Алсыз кислоталар жана негиздер: Ka жана Kb дан pH ка чейин

Ka, Kb жана алардын p-шкалаларын окуу

Алсыз кислота HA үчүн HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) иондошуусунун константасы Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]. Суу — эриткич жана ал кошулбайт. Ka чоңураак болсо, кислота күчтүүрөөк. Алсыз негиз B үчүн B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) реакциясынын константасы Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B].

Бул константалар ондун көптөгөн даражаларын камтыгандыктан, алар көбүнчө pKa = −log Ka жана pKb = −log Kb түрүндө берилет. Шкала тескери иштейт: pKa кичине болсо, кислота күчтүүрөөк. H тиркемеси сирке кислотасы үчүн Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), фтордуу суутек кислотасы үчүн 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19) жана цианистүү суутек кислотасы үчүн 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) берет. HF тин Ka мааниси HCN дикинен болжол менен миллион эсе чоң, экөө тең алсыз деп аталса да.

Чыгарылган мисал: кичине x кыска жолу менен алсыз кислотанын pH мааниси

0.200 M сирке кислотасынын, CH₃COOH, pH маанисин табыңыз. x иондошкон сан болсун. Тең салмактуулукта [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x жана [CH₃COOH] = 0.200 − x. Суунун өзүнүн H₃O⁺ го кошкон салымы (10⁻⁷ M) кислотанын салымына салыштырмалуу эске алынбагыдай аз.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) деп жазыңыз. Ka кичине болгондуктан, x 0.200 дөн алда канча кичине деп болжолдоп, аны бөлүмдөн алып салыңыз. Анда x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ жана x = 1.9 × 10⁻³ M. Текшерүү: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 1 пайыздан бир аз гана төмөн, 5 пайыздык чектен бир топ төмөн, ошондуктан кыска жол туура. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, эки ондук белгиге чейин берилет, анткени Ka нын эки маанилүү цифрасы бар.

Муну ошол эле концентрациядагы күчтүү кислота менен салыштырыңыз, ал pH 0.70 бермек. Алсыз кислотада гидроксоний концентрациясы болжол менен жүз эсе аз.

Чыгарылган мисал: кыска жол иштебей, квадраттык теңдеме керек болгондо

H тиркемесиндеги Ka = 4.6 × 10⁻⁴ менен 0.0500 M азоттуу кислотанын, HNO₂, pH маанисин табыңыз. Кыска жол x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M берет, бул 0.0500 дүн 9.6 пайызы. Бул 5 пайыздык текшерүүдөн өтпөйт, ошондуктан толук теңдемени чечиңиз.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) теңдемесин x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 түрүнө келтириңиз. Оң тамыр x = 4.57 × 10⁻³ M, ошондуктан pH = 2.34 жана кислота 9.1 пайыз иондошкон. Кыска жол pH 2.32 бермек. 0.02 айырма кичине көрүнөт, бирок ал маалыматтар колдогон 0.01 тактыктан чоң, ошондуктан квадраттык теңдеменин жообун берүү керек.

Тез болжолдуу эреже: баштапкы концентрациянын Ka га катышы бир нече жүздөн жогору болгондо кыска жол адатта коопсуз. Бул жерде 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ болжол менен 110 гана, ошондуктан ал иштеген жок. Баары бир 5 пайыздык текшерүүнү ар дайым жүргүзүңүз.

Кислота суюлтулган сайын иондошуу пайызы өсөт

Иондошуу пайызы — тең салмактуулуктагы [H₃O⁺] тын кислотанын баштапкы концентрациясына катышы, 100гө көбөйтүлгөн. Алсыз кислота үчүн ал туруктуу эмес. Сирке кислотасы үчүн толук теңдемени чечүү 0.200 M де 0.94 пайыз, 0.0200 M де 3.0 пайыз жана 0.00200 M де 9.0 пайыз берет.

Себеби — суюлтууга колдонулган Ле Шателье принциби. Суюлтуу ар бир концентрацияны төмөндөтөт, бул Q ну Ka дан төмөн түшүрөт, жана тең салмактуулук иондор көбүрөөк тарапка жылат. pH суюлтууда баары бир өсөт, бул катарда 2.72 ден 3.23 кө жана 3.74 кө чейин, бирок күчтүү кислотада көргөндөй толук бир бирдикке эмес, он эсе суюлтууда болжол менен жарым бирдикке гана.

