Қышқылдар, негіздер және pH: протон алмасу және логарифмдік шкала

Аррениус қышқылдарынан Брёнстед–Лоури протон алмасуына дейін

Аррениус қышқылды суда сутек иондарын түзетін қосылыс, ал негізді гидроксид иондарын түзетін қосылыс деп анықтады. Анықтама тұз қышқылы мен натрий гидроксиді үшін жұмыс істейді, бірақ ол гидроксиді жоқ аммиактың, NH₃, суды неге негіздік ететінін түсіндіре алмайды.

Брёнстед–Лоури анықтамасы мұны протонға назар аудару арқылы түзетеді. Қышқыл — протон донор, ал негіз — протон акцептор, сондықтан әр қышқыл–негіз реакциясы бір бөлшектен екіншісіне протон беру болып табылады. Аммиак негіз, өйткені ол судан протон қабылдайды: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Жалаң протон суда бос болмайды. Ол су молекуласымен байланысып, гидроксоний ионын, H₃O⁺, түзеді. Химиктер жиі H⁺(aq) деп қысқаша жазады, және pH есептерінде екі белгілеу бірдей мағынаны білдіреді.

Түйіндес қышқыл–негіз жұптарын табу

Қышқыл протонды бергенде қалатын нәрсе оның түйіндес негізі; негіз протонды қабылдағанда, ол өзінің түйіндес қышқылына айналады. Түйіндес жұптың екі мүшесі дәл бір H⁺-пен өзгешеленеді. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) реакциясында жұптар HF/F⁻ және H₃O⁺/H₂O.

Су HF реакциясында негіз, ал аммиак реакциясында қышқыл ретінде көрінеді. Протонды бере де, қабылдай да алатын бөлшек амфипротты деп аталады. Гидрокарбонат, HCO₃⁻, — тағы бір мысал: ол протонды жоғалтып CO₃²⁻ бола алады немесе біреуін алып H₂CO₃ бола алады.

• Теңдеуді жазып, солдан оңға қарай өткенде H⁺ жоғалтатын бөлшекті табыңыз. Бұл қышқыл.
• H⁺ алатын бөлшекті табыңыз. Бұл негіз.
• Әр реагентті одан бір H⁺-пен өзгешеленетін өніммен жұптаңыз және зарядтардың бірге өзгешеленетінін тексеріңіз.

Күшті және әлсіз шамасын сипаттайды, концентрацияны емес

Күшті қышқыл суда іс жүзінде толық иондалады, сондықтан еріген әр қышқыл молекуласы H₃O⁺ және өзінің түйіндес негізін береді. Жиі кездесетін күшті қышқылдар: HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ және H₂SO₄ (бірінші протоны бойынша). Жиі кездесетін күшті негіздер — 1-топ металдарының және кальцийдің, стронцийдің және барийдің гидроксидтері. Әлсіз қышқыл тек ішінара иондалады, және молекула мен оның иондары арасында тепе-теңдік орнайды.

Күш пен концентрация — бөлек идеялар. Күшті қышқылдың сұйылтылған ерітіндісінде әлсіз қышқылдың концентрлі ерітіндісіне қарағанда гидроксоний иондары аз болуы мүмкін. Дегенмен тең концентрацияда айырмашылық үлкен. 0.10 mol/L HCl ерітіндісінде [H₃O⁺] = 0.10 mol/L және pH 1.00. Қышқылдық иондану тұрақтысы Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax Н қосымшасы) болатын сірке қышқылы 0.10 mol/L кезінде шамамен 1 пайыз ғана иондалған, ал оның pH мәні шамамен 2.9. Әлсіз қышқылдың тепе-теңдік есептері — бөлек тақырып; бұл нұсқаулық тек салыстыруды қолданады.

Қышқыл күші мен оның түйіндес негізі байланысты. Cl⁻ және NO₃⁻ сияқты күшті қышқылдардың түйіндес негіздерінің суда протон қабылдауға бейімділігі елеусіз.

Судың иондық көбейтіндісі, pH және pOH

Таза суда да бірнеше ион бар, өйткені су молекулалары бір-біріне протон береді: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Бұл автоионизацияның тепе-теңдік тұрақтысы 25 °C кезінде Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴. Таза суда екі концентрация тең, әрқайсысы 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C кезіндегі кез келген сулы ерітіндіде бір концентрацияны білсеңіз, Kw-ды оған бөліп екіншісін таба аласыз.

