आम्ले, आम्लारी आणि pH: प्रोटॉन हस्तांतरण आणि लॉगरिदमिक मापपट्टी

अरेनियस आम्लांपासून ब्रॉन्स्टेड–लॉरी प्रोटॉन हस्तांतरणापर्यंत

अरेनियसने आम्लाची व्याख्या पाण्यात हायड्रोजन आयन निर्माण करणारे संयुग आणि आम्लारीची व्याख्या हायड्रॉक्साइड आयन निर्माण करणारे अशी केली. ही व्याख्या हायड्रोक्लोरिक आम्ल आणि सोडियम हायड्रॉक्साइडसाठी चालते, पण हायड्रॉक्साइड नसलेला अमोनिया, NH₃, पाणी आम्लारीय का करतो हे ती स्पष्ट करू शकत नाही.

ब्रॉन्स्टेड–लॉरी व्याख्या प्रोटॉनवर लक्ष केंद्रित करून हे सुधारते. आम्ल हा प्रोटॉन दाता आणि आम्लारी हा प्रोटॉन स्वीकारक आहे, म्हणून प्रत्येक आम्ल–आम्लारी अभिक्रिया एका स्पीशीजकडून दुसऱ्याकडे प्रोटॉन हस्तांतरण आहे. अमोनिया आम्लारी आहे कारण तो पाण्याकडून प्रोटॉन स्वीकारतो: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

उघडा प्रोटॉन पाण्यात मुक्त अस्तित्वात नसतो. तो पाण्याच्या रेणूशी जोडला जाऊन हायड्रोनियम आयन, H₃O⁺, बनवतो. रसायनशास्त्रज्ञ अनेकदा संक्षेप म्हणून H⁺(aq) लिहितात, आणि pH गणनांमध्ये दोन्ही संकेतलेखनांचा अर्थ एकच असतो.

संयुग्मी आम्ल–आम्लारी जोड्या शोधणे

आम्ल प्रोटॉन देते तेव्हा जे उरते ते त्याचे संयुग्मी आम्लारी असते; आम्लारी प्रोटॉन स्वीकारते तेव्हा ते त्याचे संयुग्मी आम्ल बनते. संयुग्मी जोडीतील दोन सदस्य नेमक्या एका H⁺ ने भिन्न असतात. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) मध्ये जोड्या HF/F⁻ आणि H₃O⁺/H₂O आहेत.

पाणी HF अभिक्रियेत आम्लारी म्हणून आणि अमोनिया अभिक्रियेत आम्ल म्हणून दिसते. प्रोटॉन देऊ किंवा स्वीकारू शकणाऱ्या स्पीशीजला उभयप्रोटिक म्हणतात. हायड्रोजन कार्बोनेट, HCO₃⁻, हे आणखी एक उदाहरण आहे: तो प्रोटॉन गमावून CO₃²⁻ बनू शकतो किंवा एक मिळवून H₂CO₃ बनू शकतो.

• समीकरण लिहा आणि डावीकडून उजवीकडे जाताना H⁺ गमावणारी स्पीशीज शोधा. ते आम्ल आहे.
• H⁺ मिळवणारी स्पीशीज शोधा. ती आम्लारी आहे.
• प्रत्येक अभिक्रियाकारकाला एका H⁺ ने वेगळ्या असलेल्या उत्पादनाशी जोडा, आणि प्रभार एकाने वेगळे आहेत याची खात्री करा.

प्रबल आणि दुर्बल हे संहती नव्हे तर व्याप्ती वर्णन करतात

प्रबल आम्ल पाण्यात जवळजवळ पूर्णपणे आयनीकृत होते, म्हणून विरघळलेला प्रत्येक आम्ल रेणू H₃O⁺ आणि त्याचा संयुग्मी आम्लारी देतो. सामान्य प्रबल आम्ले HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ आणि H₂SO₄ (त्याच्या पहिल्या प्रोटॉनसाठी) आहेत. सामान्य प्रबल आम्लारी म्हणजे गट 1 च्या धातूंचे आणि कॅल्शियम, स्ट्रॉन्शियम व बेरियमचे हायड्रॉक्साइड. दुर्बल आम्ल फक्त अंशतः आयनीकृत होते, आणि रेणू व त्याचे आयन यांच्यात समतोल स्थापित होतो.

प्रबलता आणि संहती या वेगळ्या कल्पना आहेत. प्रबल आम्लाच्या विरल द्रावणात दुर्बल आम्लाच्या संहत द्रावणापेक्षा कमी हायड्रोनियम आयन असू शकतात. मात्र समान संहतीवर फरक मोठा असतो. 0.10 mol/L HCl द्रावणात [H₃O⁺] = 0.10 mol/L आणि pH 1.00 असतो. ॲसिटिक आम्ल, आम्ल आयनीकरण स्थिरांक Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax परिशिष्ट H) सह, 0.10 mol/L वर फक्त सुमारे 1 टक्का आयनीकृत असते, आणि त्याचा pH सुमारे 2.9 आहे. दुर्बल आम्ल समतोल गणना हा वेगळा विषय आहे; हे मार्गदर्शन फक्त ही तुलना वापरते.

आम्लाची प्रबलता आणि त्याचा संयुग्मी आम्लारी जोडलेले असतात. प्रबल आम्लांचे संयुग्मी आम्लारी, जसे Cl⁻ आणि NO₃⁻, पाण्यात प्रोटॉन स्वीकारण्याची नगण्य प्रवृत्ती दाखवतात.

