Сул хүчил ба сул суурь: Ka ба Kb-ээс pH хүртэл

Ka, Kb ба тэдгээрийн p-шкалыг унших

Сул хүчил HA-ийн хувьд ионжилт HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) нь Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] тогтмолтой. Ус уусгагч тул түүнийг оруулахгүй. Их Ka нь илүү хүчтэй хүчил гэсэн үг. Сул суурь B-ийн хувьд B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) урвал Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B]-тэй.

Эдгээр тогтмол аравын олон зэргийг хамардаг тул ихэвчлэн pKa = −log Ka ба pKb = −log Kb хэлбэрээр тайлагнадаг. Шкал урвуу чиглэлтэй: бага pKa нь илүү хүчтэй хүчил гэсэн үг. Хавсралт H цууны хүчилд Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), фторт устөрөгчийн хүчилд 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19), цианит устөрөгчийн хүчилд 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) гэж өгдөг. Хоёулаа сул гэж нэрлэгддэг ч HF-ийн Ka HCN-ийнхээс ойролцоогоор сая дахин их.

Бодит жишээ: бага x-ийн товчлолоор сул хүчлийн pH

0.200 M цууны хүчил CH₃COOH-ийн pH-г ол. x-ийг ионжих хэмжээ гэж ав. Тэнцвэрт [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x ба [CH₃COOH] = 0.200 − x. Усны өөрийн H₃O⁺-д оруулах хувь нэмэр (10⁻⁷ M) хүчлийнхтэй харьцуулахад үл тоомсорлохуйц.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) гэж бич. Ka бага тул x нь 0.200-аас хавьгүй бага гэж үзэж, хуваарьаас хас. Тэгвэл x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ ба x = 1.9 × 10⁻³ M. Шалгалт: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 нь 1 хувиас арай бага, 5 хувийн хязгаараас нэлээд доор тул товчлол хүчинтэй. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, Ka ач холбогдолтой хоёр цифртэй тул хоёр аравтын оронтой тайлагнана.

Үүнийг ижил концентрацитай хүчтэй хүчилтэй харьцуул, тэр нь pH 0.70 өгөх байсан. Сул хүчил гидроксонийн концентрацийн ойролцоогоор зуны нэгтэй.

Бодит жишээ: товчлол бүтэлгүйтэж квадрат тэгшитгэл хэрэгтэй үе

Хавсралт H-ийн Ka = 4.6 × 10⁻⁴ бүхий 0.0500 M азотлог хүчил HNO₂-ийн pH-г ол. Товчлол x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M өгөх бөгөөд энэ нь 0.0500-ийн 9.6 хувь. Энэ нь 5 хувийн шалгалтыг давахгүй тул бүтэн тэгшитгэлийг бод.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x)-г x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 болгон хувирга. Эерэг язгуур x = 4.57 × 10⁻³ M тул pH = 2.34 бөгөөд хүчил 9.1 хувь ионжсон. Товчлол pH 2.32 өгөх байсан. 0.02-ын зөрүү бага мэт харагдах ч өгөгдлийн дэмжих 0.01-ийн нарийвчлалаас их тул квадрат тэгшитгэлийн хариултыг тайлагнах ёстой.

Хурдан дөхөм дүрэм: анхны концентрацийг Ka-д хуваасан утга хэдэн зуугаас их бол товчлол ихэвчлэн аюулгүй. Энд 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ ердөө 110 орчим бөгөөд иймээс бүтэлгүйтсэн. Гэсэн ч 5 хувийн шалгалтыг тухай бүр хий.

Хүчлийг шингэлэх тусам ионжилтын хувь өснө

Ионжилтын хувь нь тэнцвэр дэх [H₃O⁺]-ийг анхны хүчлийн концентрацид хувааж 100-аар үржүүлсэн утга. Сул хүчлийн хувьд энэ нь тогтмол биш. Цууны хүчлийн бүтэн тэгшитгэлийг бодвол 0.200 M-д 0.94 хувь, 0.0200 M-д 3.0 хувь, 0.00200 M-д 9.0 хувь гарна.

Шалтгаан нь шингэрүүлэлтэд хэрэглэсэн Ле Шательегийн зарчим. Шингэрүүлэх нь бүх концентрацийг бууруулж, Q-г Ka-аас доош бууруулах ба тэнцвэр илүү олон ион руу шилжинэ. Шингэрүүлэхэд pH өссөөр байх ба энэ цувралд 2.72-оос 3.23, 3.74 хүртэл өсөх боловч арав дахин шингэрүүлэх тутамд хүчтэй хүчлийнх шиг бүтэн нэгжээр биш, ердөө хагас нэгж орчмоор өснө.

