Кислоталар, негиздер жана pH: протондун өтүшү жана логарифмдик шкала

Аррениус кислоталарынан Бренстед–Лоури протон өтүшүнө чейин

Аррениус кислотаны сууда суутек иондорун пайда кылган кошулма, ал эми негизди гидроксид иондорун пайда кылган кошулма деп аныктаган. Аныктама туз кислотасы менен натрий гидроксиди үчүн иштейт, бирок гидроксиди жок аммиак, NH₃, сууну эмне үчүн негиздик кылларын түшүндүрө албайт.

Бренстед–Лоури аныктамасы муну протонго көңүл буруу менен оңдойт. Кислота — протон донору, негиз — протон акцептору, ошондуктан ар бир кислота–негиздик реакция бир бөлүкчөдөн экинчисине протондун өтүшү. Аммиак негиз, анткени ал суудан протонду кабыл алат: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Жылаңач протон сууда эркин жок. Ал суу молекуласы менен байланышып, гидроксоний ионун, H₃O⁺, түзөт. Химиктер көбүнчө H⁺(aq) кыскача жазышат, ал эми pH эсептөөлөрүндө эки белгилөө бирдей нерсени билдирет.

Түйүндөш кислота–негиз жуптарын табуу

Кислота протонду бергенде калган нерсе анын түйүндөш негизи; негиз протонду кабыл алганда анын түйүндөш кислотасына айланат. Түйүндөш жуптун эки мүчөсү так бир H⁺ менен айырмаланат. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) реакциясында жуптар HF/F⁻ жана H₃O⁺/H₂O.

Суу HF реакциясында негиз катары, аммиак реакциясында кислота катары көрүнөт. Протонду бере да, кабыл ала да алган бөлүкчө амфипротондук деп аталат. Гидрокарбонат, HCO₃⁻, дагы бир мисал: ал CO₃²⁻ болуу үчүн протонду жогото алат же H₂CO₃ болуу үчүн бирөөнү алат.

• Теңдемени жазып, солдон оңго өткөндө H⁺ жоготкон бөлүкчөнү табыңыз. Бул кислота.
• H⁺ алган бөлүкчөнү табыңыз. Бул негиз.
• Ар бир реагентти андан бир H⁺ менен айырмаланган продукт менен жупташтырыңыз жана заряддар бирге айырмаланарын текшериңиз.

Күчтүү жана алсыз концентрацияны эмес, даражаны сүрөттөйт

Күчтүү кислота сууда негизинен толук иондошот, ошондуктан эриген ар бир кислота молекуласы H₃O⁺ жана анын түйүндөш негизин берет. Кеңири таралган күчтүү кислоталар: HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ жана H₂SO₄ (биринчи протону үчүн). Кеңири таралган күчтүү негиздер — 1-топтун металлдарынын, ошондой эле кальций, стронций жана барийдин гидроксиддери. Алсыз кислота жарым-жартылай гана иондошот, молекула менен анын иондорунун ортосунда тең салмактуулук түзүлөт.

Күч жана концентрация — өзүнчө түшүнүктөр. Күчтүү кислотанын суюлтулган эритмесинде алсыз кислотанын концентраттуу эритмесине караганда гидроксоний иондору азыраак болушу мүмкүн. Бирок концентрациялары бирдей болгондо айырма чоң. 0.10 mol/L HCl эритмесинин [H₃O⁺] = 0.10 mol/L жана pH 1.00. Кислоталык иондошуу турактуусу Ka = 1.8 × 10⁻⁵ болгон сирке кислотасы (OpenStax H тиркемеси) 0.10 mol/L да болжол менен 1 пайыз гана иондошот, ал эми анын pH мааниси болжол менен 2.9. Алсыз кислотанын тең салмактуулук эсептөөлөрү өзүнчө тема; бул колдонмо салыштырууну гана колдонот.

Кислотанын күчү менен анын түйүндөш негизи байланышкан. Cl⁻ жана NO₃⁻ сыяктуу күчтүү кислоталардын түйүндөш негиздеринин сууда протонду кабыл алуу тенденциясы маанисиз.

