Թթուներ, հիմքեր և pH՝ պրոտոնի փոխանցումը և լոգարիթմական սանդղակը

Արենիուսի թթուներից մինչև Բրենստեդ–Լոուրիի պրոտոնի փոխանցում

Արենիուսը թթուն սահմանեց որպես միացություն, որն ջրում առաջացնում է ջրածնի իոններ, իսկ հիմքը՝ որպես հիդրօքսիդ իոններ առաջացնողը։ Սահմանումը աշխատում է աղաթթվի և նատրիումի հիդրօքսիդի համար, բայց չի կարող բացատրել, թե ինչու ամոնիակը՝ NH₃-ը, որը հիդրօքսիդ չի պարունակում, ջուրը դարձնում է հիմնային։

Բրենստեդ–Լոուրիի սահմանումը դա ուղղում է՝ կենտրոնանալով պրոտոնի վրա։ Թթուը պրոտոնի դոնոր է, իսկ հիմքը՝ պրոտոնի ակցեպտոր, ուստի յուրաքանչյուր թթու–հիմք ռեակցիա պրոտոնի փոխանցում է մի մասնիկից մյուսին։ Ամոնիակը հիմք է, քանի որ պրոտոն է ընդունում ջրից՝ NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)։

Մերկ պրոտոնը ջրում ազատ գոյություն չունի։ Այն կապվում է ջրի մոլեկուլի հետ՝ առաջացնելով հիդրոքսոնիում իոնը՝ H₃O⁺-ը։ Քիմիկոսները հաճախ գրում են H⁺(aq) որպես կարճ գրառում, և pH հաշվարկներում երկու նշանակումները նույն բանն են նշանակում։

Համալուծ թթու–հիմք զույգերի գտնումը

Երբ թթուն պրոտոն է տալիս, մնացածը նրա համալուծ հիմքն է. երբ հիմքը պրոտոն է ընդունում, այն դառնում է իր համալուծ թթուն։ Համալուծ զույգի երկու անդամները տարբերվում են ճիշտ մեկ H⁺-ով։ HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq)-ում զույգերն են HF/F⁻ և H₃O⁺/H₂O։

Ջուրը հայտնվում է որպես հիմք HF-ի ռեակցիայում և որպես թթու ամոնիակի ռեակցիայում։ Մասնիկը, որը կարող է պրոտոն և՛ տալ, և՛ ընդունել, կոչվում է ամֆիպրոտիկ։ Հիդրոկարբոնատը՝ HCO₃⁻-ը, ևս մեկ օրինակ է. այն կարող է պրոտոն կորցնել՝ դառնալով CO₃²⁻, կամ ստանալ՝ դառնալով H₂CO₃։

• Գրեք հավասարումը և գտեք այն մասնիկը, որը ձախից աջ գնալիս H⁺ է կորցնում։ Դա թթուն է։
• Գտեք այն մասնիկը, որը H⁺ է ստանում։ Դա հիմքն է։
• Յուրաքանչյուր ռեագենտ զույգավորեք այն արգասիքի հետ, որը նրանից տարբերվում է մեկ H⁺-ով, և ստուգեք, որ լիցքերը տարբերվում են մեկով։

Ուժեղ և թույլ նկարագրում են չափը, այլ ոչ կոնցենտրացիան

Ուժեղ թթուն ջրում իոնացվում է գրեթե լրիվ, ուստի լուծված յուրաքանչյուր թթվի մոլեկուլ տալիս է H₃O⁺ և իր համալուծ հիմքը։ Տարածված ուժեղ թթուներն են HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ և H₂SO₄ (իր առաջին պրոտոնի համար)։ Տարածված ուժեղ հիմքերը 1-ին խմբի մետաղների և կալցիումի, ստրոնցիումի ու բարիումի հիդրօքսիդներն են։ Թույլ թթուն իոնացվում է միայն մասամբ, և հաստատվում է հավասարակշռություն մոլեկուլի և նրա իոնների միջև։

Ուժը և կոնցենտրացիան առանձին գաղափարներ են։ Ուժեղ թթվի նոսր լուծույթը կարող է ունենալ ավելի քիչ հիդրոքսոնիում իոններ, քան թույլ թթվի խտացված լուծույթը։ Սակայն հավասար կոնցենտրացիայի դեպքում տարբերությունը մեծ է։ 0.10 mol/L HCl լուծույթն ունի [H₃O⁺] = 0.10 mol/L և pH 1.00։ Քացախաթթուն, թթվի իոնացման հաստատունով Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax Հավելված H), 0.10 mol/L-ում իոնացված է ընդամենը մոտ 1 տոկոսով, և նրա pH-ը մոտ 2.9 է։ Թույլ թթվի հավասարակշռության հաշվարկները առանձին թեմա են. այս ուղեցույցը միայն օգտագործում է համեմատությունը։

Թթվի և նրա համալուծ հիմքի ուժը կապված են։ Ուժեղ թթուների համալուծ հիմքերը, ինչպես Cl⁻-ը և NO₃⁻-ը, ջրում պրոտոն ընդունելու աննշան հակում ունեն։

