ദുർബല അമ്ലങ്ങളും ക്ഷാരങ്ങളും: Ka, Kb എന്നിവയിൽ നിന്ന് pH-ലേക്ക്

Ka, Kb എന്നിവയും അവയുടെ p-സ്കെയിലുകളും വായിക്കൽ

ഒരു ദുർബല അമ്ലം HA-ക്ക്, HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) എന്ന അയോണീകരണത്തിന് Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] എന്ന സ്ഥിരാങ്കമുണ്ട്. ജലം ലായകമാണ്, അത് ഒഴിവാക്കുന്നു. വലിയ Ka എന്നാൽ കൂടുതൽ ശക്തമായ അമ്ലം. ഒരു ദുർബല ക്ഷാരം B-ക്ക്, B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) എന്ന അഭിക്രിയയ്ക്ക് Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B].

ഈ സ്ഥിരാങ്കങ്ങൾ പത്തിന്റെ പല കൃതികളിൽ വ്യാപിച്ചിരിക്കുന്നതിനാൽ അവ പലപ്പോഴും pKa = −log Ka, pKb = −log Kb ആയി രേഖപ്പെടുത്തുന്നു. സ്കെയിൽ പിന്നോട്ടാണ്: ചെറിയ pKa എന്നാൽ കൂടുതൽ ശക്തമായ അമ്ലം. അനുബന്ധം H അസറ്റിക് അമ്ലത്തിന് Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), ഹൈഡ്രോഫ്ലൂറിക് അമ്ലത്തിന് 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19), ഹൈഡ്രോസയാനിക് അമ്ലത്തിന് 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) എന്നിങ്ങനെ നൽകുന്നു. രണ്ടിനെയും ദുർബലം എന്ന് വിളിക്കുന്നുണ്ടെങ്കിലും HF-ന്റെ Ka, HCN-ന്റേതിനെക്കാൾ ഏകദേശം പത്ത് ലക്ഷം മടങ്ങ് വലുതാണ്.

ഉദാഹരണം: ചെറിയ-x കുറുക്കുവഴിയോടെ ഒരു ദുർബല അമ്ലത്തിന്റെ pH

0.200 M അസറ്റിക് അമ്ലത്തിന്റെ (CH₃COOH) pH കണ്ടെത്തുക. അയോണീകരിക്കുന്ന അളവ് x ആകട്ടെ. സന്തുലനത്തിൽ [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x, [CH₃COOH] = 0.200 − x. H₃O⁺-ലേക്കുള്ള ജലത്തിന്റെ സ്വന്തം സംഭാവന (10⁻⁷ M) അമ്ലത്തിന്റേതിനോട് താരതമ്യം ചെയ്യുമ്പോൾ അവഗണിക്കാവുന്നതാണ്.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) എന്നെഴുതുക. Ka ചെറുതായതിനാൽ x, 0.200-നെക്കാൾ വളരെ ചെറുതാണെന്ന് അനുമാനിച്ച് ഛേദത്തിൽ നിന്ന് അതിനെ ഒഴിവാക്കുക. അപ്പോൾ x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶, x = 1.9 × 10⁻³ M. പരിശോധന: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 എന്നത് 1 ശതമാനത്തിന് തൊട്ടുതാഴെയാണ്, 5 ശതമാന പരിധിക്ക് വളരെ താഴെ, അതിനാൽ കുറുക്കുവഴി സാധുവാണ്. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72; Ka-ക്ക് രണ്ട് സാർഥക അക്കങ്ങളുള്ളതിനാൽ രണ്ട് ദശാംശസ്ഥാനങ്ങളിൽ രേഖപ്പെടുത്തുന്നു.

അതേ സാന്ദ്രതയിലുള്ള ഒരു ശക്തമായ അമ്ലവുമായി താരതമ്യം ചെയ്യുക, അത് pH 0.70 നൽകും. ദുർബല അമ്ലത്തിന് ഹൈഡ്രോണിയം സാന്ദ്രതയുടെ ഏകദേശം നൂറിലൊന്ന് മാത്രമേയുള്ളൂ.

