Asîd, baz û pH: veguhastina protonê û pîvana logarîtmîk

Ji asîdên Arrhenius bo veguhastina protonê ya Brønsted–Lowry

Arrhenius asîd wekî pêkhateyeke ku di avê de îyonên hîdrojenê çêdike û baz wekî yeke ku îyonên hîdroksîdê çêdike pênase kir. Pênase ji bo asîda hîdroklorîk û hîdroksîda sodyûmê dixebite, lê nikare rave bike çima amonyak, NH₃, ku hîdroksîd nahewîne, avê bazî dike.

Pênaseya Brønsted–Lowry vê bi balkişandina li ser protonê çareser dike. Asîd dayînerê protonê ye û baz wergirê protonê ye, ji ber vê yekê her reaksiyoneke asîd–bazê veguhastina protonê ye ji cureyekî bo yeke din. Amonyak baz e ji ber ku ew protonekê ji avê werdigire: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Protonekî tazî di avê de azad nîne. Ew bi molekuleke avê re girêdide da ku îyona hîdronyûmê, H₃O⁺, çêbike. Kîmyager pir caran H⁺(aq) wekî kurtenivîs dinivîsin, û her du nivîsandin di hesabên pH de heman wateyê didin.

Dîtina cotên asîd–baz ên hevgirtî

Dema asîdek protonekê dide, ya ku dimîne bazê wê yê hevgirtî ye; dema bazek protonekê werdigire, ew dibe asîda wê ya hevgirtî. Du endamên cotek hevgirtî tam bi yek H⁺ ji hev cuda ne. Di HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) de, cot HF/F⁻ û H₃O⁺/H₂O ne.

Av di reaksiyona HF de wekî baz û di reaksiyona amonyakê de wekî asîd xuya dibe. Cureyekî ku dikare protonekê bide an werbigire amfiprotîk tê gotin. Hîdrojen karbonat, HCO₃⁻, mînakeke din e: ew dikare protonekê winda bike û bibe CO₃²⁻ an yekê bi dest bixe û bibe H₂CO₃.

• Hevkêşeyê binivîse û cureyê ku ji çepê bo rastê diçe H⁺ winda dike bibîne. Ew asîd e.
• Cureyê ku H⁺ bi dest dixe bibîne. Ew baz e.
• Her reaktantekê bi berhemê ku bi yek H⁺ ji wê cuda ye re bike cot, û kontrol bike ku bar bi yekê ji hev cuda ne.

Xurt û qels asta tê vedibêjin, ne tîrêjiyê

Asîdeke xurt di avê de hema hema bi temamî îyonîze dibe, ji ber vê yekê her molekulek asîdê ya hatî helandin H₃O⁺ û bazê wê yê hevgirtî dide. Asîdên xurt ên berbelav HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ û H₂SO₄ (ji bo protona wî ya yekem) in. Bazên xurt ên berbelav hîdroksîdên metalên koma 1 û yên kalsyûm, stronsyûm û barîumê ne. Asîdeke qels tenê beşî îyonîze dibe, û hevsengiyek di navbera molekul û îyonên wê de tê saz kirin.

Hêz û tîrêjî fikrên cuda ne. Çareseriyeke tenik a asîdeke xurt dikare ji çareseriyeke tîrêj a asîdeke qels kêmtir îyonên hîdronyûmê hebin. Di tîrêjiya wekhev de lê, cudahî mezin e. Çareseriyeke HCl ya 0.10 mol/L [H₃O⁺] = 0.10 mol/L û pH 1.00 heye. Asîda asetîk, bi sabîta îyonîzasyonê ya asîdê Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (Pêvek H ya OpenStax), di 0.10 mol/L de tenê nêzîkî 1 ji sedî îyonîze dibe, û pH ya wê nêzîkî 2.9 e. Hesabên hevsengiyê yên asîdên qels mijareke cuda ne; ev rêber tenê berhevdanê bi kar tîne.

Hêza asîdekê û bazê wê yê hevgirtî bi hev ve girêdayî ne. Bazên hevgirtî yên asîdên xurt, wekî Cl⁻ û NO₃⁻, meyleke îhmal dikin ji bo wergirtina protonekê di avê de.

