അമ്ലങ്ങൾ, ക്ഷാരങ്ങൾ, pH: പ്രോട്ടോൺ കൈമാറ്റവും ലോഗരിതമിക് സ്കെയിലും

ആർഹീനിയസ് അമ്ലങ്ങളിൽ നിന്ന് ബ്രോൺസ്റ്റഡ്–ലോറി പ്രോട്ടോൺ കൈമാറ്റത്തിലേക്ക്

വെള്ളത്തിൽ ഹൈഡ്രജൻ അയോണുകൾ ഉണ്ടാക്കുന്ന സംയുക്തത്തെ അമ്ലമായും ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് അയോണുകൾ ഉണ്ടാക്കുന്നതിനെ ക്ഷാരമായും ആർഹീനിയസ് നിർവചിച്ചു. ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് അമ്ലത്തിനും സോഡിയം ഹൈഡ്രോക്സൈഡിനും ഈ നിർവചനം പ്രവർത്തിക്കുന്നു, പക്ഷേ ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് അടങ്ങിയിട്ടില്ലാത്ത അമോണിയ, NH₃, വെള്ളത്തെ ക്ഷാരമാക്കുന്നത് എന്തുകൊണ്ടെന്ന് അതിന് വിശദീകരിക്കാനാകില്ല.

പ്രോട്ടോണിൽ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിച്ച് ബ്രോൺസ്റ്റഡ്–ലോറി നിർവചനം ഇത് പരിഹരിക്കുന്നു. അമ്ലം പ്രോട്ടോൺ ദാതാവും ക്ഷാരം പ്രോട്ടോൺ സ്വീകർത്താവുമാണ്; അതിനാൽ ഓരോ അമ്ല–ക്ഷാര അഭിക്രിയയും ഒരു സ്പീഷീസിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്കുള്ള പ്രോട്ടോൺ കൈമാറ്റമാണ്. അമോണിയ വെള്ളത്തിൽ നിന്ന് പ്രോട്ടോൺ സ്വീകരിക്കുന്നതിനാൽ ക്ഷാരമാണ്: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

വെള്ളത്തിൽ നഗ്ന പ്രോട്ടോൺ സ്വതന്ത്രമായി നിലനിൽക്കുന്നില്ല. അത് ഒരു ജല തന്മാത്രയുമായി ബന്ധിച്ച് ഹൈഡ്രോണിയം അയോൺ, H₃O⁺, ഉണ്ടാക്കുന്നു. രസതന്ത്രജ്ഞർ പലപ്പോഴും ചുരുക്കരൂപമായി H⁺(aq) എഴുതുന്നു, pH കണക്കുകൂട്ടലുകളിൽ രണ്ട് സൂചനാരീതികളും ഒരേ അർഥം നൽകുന്നു.

സംയുഗ്മ അമ്ല–ക്ഷാര ജോടികൾ കണ്ടെത്തൽ

ഒരു അമ്ലം പ്രോട്ടോൺ ദാനം ചെയ്യുമ്പോൾ ശേഷിക്കുന്നത് അതിന്റെ സംയുഗ്മ ക്ഷാരമാണ്; ഒരു ക്ഷാരം പ്രോട്ടോൺ സ്വീകരിക്കുമ്പോൾ അത് അതിന്റെ സംയുഗ്മ അമ്ലമാകുന്നു. ഒരു സംയുഗ്മ ജോടിയിലെ രണ്ട് അംഗങ്ങൾ കൃത്യമായി ഒരു H⁺ കൊണ്ട് വ്യത്യാസപ്പെടുന്നു. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq)-ൽ ജോടികൾ HF/F⁻ ഉം H₃O⁺/H₂O ഉം ആണ്.

HF അഭിക്രിയയിൽ വെള്ളം ക്ഷാരമായും അമോണിയ അഭിക്രിയയിൽ അമ്ലമായും കാണപ്പെടുന്നു. പ്രോട്ടോൺ ദാനം ചെയ്യാനോ സ്വീകരിക്കാനോ കഴിയുന്ന സ്പീഷീസിനെ ആംഫിപ്രോട്ടിക് എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഹൈഡ്രജൻ കാർബണേറ്റ്, HCO₃⁻, മറ്റൊരു ഉദാഹരണമാണ്: അതിന് CO₃²⁻ ആകാൻ പ്രോട്ടോൺ നഷ്ടപ്പെടുത്താം, അല്ലെങ്കിൽ H₂CO₃ ആകാൻ ഒന്ന് നേടാം.