Бұл концентрациялар ондық дәрежелердің көптеген ретін қамтитындықтан, химиктер логарифмдерді қолданады: pH = −log[H₃O⁺] және pOH = −log[OH⁻]. Kw өрнегінің теріс логарифмін алу 25 °C кезінде pH + pOH = 14.00 береді. Бір pH бірлігінің өзгерісі гидроксоний концентрациясының он еселенген өзгерісі, сондықтан pH 3 ерітіндінің [H₃O⁺] мәні pH 5 ерітіндіден 100 есе көп.

Бейтарап дегеніміз [H₃O⁺] = [OH⁻], ол тек 25 °C кезінде pH 7.00 болады. Kw температурамен артады; OpenStax 100 °C кезінде шамамен 5.6 × 10⁻¹³ деп береді, онда бейтарап судың pH мәні 6.1-ге жақын. Логарифмдер үшін pH-тағы ондық таңбалар саны концентрациядағы маңызды цифрлар санына тең.

Күшті қышқылдар мен күшті негіздер үшін pH есептеу

1-шешілген мысал. 4.6 × 10⁻³ mol/L азот қышқылының pH мәнін табыңыз. HNO₃ күшті, сондықтан [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Концентрацияның екі маңызды цифры бар, сондықтан pH-тың екі ондық таңбасы бар. Содан кейін [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, қышқыл ерітіндіде күтілгендей өте аз.

2-шешілген мысал. 750.0 mL ерітінді дайындау үшін 0.350 g калий гидроксиді ерітіледі. Екі ондық таңбаға дейін дөңгелектелген IUPAC стандартты атомдық салмақтарын (K 39.10, O 16.00, H 1.01) қолданғанда, M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol және [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, ал pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 мәнімен екі ондық таңбаға дейін шектелген.

3-шешілген мысал. 3.60 × 10⁻³ mol/L стронций гидроксидінің pH мәнін табыңыз. Sr(OH)₂ формулалық бірлікке екі гидроксид ионын босатады, сондықтан [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 және pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 көбейткішін ұмыту pH-ты шамамен 0.30-ға тым төмен берер еді.

4-шешілген мысал. Ерітіндінің pH мәні 4.62. Логарифмді кері бұрыңыз: [H₃O⁺] = 10 дәрежесі −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH-тағы екі ондық таңба концентрацияда екі маңызды цифрға мүмкіндік береді. pOH мәні 14.00 − 4.62 = 9.38, сондықтан [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH есептеріндегі логарифм және стехиометрия қателері

pH қателерінің көбі логарифмнен немесе қышқылдың не негіздің формуласынан туады. Жылдам ақылға қонымдылық тексеруі көбін ұстайды: 25 °C кезінде қышқылдық ерітінділердің pH мәні 7-ден төмен, негіздік ерітінділердікі 7-ден жоғары, ал концентрацияның әр он еселік өзгерісі pH-ты бір бірлікке жылжытады.

Өте сұйылтылған күшті қышқылдармен сақ болыңыз. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl ерітіндісінің pH мәні 8 емес, ол негіздік болар еді. Мұндай төмен концентрацияларда судың өз иондануынан шыққан гидроксоний иондары елеусіз емес, ал толық өңдеу бейтараптан сәл төмен шамамен 6.98 pH береді.

• Минус таңбасын тастау: 1-ден аз санның −log мәні оң. Қарапайым сұйылтылған ерітіндіден шыққан теріс pH таңба қатесін көрсетеді.
• Стехиометрияны ұмыту: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ және Ba(OH)₂ әрқайсысы формулалық бірлікке екі OH⁻ босатады.
• Негіз pOH бергенде pH қолдану: алдымен [OH⁻] бойынша pOH табыңыз, содан кейін түрлендіріңіз.
• Әлсіз қышқылды күшті деп санау: [H₃O⁺] қышқыл концентрациясына тек күшті қышқылдар үшін тең.
• pH + pOH = 14.00 формуласын 25 °C-тан алыс температураларда қолдану.