Әлсіз қышқылдар мен негіздер: Ka мен Kb-дан pH-қа дейін

Ka, Kb және олардың p-шкалаларын оқу

Әлсіз HA қышқылы үшін HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) иондануының тұрақтысы Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]. Су еріткіш болғандықтан, ол есепке алынбайды. Ka үлкенірек болса, қышқыл күштірек. Әлсіз B негізі үшін B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) реакциясының тұрақтысы Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B].

Бұл тұрақтылар ондық дәрежелердің көптеген ретін қамтитындықтан, олар жиі pKa = −log Ka және pKb = −log Kb түрінде беріледі. Шкала кері бағытта жүреді: pKa кішірек болса, қышқыл күштірек. H қосымшасы сірке қышқылы үшін Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), фторсутек қышқылы үшін 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19) және көгерткіш қышқыл үшін 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) береді. Екеуі де әлсіз деп аталса да, HF-тің Ka мәні HCN-дікінен шамамен миллион есе үлкен.

Шешілген мысал: кіші x тәсілімен әлсіз қышқылдың pH мәні

0.200 M сірке қышқылының, CH₃COOH, pH мәнін табыңыз. x — иондалатын мөлшер болсын. Тепе-теңдікте [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x және [CH₃COOH] = 0.200 − x. Судың өзінің H₃O⁺-ке қосатын үлесі (10⁻⁷ M) қышқылдікімен салыстырғанда елеусіз.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) деп жазыңыз. Ka кіші болғандықтан, x 0.200-ден әлдеқайда кіші деп болжап, оны бөлімнен алып тастаңыз. Сонда x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ және x = 1.9 × 10⁻³ M. Тексеру: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 — 1 пайыздан сәл төмен, 5 пайыз шегінен едәуір төмен, сондықтан қысқа жол жарамды. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, екі ондық таңбамен жазылады, өйткені Ka-да екі маңызды цифр бар.

Мұны сол концентрациядағы күшті қышқылмен салыстырыңыз, ол pH 0.70 берер еді. Әлсіз қышқылдағы гидроксоний концентрациясы шамамен жүз есе аз.

Шешілген мысал: қысқа жол жарамсыз болып, квадрат теңдеу қажет болғанда

H қосымшасындағы Ka = 4.6 × 10⁻⁴ болатын 0.0500 M азотты қышқылдың, HNO₂, pH мәнін табыңыз. Қысқа жол x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M береді, бұл 0.0500-дің 9.6 пайызы. Бұл 5 пайыздық тексеруден өтпейді, сондықтан толық теңдеуді шешіңіз.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) теңдеуін x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 түріне келтіріңіз. Оң түбір x = 4.57 × 10⁻³ M, сондықтан pH = 2.34, ал қышқыл 9.1 пайыз иондалған. Қысқа жол pH 2.32 берер еді. 0.02 айырма аз көрінеді, бірақ ол деректер қамтамасыз ететін 0.01 дәлдіктен үлкен, сондықтан жазылатын жауап — квадрат теңдеудің жауабы.

Жылдам тәжірибелік ереже: бастапқы концентрацияның Ka-ға қатынасы бірнеше жүзден жоғары болса, қысқа жол әдетте қауіпсіз. Мұнда 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ тек шамамен 110, сондықтан ол жарамсыз болды. Соған қарамастан 5 пайыздық тексеруді әр жолы орындаңыз.

Қышқыл сұйылтылған сайын иондану пайызы артады

Иондану пайызы — тепе-теңдіктегі [H₃O⁺]-тың қышқылдың бастапқы концентрациясына қатынасының 100-ге көбейтіндісі. Әлсіз қышқыл үшін ол тұрақты емес. Сірке қышқылы үшін толық теңдеуді шешу 0.200 M кезінде 0.94 пайыз, 0.0200 M кезінде 3.0 пайыз және 0.00200 M кезінде 9.0 пайыз береді.

Себебі — сұйылтуға қолданылған Ле Шателье принципі. Сұйылту әр концентрацияны төмендетеді, бұл Q-ды Ka-дан төмен түсіреді, және тепе-теңдік иондар көбірек жаққа ығысады. Сұйылтқанда pH бәрібір артады, бұл қатарда 2.72-ден 3.23-ке және 3.74-ке дейін, бірақ күшті қышқылдағыдай толық бір бірлікке емес, әр он есе сұйылтуға тек шамамен жарты бірлікке.