Ջրի իոնային արտադրյալը, pH և pOH

Նույնիսկ մաքուր ջուրը պարունակում է մի քանի իոն, քանի որ ջրի մոլեկուլները պրոտոններ են փոխանցում իրար՝ 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq)։ Այս ինքնաիոնացման հավասարակշռության հաստատունը Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ է 25 °C-ում։ Մաքուր ջրում երկու կոնցենտրացիաները հավասար են՝ յուրաքանչյուրը 1.0 × 10⁻⁷ mol/L։ 25 °C-ում ցանկացած ջրային լուծույթում, եթե գիտեք մի կոնցենտրացիան, մյուսը կարող եք գտնել՝ Kw-ը նրա վրա բաժանելով։

Քանի որ այս կոնցենտրացիաները ընդգրկում են տասի բազմաթիվ աստիճաններ, քիմիկոսները օգտագործում են լոգարիթմներ՝ pH = −log[H₃O⁺] և pOH = −log[OH⁻]։ Kw արտահայտության բացասական լոգարիթմը վերցնելը տալիս է pH + pOH = 14.00 25 °C-ում։ Մեկ pH միավորի փոփոխությունը հիդրոքսոնիումի կոնցենտրացիայի տասնապատիկ փոփոխություն է, ուստի pH 3 լուծույթն ունի pH 5 լուծույթից 100 անգամ ավելի շատ [H₃O⁺]։

Չեզոք նշանակում է [H₃O⁺] = [OH⁻], որը pH 7.00 է միայն 25 °C-ում։ Kw-ն աճում է ջերմաստիճանի հետ. OpenStax-ը 100 °C-ում նշում է մոտ 5.6 × 10⁻¹³, որտեղ չեզոք ջրի pH-ը մոտ 6.1 է։ Լոգարիթմների համար pH-ի տասնորդական կարգերի քանակը հավասար է կոնցենտրացիայի նշանակալի թվանշանների քանակին։

pH-ի հաշվարկ ուժեղ թթուների և ուժեղ հիմքերի համար

Լուծված օրինակ 1։ Գտեք 4.6 × 10⁻³ mol/L ազոտական թթվի pH-ը։ HNO₃-ը ուժեղ է, ուստի [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L։ pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34։ Կոնցենտրացիան ունի երկու նշանակալի թվանշան, ուստի pH-ն ունի երկու տասնորդական։ Այնուհետև [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, փոքրիկ, ինչպես սպասվում է թթվային լուծույթում։

Լուծված օրինակ 2։ 0.350 g կալիումի հիդրօքսիդ լուծվում է՝ 750.0 mL լուծույթ ստանալու համար։ Օգտագործելով IUPAC-ի ստանդարտ ատոմային զանգվածները՝ կլորացված երկու տասնորդականի (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, և [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L։ pOH = 2.080, և pH = 14.00 − 2.080 = 11.92՝ երկու տասնորդականով սահմանափակված 14.00-ով։

Լուծված օրինակ 3։ Գտեք 3.60 × 10⁻³ mol/L ստրոնցիումի հիդրօքսիդի pH-ը։ Sr(OH)₂-ը բանաձևային միավորից բաց է թողնում երկու հիդրօքսիդ իոն, ուստի [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L։ pOH = 2.143 և pH = 14.00 − 2.143 = 11.86։ 2 գործակիցը մոռանալը կտար pH, որը մոտ 0.30-ով չափազանց ցածր է։

Լուծված օրինակ 4։ Լուծույթն ունի pH 4.62։ Շրջեք լոգարիթմը՝ [H₃O⁺] = 10՝ բարձրացրած −4.62 աստիճան = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L։ pH-ի երկու տասնորդականը թույլ է տալիս կոնցենտրացիայի երկու նշանակալի թվանշան։ pOH-ը 14.00 − 4.62 = 9.38 է, ուստի [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L։

Լոգարիթմի և ստոյխիոմետրիայի սխալներ pH-ի հետ աշխատելիս

pH-ի սխալների մեծ մասը գալիս է լոգարիթմից կամ թթվի ու հիմքի բանաձևից։ Արագ ողջամտության ստուգումը բռնում է շատերը՝ թթվային լուծույթները 25 °C-ում ունեն pH 7-ից ցածր, հիմնայինները՝ 7-ից բարձր, և կոնցենտրացիայի յուրաքանչյուր տասնապատիկը pH-ը փոխում է մեկ միավորով։

Զգույշ եղեք շատ նոսր ուժեղ թթուների հետ։ 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl լուծույթը pH 8 չունի, որը հիմնային կլիներ։ Այսպիսի ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում ջրի սեփական իոնացումից առաջացած հիդրոքսոնիում իոնները աննշան չեն, և լրիվ մշակումը տալիս է մոտ 6.98 pH՝ չեզոքից թեթևակի ցածր։

• Մինուս նշանը թողնելը. 1-ից փոքր թվի −log-ը դրական է։ Սովորական նոսր լուծույթի բացասական pH-ը ցույց է տալիս նշանի սխալ։
• Ստոյխիոմետրիան մոռանալը. Ca(OH)₂-ը, Sr(OH)₂-ը և Ba(OH)₂-ը յուրաքանչյուրը բանաձևային միավորից բաց են թողնում երկու OH⁻։
• pH օգտագործելը, երբ հիմքը տալիս է pOH. նախ [OH⁻]-ից գտեք pOH-ը, ապա փոխարկեք։
• Թույլ թթուն ուժեղ համարելը. [H₃O⁺]-ը հավասար է թթվի կոնցենտրացիային միայն ուժեղ թթուների դեպքում։
• pH + pOH = 14.00-ը կիրառել 25 °C-ից շատ հեռու ջերմաստիճաններում։