Чыгарылган мисал: алсыз негиз жана анын pOH мааниси

I тиркемесиндеги Kb = 1.8 × 10⁻⁵ менен 0.120 M аммиактын pH маанисин табыңыз. Таблица кислотаныкындай эле түзүлөт, бирок продукт гидроксид: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x жана [NH₃] = 0.120 − x.

Анда x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, ошондуктан x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. Текшерүү 1.2 пайыз берет, ошондуктан кыска жол туура. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, жана pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. Бул жердеги эң кеңири таралган жаңылыштык — 2.83 тү pH катары берүү. Негиз 7ден жогору pH бериши керек.

Иондору суу менен реакцияга кирген туздар

Суудагы ар кандай түйүндөш кислота–негиз жубу үчүн 25 °C та Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. Кислота канчалык күчтүү болсо, анын түйүндөш негизи ошончолук алсыз. Бул таблицаларда берилбеген константаны табууга мүмкүндүк берет.

Чыгарылган 1-мисал. 0.100 M натрий ацетатынын pH маанисин табыңыз. Na⁺ суу менен реакцияга кирбейт, бирок ацетат — алсыз негиз. Анын Kb мааниси 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. Анда [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 жана pH = 8.87. Эритме бир аз негиздик.

Чыгарылган 2-мисал. 0.200 M аммоний хлоридинин pH маанисин табыңыз. Cl⁻ — күчтүү кислотанын түйүндөш негизи жана байкаларлык таасири жок, бирок NH₄⁺ — Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ болгон алсыз кислота. Анда [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, жана pH = 4.98.

• Күчтүү негизден келген катион (Na⁺, K⁺) жана күчтүү кислотадан келген анион (Cl⁻, NO₃⁻): нейтралдуу.
• Күчтүү негизден келген катион жана алсыз кислотанын аниону (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): негиздик.
• Алсыз негиздин түйүндөш кислотасы болгон катион (NH₄⁺) жана күчтүү кислотанын аниону: кислоталык.
• Эки ион тең реакцияга кирет: катиондун Ka маанисин аниондун Kb мааниси менен салыштырыңыз. Кайсы константа чоң болсо, ошол жеңет.

Көп негиздүү кислоталар протондорун бирден жоготот

Көмүр кислотасы, H₂CO₃, жана фосфор кислотасы, H₃PO₄, сыяктуу кислоталардын ар бир протон үчүн бир Ka мааниси бар, жана ар бири мурункусунан алда канча кичине. Көмүр кислотасы үчүн H тиркемеси Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ жана Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ берет. Ka1 Ka2 ден миңдеген эсе чоң болгондуктан, гидроксонийдин дээрлик баары биринчи баскычтан келет.

Чыгарылган мисал. 0.0330 M көмүр кислотасы үчүн биринчи баскычты жалгыз алсыз кислота катары караңыз: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, ошондуктан pH = 3.92. Экинчи баскыч муну дээрлик өзгөртпөйт. [H₃O⁺] жана [HCO₃⁻] дээрлик барабар болгондуктан, алар Ka2 туюнтмасында кыскарат, жана [CO₃²⁻] болжол менен Ka2 ге, 4.7 × 10⁻¹¹ M ге, барабар болуп чыгат.

Алсыз кислота жана негиз боюнча байкала турган каталар

Бүтүрөөрдөн мурун жооп маанилүүбү, ошону сураңыз. Алсыз кислотанын эритмеси ошол эле концентрациядагы күчтүү кислотага караганда жогорураак pH ка, ал эми алсыз негиз күчтүү негизге караганда төмөнүрөөк pH ка ээ болушу керек.

• Алсыз кислотаны күчтүү катары карап, [H₃O⁺] ту баштапкы концентрацияга барабар деп алуу.
• x ти алып салгандан кийин 5 пайыздык текшерүүнү өткөрүп жиберүү.
• Негиз үчүн pOH ту pH катары берүү же аягында айландырууну унутуу.
• Туздун аниону үчүн Kb керек болгон жерде Ka ны колдонуу. Адегенде Kw менен айландырыңыз.
• Cl⁻, NO₃⁻ же Na⁺ ту pH ты өзгөртөт деп кароо.
• Ka2 Ka1 ден алда канча кичине болгондо, көп негиздүү кислота үчүн экинчи иондошуудан келген гидроксонийди биринчисине кошуу.
• pH та Ka дагы маанилүү цифралардан көбүрөөк ондук белгилерди берүү.