ഉദാഹരണം: കുറുക്കുവഴി പരാജയപ്പെടുകയും ദ്വിമാന സമവാക്യം വേണ്ടിവരികയും ചെയ്യുമ്പോൾ

അനുബന്ധം H-ൽ നിന്നുള്ള Ka = 4.6 × 10⁻⁴ ഉപയോഗിച്ച് 0.0500 M നൈട്രസ് അമ്ലത്തിന്റെ (HNO₂) pH കണ്ടെത്തുക. കുറുക്കുവഴി x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M നൽകുന്നു, ഇത് 0.0500-ന്റെ 9.6 ശതമാനമാണ്. അത് 5 ശതമാന പരിശോധനയിൽ പരാജയപ്പെടുന്നു, അതിനാൽ പൂർണ സമവാക്യം നിർധാരണം ചെയ്യുക.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x)-നെ x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 ആയി പുനഃക്രമീകരിക്കുക. പോസിറ്റീവ് മൂലം x = 4.57 × 10⁻³ M ആണ്, അതിനാൽ pH = 2.34, അമ്ലം 9.1 ശതമാനം അയോണീകരിച്ചിരിക്കുന്നു. കുറുക്കുവഴി pH 2.32 നൽകുമായിരുന്നു. 0.02 വ്യത്യാസം ചെറുതായി തോന്നാം, പക്ഷേ ഡാറ്റ പിന്തുണയ്ക്കുന്ന 0.01 കൃത്യതയെക്കാൾ വലുതാണ്, അതിനാൽ ദ്വിമാന സമവാക്യ ഉത്തരമാണ് രേഖപ്പെടുത്തേണ്ടത്.

ഒരു ദ്രുത ഏകദേശ നിയമം: പ്രാരംഭ സാന്ദ്രതയെ Ka കൊണ്ട് ഹരിച്ചത് ഏതാനും നൂറിന് മുകളിലാകുമ്പോൾ കുറുക്കുവഴി സാധാരണയായി സുരക്ഷിതമാണ്. ഇവിടെ 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ ഏകദേശം 110 മാത്രമാണ്, അതുകൊണ്ടാണ് അത് പരാജയപ്പെട്ടത്. എന്നിരുന്നാലും ഓരോ തവണയും 5 ശതമാന പരിശോധന നടത്തുക.

അമ്ലം നേർപ്പിക്കുമ്പോൾ ശതമാന അയോണീകരണം ഉയരുന്നു

സന്തുലനത്തിലെ [H₃O⁺]-നെ പ്രാരംഭ അമ്ല സാന്ദ്രത കൊണ്ട് ഹരിച്ച് 100 കൊണ്ട് ഗുണിച്ചതാണ് ശതമാന അയോണീകരണം. ഒരു ദുർബല അമ്ലത്തിന് അത് സ്ഥിരമല്ല. അസറ്റിക് അമ്ലത്തിനായി പൂർണ സമവാക്യം നിർധാരണം ചെയ്യുമ്പോൾ 0.200 M-ൽ 0.94 ശതമാനവും 0.0200 M-ൽ 3.0 ശതമാനവും 0.00200 M-ൽ 9.0 ശതമാനവും ലഭിക്കുന്നു.

നേർപ്പിക്കലിന് പ്രയോഗിച്ച ലെ ഷാറ്റ്‌ലിയർ തത്ത്വമാണ് കാരണം. നേർപ്പിക്കൽ ഓരോ സാന്ദ്രതയും കുറയ്ക്കുന്നു, ഇത് Q-യെ Ka-ക്ക് താഴെയാക്കുന്നു, സന്തുലനം കൂടുതൽ അയോണുകളിലേക്ക് മാറുന്നു. നേർപ്പിക്കുമ്പോൾ pH ഇപ്പോഴും ഉയരുന്നു, ഈ ശ്രേണിയിൽ 2.72-ൽ നിന്ന് 3.23-ലേക്കും 3.74-ലേക്കും, പക്ഷേ ഓരോ പത്തിരട്ടി നേർപ്പിക്കലിനും ഏകദേശം അര യൂണിറ്റ് മാത്രം, ശക്തമായ അമ്ലത്തിൽ കാണുന്ന ഒരു മുഴുവൻ യൂണിറ്റല്ല.