• സമവാക്യം എഴുതി, ഇടത്തുനിന്ന് വലത്തോട്ട് പോകുമ്പോൾ H⁺ നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്ന സ്പീഷീസ് കണ്ടെത്തുക. അതാണ് അമ്ലം.
• H⁺ നേടുന്ന സ്പീഷീസ് കണ്ടെത്തുക. അതാണ് ക്ഷാരം.
• ഓരോ അഭികാരകത്തെയും ഒരു H⁺ കൊണ്ട് വ്യത്യാസപ്പെടുന്ന ഉൽപ്പന്നവുമായി ജോടിയാക്കുക, ചാർജുകൾ ഒന്ന് വ്യത്യാസപ്പെടുന്നുവെന്ന് പരിശോധിക്കുക.

ശക്തമായതും ദുർബലമായതും വ്യാപ്തിയെ വിവരിക്കുന്നു, സാന്ദ്രതയെ അല്ല

ശക്തമായ അമ്ലം വെള്ളത്തിൽ ഏതാണ്ട് പൂർണമായി അയോണീകരിക്കുന്നു, അതിനാൽ ലയിച്ച ഓരോ അമ്ല തന്മാത്രയും H₃O⁺-ഉം അതിന്റെ സംയുഗ്മ ക്ഷാരവും നൽകുന്നു. സാധാരണ ശക്തമായ അമ്ലങ്ങൾ HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄, H₂SO₄ (ആദ്യ പ്രോട്ടോണിന്) എന്നിവയാണ്. സാധാരണ ശക്തമായ ക്ഷാരങ്ങൾ ഗ്രൂപ്പ് 1 ലോഹങ്ങളുടെയും കാൽസ്യം, സ്ട്രോൺഷ്യം, ബേരിയം എന്നിവയുടെയും ഹൈഡ്രോക്സൈഡുകളാണ്. ദുർബല അമ്ലം ഭാഗികമായി മാത്രം അയോണീകരിക്കുന്നു, തന്മാത്രയ്ക്കും അതിന്റെ അയോണുകൾക്കും ഇടയിൽ സന്തുലനം സ്ഥാപിക്കപ്പെടുന്നു.

ശക്തിയും സാന്ദ്രതയും വേറിട്ട ആശയങ്ങളാണ്. ശക്തമായ അമ്ലത്തിന്റെ നേർത്ത ലായനിക്ക് ദുർബല അമ്ലത്തിന്റെ സാന്ദ്ര ലായനിയെക്കാൾ കുറച്ച് ഹൈഡ്രോണിയം അയോണുകൾ ഉണ്ടാകാം. എന്നാൽ തുല്യ സാന്ദ്രതയിൽ വ്യത്യാസം വലുതാണ്. 0.10 mol/L HCl ലായനിക്ക് [H₃O⁺] = 0.10 mol/L ഉം pH 1.00 ഉം ആണ്. അമ്ല അയോണീകരണ സ്ഥിരാങ്കം Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax അനുബന്ധം H) ഉള്ള അസറ്റിക് അമ്ലം 0.10 mol/L-ൽ ഏകദേശം 1 ശതമാനം മാത്രമേ അയോണീകരിക്കുന്നുള്ളൂ, അതിന്റെ pH ഏകദേശം 2.9 ആണ്. ദുർബല-അമ്ല സന്തുലന കണക്കുകൂട്ടലുകൾ വേറിട്ട വിഷയമാണ്; ഈ ഗൈഡ് താരതമ്യം മാത്രമേ ഉപയോഗിക്കുന്നുള്ളൂ.

ഒരു അമ്ലത്തിന്റെ ശക്തിയും അതിന്റെ സംയുഗ്മ ക്ഷാരവും ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. Cl⁻, NO₃⁻ പോലുള്ള ശക്തമായ അമ്ലങ്ങളുടെ സംയുഗ്മ ക്ഷാരങ്ങൾക്ക് വെള്ളത്തിൽ പ്രോട്ടോൺ സ്വീകരിക്കാനുള്ള പ്രവണത അവഗണിക്കാവുന്നത്ര കുറവാണ്.

