયનીકરણ એટલે સંતુલને [H₃O⁺] ભાગ્યા ઍસિડની શરૂઆતની સાંદ્રતા, ગુણ્યા 100. નિર્બળ ઍસિડ માટે તે નિશ્ચિત નથી. એસિટિક ઍસિડ માટે સંપૂર્ણ સમીકરણ ઉકેલતાં 0.200 M પર 0.94 ટકા, 0.0200 M પર 3.0 ટકા અને 0.00200 M પર 9.0 ટકા મળે છે.

તેનું કારણ મંદન પર લાગુ પડતો લ શાતેલિયેનો સિદ્ધાંત છે. મંદન દરેક સાંદ્રતા ઘટાડે છે, જે Q ને Ka થી નીચે લાવે છે, અને સંતુલન વધુ આયનો તરફ ખસે છે. મંદન કરતાં pH તો પણ વધે છે, આ શ્રેણીમાં 2.72 થી 3.23 અને પછી 3.74, પરંતુ દસ ગણા મંદન દીઠ માત્ર આશરે અડધો એકમ, પ્રબળ ઍસિડ માટે જોવા મળતો પૂરો એકમ નહીં.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: નિર્બળ બેઝ અને તેનો pOH

પરિશિષ્ટ I માંથી Kb = 1.8 × 10⁻⁵ સાથે 0.120 M એમોનિયાનો pH શોધો. કોષ્ટકનું સ્વરૂપ ઍસિડ જેવું જ છે, પરંતુ નીપજ હાઇડ્રૉક્સાઇડ છે: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x અને [NH₃] = 0.120 − x.

પછી x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, તેથી x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. ચકાસણી 1.2 ટકા આપે છે, તેથી ટૂંકો રસ્તો માન્ય છે. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, અને pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. અહીં સૌથી સામાન્ય ચૂક 2.83 ને pH તરીકે દર્શાવવાની છે. બેઝનો pH 7 થી ઉપર જ આવવો જોઈએ.

એવા ક્ષારો જેના આયનો પાણી સાથે પ્રક્રિયા કરે છે

પાણીમાં કોઈ પણ સંયુગ્મી ઍસિડ–બેઝ જોડ માટે, 25 °C પર Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. ઍસિડ જેટલો પ્રબળ, તેનો સંયુગ્મી બેઝ તેટલો નિર્બળ. આનાથી તમે કોષ્ટકોમાં યાદી ન કરેલો અચળાંક શોધી શકો છો.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 1. 0.100 M સોડિયમ એસિટેટનો pH શોધો. Na⁺ પાણી સાથે પ્રક્રિયા કરતો નથી, પરંતુ એસિટેટ નિર્બળ બેઝ છે. તેનો Kb એ 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ છે. પછી [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 અને pH = 8.87. દ્રાવણ સહેજ બેઝિક છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 2. 0.200 M એમોનિયમ ક્લોરાઇડનો pH શોધો. Cl⁻ એ પ્રબળ ઍસિડનો સંયુગ્મી બેઝ છે અને તેની કોઈ માપી શકાય તેવી અસર નથી, પરંતુ NH₄⁺ એ Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ વાળો નિર્બળ ઍસિડ છે. પછી [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, અને pH = 4.98.

• પ્રબળ બેઝમાંથી આવતો ધનાયન (Na⁺, K⁺) અને પ્રબળ ઍસિડમાંથી આવતો ઋણાયન (Cl⁻, NO₃⁻): તટસ્થ.
• પ્રબળ બેઝમાંથી આવતો ધનાયન અને નિર્બળ ઍસિડનો ઋણાયન (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): બેઝિક.
• નિર્બળ બેઝનો સંયુગ્મી ઍસિડ હોય તેવો ધનાયન (NH₄⁺) અને પ્રબળ ઍસિડનો ઋણાયન: ઍસિડિક.
• બંને આયનો પ્રક્રિયાશીલ: ધનાયનના Ka ની ઋણાયનના Kb સાથે સરખામણી કરો. જે અચળાંક મોટો હોય તે જીતે છે.

બહુપ્રોટૉની ઍસિડ તેમના પ્રોટૉન એક પછી એક ગુમાવે છે

કાર્બોનિક ઍસિડ, H₂CO₃, અને ફૉસ્ફોરિક ઍસિડ, H₃PO₄, જેવા ઍસિડમાં દરેક પ્રોટૉન માટે એક Ka હોય છે, અને દરેક તેની પહેલાંના કરતાં ઘણો નાનો હોય છે. કાર્બોનિક ઍસિડ માટે, પરિશિષ્ટ H, Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ અને Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ યાદી કરે છે. Ka1 એ Ka2 કરતાં હજારો ગણો મોટો હોવાથી, લગભગ બધો હાઇડ્રોનિયમ પહેલા પગલામાંથી આવે છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ. 0.0330 M કાર્બોનિક ઍસિડ માટે, પહેલા પગલાને એકલ નિર્બળ ઍસિડ તરીકે ગણો: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, તેથી pH = 3.92. બીજું પગલું આને ભાગ્યે જ બદલે છે. [H₃O⁺] અને [HCO₃⁻] લગભગ સરખા હોવાથી, તે Ka2 ની અભિવ્યક્તિમાં રદ થાય છે, અને [CO₃²⁻] આશરે Ka2 બરાબર, 4.7 × 10⁻¹¹ M, આવે છે.

નિર્બળ ઍસિડ અને બેઝની ધ્યાન રાખવા જેવી ભૂલો

પૂરું કરતાં પહેલાં, પૂછો કે જવાબ અર્થપૂર્ણ છે કે નહીં. નિર્બળ ઍસિડના દ્રાવણનો pH સમાન સાંદ્રતાના પ્રબળ ઍસિડ કરતાં વધુ હોવો જોઈએ, અને નિર્બળ બેઝનો pH પ્રબળ બેઝ કરતાં ઓછો.

• નિર્બળ ઍસિડને પ્રબળ ગણીને [H₃O⁺] ને શરૂઆતની સાંદ્રતા બરાબર મૂકવું.
• x છોડી દીધા પછી 5 ટકા ચકાસણી ન કરવી.
• બેઝ માટે pOH ને pH તરીકે દર્શાવવો, અથવા અંતે રૂપાંતર કરવાનું ભૂલી જવું.
• ક્ષારના ઋણાયન માટે Kb જોઈએ ત્યાં Ka વાપરવો. પહેલાં Kw વડે રૂપાંતર કરો.
• Cl⁻, NO₃⁻ કે Na⁺ ને જાણે તે pH બદલતા હોય એમ ગણવા.
• બહુપ્રોટૉની ઍસિડ માટે, Ka2 એ Ka1 કરતાં ઘણો નાનો હોય ત્યારે, બીજા આયનીકરણનો હાઇડ્રોનિયમ પહેલામાં ઉમેરવો.
• Ka માં જેટલા સાર્થક અંકો હોય તેના કરતાં pH માં વધુ દશાંશ સ્થાનો દર્શાવવાં.