ഉദാഹരണം: ഒരു ദുർബല ക്ഷാരവും അതിന്റെ pOH-ഉം

അനുബന്ധം I-ൽ നിന്നുള്ള Kb = 1.8 × 10⁻⁵ ഉപയോഗിച്ച് 0.120 M അമോണിയയുടെ pH കണ്ടെത്തുക. പട്ടികയ്ക്ക് അമ്ലത്തിന്റേതിന്റെ അതേ രൂപമാണ്, പക്ഷേ ഉൽപ്പന്നം ഹൈഡ്രോക്സൈഡാണ്: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x, [NH₃] = 0.120 − x.

അപ്പോൾ x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, അതിനാൽ x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. പരിശോധന 1.2 ശതമാനം നൽകുന്നു, അതിനാൽ കുറുക്കുവഴി സാധുവാണ്. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. ഇവിടത്തെ ഏറ്റവും സാധാരണമായ പിഴവ് 2.83-നെ pH ആയി രേഖപ്പെടുത്തുന്നതാണ്. ഒരു ക്ഷാരം 7-ന് മുകളിലുള്ള pH നൽകണം.

അയോണുകൾ ജലവുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്ന ലവണങ്ങൾ

ജലത്തിലെ ഏതൊരു സംയുഗ്മ അമ്ല–ക്ഷാര ജോടിക്കും 25 °C-ൽ Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. അമ്ലം എത്ര ശക്തമാണോ അതിന്റെ സംയുഗ്മ ക്ഷാരം അത്ര ദുർബലമാണ്. പട്ടികകളിൽ ഇല്ലാത്ത ഒരു സ്ഥിരാങ്കം കണ്ടെത്താൻ ഇത് സഹായിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണം 1. 0.100 M സോഡിയം അസറ്റേറ്റിന്റെ pH കണ്ടെത്തുക. Na⁺ ജലവുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നില്ല, പക്ഷേ അസറ്റേറ്റ് ഒരു ദുർബല ക്ഷാരമാണ്. അതിന്റെ Kb 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ ആണ്. അപ്പോൾ [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13, pH = 8.87. ലായനി നേരിയ തോതിൽ ക്ഷാരീയമാണ്.

ഉദാഹരണം 2. 0.200 M അമോണിയം ക്ലോറൈഡിന്റെ pH കണ്ടെത്തുക. Cl⁻ ഒരു ശക്തമായ അമ്ലത്തിന്റെ സംയുഗ്മ ക്ഷാരമാണ്, അളക്കാവുന്ന ഫലമൊന്നുമില്ല, പക്ഷേ NH₄⁺, Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ ഉള്ള ഒരു ദുർബല അമ്ലമാണ്. അപ്പോൾ [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, pH = 4.98.

• ശക്തമായ ക്ഷാരത്തിൽ നിന്നുള്ള കാറ്റയോൺ (Na⁺, K⁺) ശക്തമായ അമ്ലത്തിൽ നിന്നുള്ള ആനയോണിനോടൊപ്പം (Cl⁻, NO₃⁻): നിർവീര്യം.
• ശക്തമായ ക്ഷാരത്തിൽ നിന്നുള്ള കാറ്റയോൺ ദുർബല അമ്ലത്തിന്റെ ആനയോണിനോടൊപ്പം (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): ക്ഷാരീയം.
• ദുർബല ക്ഷാരത്തിന്റെ സംയുഗ്മ അമ്ലമായ കാറ്റയോൺ (NH₄⁺) ശക്തമായ അമ്ലത്തിന്റെ ആനയോണിനോടൊപ്പം: അമ്ലീയം.
• രണ്ട് അയോണുകളും പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നവ: കാറ്റയോണിന്റെ Ka-യെ ആനയോണിന്റെ Kb-യുമായി താരതമ്യം ചെയ്യുക. ഏത് സ്ഥിരാങ്കമാണോ വലുത് അതിനാണ് മുൻതൂക്കം.