ജലത്തിന്റെ അയോൺ ഗുണനഫലം, pH, pOH

ശുദ്ധജലത്തിൽ പോലും ചില അയോണുകളുണ്ട്, കാരണം ജല തന്മാത്രകൾ പരസ്പരം പ്രോട്ടോൺ കൈമാറുന്നു: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). ഈ സ്വയം അയോണീകരണത്തിനുള്ള സന്തുലന സ്ഥിരാങ്കം 25 °C-ൽ Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ ആണ്. ശുദ്ധജലത്തിൽ രണ്ട് സാന്ദ്രതകളും തുല്യമാണ്, ഓരോന്നും 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C-ലെ ഏത് ജലീയ ലായനിയിലും, ഒരു സാന്ദ്രത അറിയാമെങ്കിൽ Kw-നെ അതുകൊണ്ട് ഹരിച്ച് മറ്റേത് കണ്ടെത്താം.

ഈ സാന്ദ്രതകൾ പത്തിന്റെ പല കൃതികളിൽ വ്യാപിച്ചിരിക്കുന്നതിനാൽ രസതന്ത്രജ്ഞർ ലോഗരിതങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു: pH = −log[H₃O⁺], pOH = −log[OH⁻]. Kw പദപ്രയോഗത്തിന്റെ നെഗറ്റീവ് ലോഗരിതം എടുക്കുമ്പോൾ 25 °C-ൽ pH + pOH = 14.00 ലഭിക്കുന്നു. ഒരു pH യൂണിറ്റിന്റെ മാറ്റം ഹൈഡ്രോണിയം സാന്ദ്രതയിലെ പത്തിരട്ടി മാറ്റമാണ്; അതിനാൽ pH 3 ഉള്ള ലായനിക്ക് pH 5 ഉള്ളതിനെക്കാൾ 100 മടങ്ങ് [H₃O⁺] ഉണ്ട്.

നിർവീര്യം എന്നാൽ [H₃O⁺] = [OH⁻] എന്നാണ്, അത് 25 °C-ൽ മാത്രമാണ് pH 7.00 ആകുന്നത്. Kw താപനിലയ്ക്കൊപ്പം വർധിക്കുന്നു; OpenStax 100 °C-ൽ ഏകദേശം 5.6 × 10⁻¹³ നൽകുന്നു, അവിടെ നിർവീര്യ ജലത്തിന്റെ pH ഏകദേശം 6.1 ആണ്. ലോഗരിതങ്ങൾക്ക്, pH-ലെ ദശാംശസ്ഥാനങ്ങളുടെ എണ്ണം സാന്ദ്രതയിലെ സാർഥക അക്കങ്ങളുടെ എണ്ണത്തിന് തുല്യമാണ്.

ശക്തമായ അമ്ലങ്ങൾക്കും ശക്തമായ ക്ഷാരങ്ങൾക്കും pH കണക്കാക്കൽ

ഉദാഹരണം 1. 4.6 × 10⁻³ mol/L നൈട്രിക് അമ്ലത്തിന്റെ pH കണ്ടെത്തുക. HNO₃ ശക്തമാണ്, അതിനാൽ [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. സാന്ദ്രതയ്ക്ക് രണ്ട് സാർഥക അക്കങ്ങളുള്ളതിനാൽ pH-ന് രണ്ട് ദശാംശസ്ഥാനങ്ങളുണ്ട്. പിന്നെ [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, അമ്ലീയ ലായനിയിൽ പ്രതീക്ഷിച്ചതുപോലെ വളരെ ചെറുത്.

ഉദാഹരണം 2. 0.350 g പൊട്ടാസ്യം ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് ലയിപ്പിച്ച് 750.0 mL ലായനി ഉണ്ടാക്കുന്നു. രണ്ട് ദശാംശസ്ഥാനങ്ങളിലേക്ക് റൗണ്ട് ചെയ്ത IUPAC സാധാരണ ആറ്റോമിക ഭാരങ്ങൾ (K 39.10, O 16.00, H 1.01) ഉപയോഗിച്ച്, M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 കാരണം രണ്ട് ദശാംശസ്ഥാനങ്ങളിൽ പരിമിതപ്പെടുന്നു.