Суунун иондук көбөйтүндүсү, pH жана pOH

Таза суу да бир нече ионду камтыйт, анткени суу молекулалары бири-бирине протон өткөрөт: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Бул автоионизациянын тең салмактуулук турактуусу 25 °C та Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴. Таза сууда эки концентрация барабар, ар бири 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C тагы ар кандай суудагы эритмеде бир концентрацияны билсеңиз, Kw ны ага бөлүп экинчисин табасыз.

Бул концентрациялар көптөгөн он даражасын камтыгандыктан, химиктер логарифмдерди колдонушат: pH = −log[H₃O⁺] жана pOH = −log[OH⁻]. Kw туюнтмасынын терс логарифмин алуу 25 °C та pH + pOH = 14.00 берет. Бир pH бирдигинин өзгөрүүсү гидроксоний концентрациясынын он эсе өзгөрүүсү, ошондуктан pH 3 теги эритмеде [H₃O⁺] pH 5 теги караганда 100 эсе көп.

Нейтралдуу [H₃O⁺] = [OH⁻] дегенди билдирет, ал pH 7.00 болот 25 °C та гана. Kw температура менен өсөт; OpenStax 100 °C та болжол менен 5.6 × 10⁻¹³ берет, мында нейтралдуу суунун pH мааниси 6.1 ге жакын. Логарифмдер үчүн pH дагы ондук белгилердин саны концентрациядагы маанилүү цифралардын санына барабар.

Күчтүү кислоталар жана күчтүү негиздер үчүн pH эсептөө

1-мисал. 4.6 × 10⁻³ mol/L азот кислотасынын pH мааниси кандай? HNO₃ күчтүү, ошондуктан [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Концентрациянын эки маанилүү цифрасы бар, ошондуктан pH дын эки ондук белгиси бар. Андан кийин [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, кислоталык эритмеде күтүлгөндөй өтө аз.

2-мисал. 0.350 g калий гидроксиди 750.0 mL эритме даярдоо үчүн эритилет. Эки ондукка чейин тегеректелген IUPAC стандарттуу атомдук салмактарын (K 39.10, O 16.00, H 1.01) колдонсок, M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, ал эми [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, жана pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 менен эки ондук белгиге чейин чектелет.

3-мисал. 3.60 × 10⁻³ mol/L стронций гидроксидинин pH мааниси кандай? Sr(OH)₂ формулалык бирдигине эки гидроксид ионун бөлүп чыгарат, ошондуктан [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 жана pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 коэффициентин унутуу pH ды болжол менен 0.30 га төмөн берет.

4-мисал. Эритменин pH мааниси 4.62. Логарифмди кайтарыңыз: [H₃O⁺] = −4.62 даражасына көтөрүлгөн 10 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH дагы эки ондук белги концентрацияда эки маанилүү цифраны берет. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38, демек [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH иштериндеги логарифм жана стехиометрия каталары

pH каталарынын көбү логарифмден же кислотанын же негиздин формуласынан келип чыгат. Тез акыл-эс текшерүүсү алардын көбүн байкайт: 25 °C тагы кислоталык эритмелердин pH мааниси 7 ден төмөн, негиздик эритмелердики 7 ден жогору, ал эми концентрациянын ар бир он эсеси pH ды бир бирдикке жылдырат.

Өтө суюлтулган күчтүү кислоталарга этият болуңуз. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl эритмесинин pH мааниси 8 эмес, ал негиздик болмок. Мындай төмөн концентрацияларда суунун өз иондошуусунан келген гидроксоний иондору маанисиз эмес, жана толук иштетүү болжол менен 6.98 pH ды берет, нейтралдуудан бир аз төмөн.

• Минус белгисин таштап коюу: 1ден кичине сандын −log мааниси оң. Кадимки суюлтулган эритмеден терс pH белги катасын билдирет.
• Стехиометрияны унутуу: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ жана Ba(OH)₂ ар бир формулалык бирдикке эки OH⁻ бөлүп чыгарат.
• Негиз pOH берген учурда pH колдонуу: адегенде [OH⁻] тен pOH ты табыңыз, андан кийин айландырыңыз.
• Алсыз кислотаны күчтүү деп эсептөө: [H₃O⁺] кислотанын концентрациясына күчтүү кислоталар үчүн гана барабар.
• pH + pOH = 14.00 ду 25 °C тан алыс температураларда колдонуу.