ബഹുപ്രോട്ടിക അമ്ലങ്ങൾ പ്രോട്ടോണുകൾ ഓരോന്നായി നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നു

കാർബോണിക് അമ്ലം, H₂CO₃, ഫോസ്ഫോറിക് അമ്ലം, H₃PO₄, പോലുള്ള അമ്ലങ്ങൾക്ക് ഓരോ പ്രോട്ടോണിനും ഒരു Ka വീതമുണ്ട്, ഓരോന്നും മുമ്പത്തേതിനെക്കാൾ വളരെ ചെറുതാണ്. കാർബോണിക് അമ്ലത്തിന് അനുബന്ധം H, Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷, Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ എന്നിങ്ങനെ പട്ടികപ്പെടുത്തുന്നു. Ka1, Ka2-നെക്കാൾ ആയിരക്കണക്കിന് മടങ്ങ് വലുതായതിനാൽ ഹൈഡ്രോണിയത്തിന്റെ മിക്കവാറും മുഴുവനും ആദ്യ ഘട്ടത്തിൽ നിന്നാണ് വരുന്നത്.

ഉദാഹരണം. 0.0330 M കാർബോണിക് അമ്ലത്തിന്, ആദ്യ ഘട്ടത്തെ ഒരൊറ്റ ദുർബല അമ്ലമായി കണക്കാക്കുക: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, അതിനാൽ pH = 3.92. രണ്ടാം ഘട്ടം ഇതിനെ കഷ്ടിച്ചേ മാറ്റുന്നുള്ളൂ. [H₃O⁺]-ഉം [HCO₃⁻]-ഉം ഏതാണ്ട് തുല്യമായതിനാൽ Ka2 പദപ്രയോഗത്തിൽ അവ റദ്ദാകുന്നു, [CO₃²⁻] ഏകദേശം Ka2-ന് തുല്യമായി, 4.7 × 10⁻¹¹ M, ലഭിക്കുന്നു.

ശ്രദ്ധിക്കേണ്ട ദുർബല അമ്ല, ക്ഷാര പിശകുകൾ

പൂർത്തിയാക്കുന്നതിനു മുമ്പ് ഉത്തരം യുക്തിസഹമാണോ എന്ന് ചോദിക്കുക. ഒരു ദുർബല അമ്ല ലായനിക്ക് അതേ സാന്ദ്രതയുള്ള ശക്തമായ അമ്ലത്തെക്കാൾ ഉയർന്ന pH-ഉം, ഒരു ദുർബല ക്ഷാരത്തിന് ശക്തമായ ക്ഷാരത്തെക്കാൾ താഴ്ന്ന pH-ഉം ഉണ്ടായിരിക്കണം.

• ഒരു ദുർബല അമ്ലത്തെ ശക്തമായതായി കണക്കാക്കി [H₃O⁺]-നെ പ്രാരംഭ സാന്ദ്രതയ്ക്ക് തുല്യമാക്കൽ.
• x ഒഴിവാക്കിയ ശേഷം 5 ശതമാന പരിശോധന ഒഴിവാക്കൽ.
• ഒരു ക്ഷാരത്തിന് pOH-നെ pH ആയി രേഖപ്പെടുത്തൽ, അല്ലെങ്കിൽ അവസാനം പരിവർത്തനം ചെയ്യാൻ മറക്കൽ.
• ഒരു ലവണത്തിന്റെ ആനയോണിന് Kb വേണ്ടിടത്ത് Ka ഉപയോഗിക്കൽ. ആദ്യം Kw ഉപയോഗിച്ച് മാറ്റുക.
• Cl⁻, NO₃⁻ അല്ലെങ്കിൽ Na⁺ എന്നിവ pH മാറ്റുന്നതുപോലെ കണക്കാക്കൽ.
• Ka2, Ka1-നെക്കാൾ വളരെ ചെറുതായിരിക്കുമ്പോൾ ഒരു ബഹുപ്രോട്ടിക അമ്ലത്തിന് രണ്ടാം അയോണീകരണത്തിന്റെ ഹൈഡ്രോണിയം ആദ്യത്തേതിനോട് കൂട്ടൽ.
• Ka-യിലെ സാർഥക അക്കങ്ങളെക്കാൾ കൂടുതൽ ദശാംശസ്ഥാനങ്ങൾ pH-ൽ രേഖപ്പെടുത്തൽ.