ഉദാഹരണം 3. 3.60 × 10⁻³ mol/L സ്ട്രോൺഷ്യം ഹൈഡ്രോക്സൈഡിന്റെ pH കണ്ടെത്തുക. Sr(OH)₂ ഓരോ സൂത്രവാക്യ യൂണിറ്റിനും രണ്ട് ഹൈഡ്രോക്സൈഡ് അയോണുകൾ പുറത്തുവിടുന്നു, അതിനാൽ [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143, pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 എന്ന ഘടകം മറന്നാൽ pH ഏകദേശം 0.30 കുറവായി ലഭിക്കും.

ഉദാഹരണം 4. ഒരു ലായനിയുടെ pH 4.62 ആണ്. ലോഗരിതം തിരിച്ചാക്കുക: [H₃O⁺] = 10-ന്റെ −4.62 കൃതി = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH-ലെ രണ്ട് ദശാംശസ്ഥാനങ്ങൾ സാന്ദ്രതയിൽ രണ്ട് സാർഥക അക്കങ്ങൾ അനുവദിക്കുന്നു. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38 ആണ്, അതിനാൽ [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH കണക്കുകളിലെ ലോഗരിതം, സ്റ്റോയ്ക്കിയോമെട്രി പിഴവുകൾ

മിക്ക pH പിശകുകളും ലോഗരിതത്തിൽ നിന്നോ അമ്ലത്തിന്റെയോ ക്ഷാരത്തിന്റെയോ സൂത്രവാക്യത്തിൽ നിന്നോ ആണ് വരുന്നത്. ഒരു ദ്രുത യുക്തിപരിശോധന പലതും പിടികൂടുന്നു: 25 °C-ൽ അമ്ലീയ ലായനികൾക്ക് pH 7-ൽ താഴെയും ക്ഷാരീയ ലായനികൾക്ക് 7-ന് മുകളിലുമാണ്, സാന്ദ്രതയിലെ ഓരോ പത്തിരട്ടി മാറ്റവും pH-നെ ഒരു യൂണിറ്റ് നീക്കുന്നു.

വളരെ നേർത്ത ശക്തമായ അമ്ലങ്ങളിൽ ശ്രദ്ധിക്കുക. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl ലായനിക്ക് pH 8 അല്ല, അത് ക്ഷാരീയമായിരിക്കും. ഇത്ര കുറഞ്ഞ സാന്ദ്രതയിൽ ജലത്തിന്റെ സ്വന്തം അയോണീകരണത്തിൽ നിന്നുള്ള ഹൈഡ്രോണിയം അയോണുകൾ അവഗണിക്കാനാവില്ല, പൂർണ കൈകാര്യം നിർവീര്യത്തിന് തൊട്ടുതാഴെ ഏകദേശം 6.98 pH നൽകുന്നു.

• മൈനസ് ചിഹ്നം വിടൽ: 1-ൽ താഴെയുള്ള സംഖ്യയുടെ −log പോസിറ്റീവ് ആണ്. സാധാരണ നേർത്ത ലായനിക്ക് നെഗറ്റീവ് pH ലഭിക്കുന്നത് ചിഹ്ന പിശകിനെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു.
• സ്റ്റോയ്ക്കിയോമെട്രി മറക്കൽ: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂ എന്നിവ ഓരോ സൂത്രവാക്യ യൂണിറ്റിനും രണ്ട് OH⁻ വീതം പുറത്തുവിടുന്നു.
• ക്ഷാരം pOH നൽകുമ്പോൾ pH ഉപയോഗിക്കൽ: ആദ്യം [OH⁻]-ൽ നിന്ന് pOH കണ്ടെത്തുക, പിന്നെ മാറ്റുക.
• ദുർബല അമ്ലത്തെ ശക്തമായതായി കണക്കാക്കൽ: ശക്തമായ അമ്ലങ്ങൾക്ക് മാത്രമേ [H₃O⁺] അമ്ല സാന്ദ്രതയ്ക്ക് തുല്യമാകൂ.
• 25 °C-ൽ നിന്ന് വളരെ അകലെയുള്ള താപനിലകളിൽ pH + pOH = 14.00 പ്രയോഗിക്കൽ.