Hilbera îyonan a avê, pH û pOH

Av ya paqij jî çend îyonan dihewîne, ji ber ku molekulên avê proton ji hev re diguhezînin: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Sabîta hevsengiyê ji bo vê xwe-îyonîzasyonê Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ di 25 °C de ye. Di avê ya paqij de her du tîrêjî wekhev in, her yek 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. Di her çareseriyeke avî de di 25 °C de, heke tu yek tîrêjiyê bizanî tu dikarî yeke din bi dabeşkirina Kw bi wê bibînî.

Ji ber ku ev tîrêjî gelek hêzên deh digirin, kîmyager logarîtman bi kar tînin: pH = −log[H₃O⁺] û pOH = −log[OH⁻]. Girtina logarîtmaya neyînî ya vegotina Kw pH + pOH = 14.00 di 25 °C de dide. Guherîna yek yekeya pH guherîneke deh carî ya tîrêjiya hîdronyûmê ye, ji ber vê yekê çareseriyeke di pH 3 de 100 carî [H₃O⁺] ya ya di pH 5 de heye.

Bêalî tê wateya [H₃O⁺] = [OH⁻], ku tenê di 25 °C de pH 7.00 e. Kw bi germahiyê re zêde dibe; OpenStax di 100 °C de nêzîkî 5.6 × 10⁻¹³ dide, ku li wir ava bêalî pH nêzîkî 6.1 heye. Ji bo logarîtman, hejmara cihên dehyekan di pH de bi hejmara reqemên girîng di tîrêjiyê de re wekhev e.

Hesabkirina pH ji bo asîd û bazên xurt

Mînaka çareserkirî 1. pH ya asîda nîtrîk a 4.6 × 10⁻³ mol/L bibîne. HNO₃ xurt e, ji ber vê yekê [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Tîrêjî du reqemên girîng heye, ji ber vê yekê pH du cihên dehyekan heye. Paşê [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, pir piçûk wekî ku di çareseriyeke asîdî de tê hêvîkirin.

Mînaka çareserkirî 2. 0.350 g hîdroksîda potasyûmê tê helandin da ku 750.0 mL çareserî çêbibe. Bi kêşên atomî yên standard ên IUPAC ên heta du dehyekan bidorkirî (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, û [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, û pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, bi 14.00 heta du cihên dehyekan sînordar.

Mînaka çareserkirî 3. pH ya hîdroksîda stronsyûmê ya 3.60 × 10⁻³ mol/L bibîne. Sr(OH)₂ ji bo her yekeyek formulê du îyonên hîdroksîdê azad dike, ji ber vê yekê [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 û pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. Ji bîrkirina faktora 2 dê pH nêzîkî 0.30 pir nizm bida.

Mînaka çareserkirî 4. Çareseriyek pH 4.62 heye. Logarîtmayê berovajî bike: [H₃O⁺] = 10 bi hêza −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. Du cihên dehyekan di pH de du reqemên girîng di tîrêjiyê de destûr didin. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38 e, ji ber vê yekê [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

Xeletiyên logarîtma û stoyîkîyometriyê di xebata pH de

Piraniya xeletiyên pH ji logarîtmayê an ji formula asîd an bazê têne. Kontrolkirineke bilez a aqilmend gelekan digire: çareseriyên asîdî di 25 °C de pH ya di bin 7 de, yên bazî li jor 7, û her faktoreke deh di tîrêjiyê de pH bi yek yekeyê diguherîne.

Bi asîdên xurt ên pir tenik baldar be. Çareseriyeke HCl ya 1.0 × 10⁻⁸ mol/L pH 8 nîne, ku bazî be. Di tîrêjiyên wiha nizm de, îyonên hîdronyûmê yên ji xwe-îyonîzasyona avê ne îhmal in, û dermankirineke temam pH nêzîkî 6.98 dide, tenê di bin bêalîbûnê de.

• Avêtina nîşana mînûsê: −log ya hejmareke di bin 1 de erênî ye. pH ya neyînî ji çareseriyeke tenik a asayî nîşana xeletiyeke nîşanê ye.
• Ji bîrkirina stoyîkîyometriyê: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ û Ba(OH)₂ her yek ji bo her yekeya formulê du OH⁻ azad dikin.
• Bikaranîna pH dema baz pOH dide: pêşî pOH ji [OH⁻] bibîne, paşê veguherîne.
• Dîtina asîdeke qels wekî xurt: [H₃O⁺] tenê ji bo asîdên xurt bi tîrêjiya asîdê re wekhev e.
• Sepandina pH + pOH = 14.00 di germahiyên ji 25 °C pir dûr de.