Шешілген мысал: әлсіз негіз және оның pOH мәні

I қосымшасындағы Kb = 1.8 × 10⁻⁵ болатын 0.120 M аммиактың pH мәнін табыңыз. Кесте қышқылдікімен бірдей пішінде, бірақ өнім — гидроксид: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x және [NH₃] = 0.120 − x.

Сонда x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, сондықтан x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. Тексеру 1.2 пайыз береді, сондықтан қысқа жол жарамды. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, және pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. Мұндағы ең жиі қате — 2.83-ті pH ретінде жазу. Негіз 7-ден жоғары pH беруі керек.

Иондары сумен әрекеттесетін тұздар

Судағы кез келген түйіндес қышқыл–негіз жұбы үшін 25 °C кезінде Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. Қышқыл неғұрлым күшті болса, оның түйіндес негізі соғұрлым әлсіз. Бұл кестелерде көрсетілмеген тұрақтыны табуға мүмкіндік береді.

1-шешілген мысал. 0.100 M натрий ацетатының pH мәнін табыңыз. Na⁺ сумен әрекеттеспейді, бірақ ацетат — әлсіз негіз. Оның Kb мәні 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. Сонда [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 және pH = 8.87. Ерітінді әлсіз негіздік.

2-шешілген мысал. 0.200 M аммоний хлоридінің pH мәнін табыңыз. Cl⁻ күшті қышқылдың түйіндес негізі және өлшенетін әсері жоқ, бірақ NH₄⁺ — Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ болатын әлсіз қышқыл. Сонда [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, және pH = 4.98.

• Күшті негіздің катионы (Na⁺, K⁺) мен күшті қышқылдың анионы (Cl⁻, NO₃⁻): бейтарап.
• Күшті негіздің катионы мен әлсіз қышқылдың анионы (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): негіздік.
• Әлсіз негіздің түйіндес қышқылы болатын катион (NH₄⁺) мен күшті қышқылдың анионы: қышқылдық.
• Екі ион да әрекеттеседі: катионның Ka мәнін анионның Kb мәнімен салыстырыңыз. Қай тұрақты үлкен болса, сол басым.

Көп негізді қышқылдар протондарын бір-бірлеп жоғалтады

Көмір қышқылы, H₂CO₃, және фосфор қышқылы, H₃PO₄, сияқты қышқылдардың әр протон үшін бір Ka мәні бар, және әрқайсысы алдыңғысынан әлдеқайда кіші. Көмір қышқылы үшін H қосымшасы Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ және Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ береді. Ka1 Ka2-ден мыңдаған есе үлкен болғандықтан, гидроксонийдің дерлік бәрі бірінші сатыдан келеді.

Шешілген мысал. 0.0330 M көмір қышқылы үшін бірінші сатыны жалғыз әлсіз қышқыл ретінде қарастырыңыз: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, сондықтан pH = 3.92. Екінші саты мұны әрең өзгертеді. [H₃O⁺] мен [HCO₃⁻] дерлік тең болғандықтан, олар Ka2 өрнегінде қысқарады, және [CO₃²⁻] шамамен Ka2-ге, 4.7 × 10⁻¹¹ M-ге тең болып шығады.

Әлсіз қышқылдар мен негіздердегі назар аударатын қателер

Аяқтамас бұрын жауаптың мағыналы екенін өзіңізден сұраңыз. Әлсіз қышқыл ерітіндісінің pH мәні сол концентрациядағы күшті қышқылдікінен жоғары, ал әлсіз негіздікі күшті негіздікінен төмен болуы керек.

• Әлсіз қышқылды күшті деп санап, [H₃O⁺]-ты бастапқы концентрацияға тең деп алу.
• x-ті алып тастағаннан кейін 5 пайыздық тексеруді өткізіп жіберу.
• Негіз үшін pOH-ты pH ретінде жазу немесе соңында түрлендіруді ұмыту.
• Тұз анионы үшін Kb қажет жерде Ka қолдану. Алдымен Kw арқылы түрлендіріңіз.
• Cl⁻, NO₃⁻ немесе Na⁺ иондарын pH-ты өзгертетіндей қарастыру.
• Ka2 Ka1-ден әлдеқайда кіші болғанда көп негізді қышқыл үшін екінші иондану гидроксонийін біріншісіне қосу.
• pH-та Ka-дағы маңызды цифрлардан көп ондық таңба жазу.