Бодит жишээ: сул суурь ба түүний pOH

Хавсралт I-ийн Kb = 1.8 × 10⁻⁵ бүхий 0.120 M аммиакийн pH-г ол. Хүснэгт хүчлийнхтэй ижил хэлбэртэй боловч бүтээгдэхүүн нь гидроксид: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x ба [NH₃] = 0.120 − x.

Тэгвэл x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120 тул x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. Шалгалт 1.2 хувь өгөх тул товчлол хүчинтэй. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. Энд хамгийн түгээмэл алдаа нь 2.83-ыг pH гэж тайлагнах. Суурь 7-оос дээш pH өгөх ёстой.

Ионууд нь устай урвалд ордог давсууд

Усан дахь аливаа уялдах хүчил–суурийн хосын хувьд 25 °C-д Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. Хүчил хүчтэй байх тусам түүний уялдах суурь сул. Энэ нь хүснэгтэд жагсаагаагүй тогтмолыг олох боломж олгоно.

1-р жишээ. 0.100 M натрийн ацетатын pH-г ол. Na⁺ устай урвалд ордоггүй ч ацетат сул суурь. Түүний Kb нь 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. Тэгвэл [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 ба pH = 8.87. Уусмал сул суурь шинжтэй.

2-р жишээ. 0.200 M аммонийн хлоридын pH-г ол. Cl⁻ нь хүчтэй хүчлийн уялдах суурь бөгөөд хэмжигдэхүйц нөлөөгүй, харин NH₄⁺ нь Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ бүхий сул хүчил. Тэгвэл [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, pH = 4.98.

• Хүчтэй суурийн катион (Na⁺, K⁺) ба хүчтэй хүчлийн анион (Cl⁻, NO₃⁻): саармаг.
• Хүчтэй суурийн катион ба сул хүчлийн анион (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): суурь.
• Сул суурийн уялдах хүчил болох катион (NH₄⁺) ба хүчтэй хүчлийн анион: хүчиллэг.
• Хоёр ион хоёулаа урвалд ордог: катионы Ka-г анионы Kb-тэй харьцуул. Аль тогтмол нь их нь давамгайлна.

Олон протонт хүчлүүд протоноо нэг нэгээр алддаг

Нүүрсхүчил H₂CO₃ ба фосфорын хүчил H₃PO₄ зэрэг хүчлүүд протон бүрт нэг Ka-тай бөгөөд тус бүр өмнөхөөсөө хавьгүй бага. Нүүрсхүчлийн хувьд Хавсралт H Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ ба Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ гэж жагсаасан. Ka1 нь Ka2-оос хэдэн мянга дахин их тул гидроксонийн бараг бүх нь эхний алхмаас гарна.

Бодит жишээ. 0.0330 M нүүрсхүчлийн хувьд эхний алхмыг ганц сул хүчил гэж үз: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M тул pH = 3.92. Хоёр дахь алхам үүнийг бараг өөрчлөхгүй. [H₃O⁺] ба [HCO₃⁻] бараг тэнцүү тул Ka2-ын илэрхийлэлд хураагдаж, [CO₃²⁻] ойролцоогоор Ka2-той тэнцүү буюу 4.7 × 10⁻¹¹ M гарна.

Анхаарах сул хүчил ба суурийн алдаанууд

Дуусгахаасаа өмнө хариулт утга учиртай эсэхийг өөрөөсөө асуу. Сул хүчлийн уусмал ижил концентрацитай хүчтэй хүчлээс өндөр pH-тэй, сул суурь хүчтэй суурьнаас бага pH-тэй байх ёстой.

• Сул хүчлийг хүчтэй гэж үзэж [H₃O⁺]-ийг анхны концентрацитай тэнцүүлэх.
• x-ийг хассаны дараа 5 хувийн шалгалтыг алгасах.
• Суурийн хувьд pOH-ийг pH гэж тайлагнах, эсвэл төгсгөлд хөрвүүлэхээ мартах.
• Давсны анионд Kb хэрэгтэй байхад Ka ашиглах. Эхлээд Kw-ээр хөрвүүл.
• Cl⁻, NO₃⁻ эсвэл Na⁺-ийг pH-г өөрчилдөг мэт үзэх.
• Ka2 нь Ka1-ээс хавьгүй бага үед олон протонт хүчлийн хоёр дахь ионжилтын гидроксонийг эхнийх дээр нэмэх.
• Ka-ийн ач холбогдолтой цифрээс олон аравтын оронтой pH тайлагнах.