पाण्याचा आयन गुणाकार, pH आणि pOH

शुद्ध पाण्यातही थोडे आयन असतात, कारण पाण्याचे रेणू एकमेकांना प्रोटॉन देतात: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). या स्वयंआयनीकरणाचा समतोल स्थिरांक 25 °C वर Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ आहे. शुद्ध पाण्यात दोन्ही संहती समान असतात, प्रत्येकी 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C वरील कोणत्याही जलीय द्रावणात एक संहती ज्ञात असेल तर Kw ला तिने भागून दुसरी मिळवता येते.

या संहती अनेक दहाच्या घातांवर पसरलेल्या असल्याने रसायनशास्त्रज्ञ लॉगरिदम वापरतात: pH = −log[H₃O⁺] आणि pOH = −log[OH⁻]. Kw अभिव्यक्तीचा ऋण लॉगरिदम घेतल्यास 25 °C वर pH + pOH = 14.00 मिळते. pH च्या एका एककाचा बदल म्हणजे हायड्रोनियम संहतीतील दहापट बदल, म्हणून pH 3 वरील द्रावणात pH 5 वरील द्रावणापेक्षा [H₃O⁺] 100 पट असतो.

उदासीन म्हणजे [H₃O⁺] = [OH⁻], जे फक्त 25 °C वर pH 7.00 असते. Kw तापमानासोबत वाढतो; OpenStax 100 °C वर सुमारे 5.6 × 10⁻¹³ देते, जेथे उदासीन पाण्याचा pH 6.1 च्या जवळ असतो. लॉगरिदमसाठी pH मधील दशांश स्थानांची संख्या संहतीतील सार्थ अंकांच्या संख्येइतकी असते.

प्रबल आम्ले आणि प्रबल आम्लारींसाठी pH काढणे

सोडवलेले उदाहरण 1. 4.6 × 10⁻³ mol/L नायट्रिक आम्लाचा pH शोधा. HNO₃ प्रबल आहे, म्हणून [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. संहतीत दोन सार्थ अंक आहेत, म्हणून pH मध्ये दोन दशांश स्थाने आहेत. मग [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, आम्लीय द्रावणात अपेक्षेप्रमाणे अगदी लहान.

सोडवलेले उदाहरण 2. 0.350 g पोटॅशियम हायड्रॉक्साइड विरघळवून 750.0 mL द्रावण बनवले जाते. दोन दशांश स्थानांपर्यंत पूर्णांकित केलेले IUPAC प्रमाणित अणुभार (K 39.10, O 16.00, H 1.01) वापरून M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, आणि [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, आणि pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 मुळे दोन दशांश स्थानांपर्यंत मर्यादित.

सोडवलेले उदाहरण 3. 3.60 × 10⁻³ mol/L स्ट्रॉन्शियम हायड्रॉक्साइडचा pH शोधा. Sr(OH)₂ प्रति सूत्र एकक दोन हायड्रॉक्साइड आयन सोडते, म्हणून [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 आणि pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 चा गुणक विसरल्यास pH सुमारे 0.30 ने खूप कमी आला असता.

सोडवलेले उदाहरण 4. एका द्रावणाचा pH 4.62 आहे. लॉगरिदम उलट करा: [H₃O⁺] = 10 चा −4.62 घात = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH मधील दोन दशांश स्थाने संहतीत दोन सार्थ अंकांना परवानगी देतात. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38 आहे, म्हणून [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH कामातील लॉगरिदम आणि रससमीकरणमितीच्या चुका

बहुतेक pH च्या चुका लॉगरिदममधून किंवा आम्ल अथवा आम्लारीच्या सूत्रातून येतात. एक झटपट विवेक तपासणी अनेक चुका पकडते: 25 °C वर आम्लीय द्रावणांचा pH 7 पेक्षा कमी, आम्लारीय द्रावणांचा 7 पेक्षा जास्त असतो, आणि संहतीतील प्रत्येक दहापट गुणक pH एका एककाने हलवतो.

खूप विरल प्रबल आम्लांबाबत सावध राहा. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl द्रावणाचा pH 8 नसतो, जो आम्लारीय असता. इतक्या कमी संहतींवर पाण्याच्या स्वतःच्या आयनीकरणातील हायड्रोनियम आयन नगण्य नसतात, आणि पूर्ण हाताळणी सुमारे 6.98 चा pH देते, उदासीनाच्या अगदी खाली.

• वजा चिन्ह सोडणे: 1 पेक्षा कमी संख्येचा −log धन असतो. सामान्य विरल द्रावणासाठी ऋण pH येणे चिन्हाची चूक दर्शवते.
• रससमीकरणमिती विसरणे: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ आणि Ba(OH)₂ प्रत्येक प्रति सूत्र एकक दोन OH⁻ सोडतात.
• आम्लारी pOH देत असताना pH वापरणे: आधी [OH⁻] वरून pOH शोधा, मग रूपांतर करा.
• दुर्बल आम्लाला प्रबल मानणे: [H₃O⁺] आम्ल संहतीइतके फक्त प्रबल आम्लांसाठी असते.
• 25 °C पासून खूप दूरच्या तापमानांवर pH + pOH = 14.00 लावणे.