दुर्बल आम्ले आणि आम्लारी: Ka आणि Kb पासून pH पर्यंत

Ka, Kb आणि त्यांच्या p-मापपट्ट्या वाचणे

दुर्बल आम्ल HA साठी HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) या आयनीकरणाचा स्थिरांक Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] असतो. पाणी द्रावक आहे आणि ते वगळले जाते. मोठा Ka म्हणजे अधिक प्रबल आम्ल. दुर्बल आम्लारी B साठी B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) या अभिक्रियेचा Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B] असतो.

हे स्थिरांक दहाच्या अनेक घातांवर पसरलेले असल्याने ते अनेकदा pKa = −log Ka आणि pKb = −log Kb असे नोंदवले जातात. ही मापपट्टी उलटी चालते: लहान pKa म्हणजे अधिक प्रबल आम्ल. परिशिष्ट H ॲसिटिक आम्लासाठी Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), हायड्रोफ्लोरिक आम्लासाठी 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19) आणि हायड्रोसायनिक आम्लासाठी 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) देते. दोन्हींना दुर्बल म्हटले जात असले तरी HF चा Ka HCN च्या Ka पेक्षा सुमारे दहा लाख पट मोठा आहे.

सोडवलेले उदाहरण: लहान-x शॉर्टकटसह दुर्बल आम्लाचा pH

0.200 M ॲसिटिक आम्ल, CH₃COOH, चा pH शोधा. आयनीकृत होणारे प्रमाण x माना. समतोलावर [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x आणि [CH₃COOH] = 0.200 − x. H₃O⁺ मधील पाण्याचे स्वतःचे योगदान (10⁻⁷ M) आम्लाच्या योगदानापुढे नगण्य आहे.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) लिहा. Ka लहान असल्याने x हा 0.200 पेक्षा खूप लहान आहे असे गृहीत धरा आणि तो छेदातून वगळा. मग x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ आणि x = 1.9 × 10⁻³ M. पडताळा: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 हे 1 टक्क्याच्या जरा खाली आहे, 5 टक्के मर्यादेच्या बरेच खाली, म्हणून शॉर्टकट टिकतो. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, दोन दशांश स्थानांपर्यंत नोंदवले कारण Ka मध्ये दोन सार्थ अंक आहेत.

याची तुलना त्याच संहतीवरील प्रबल आम्लाशी करा, जे pH 0.70 देईल. दुर्बल आम्लाची हायड्रोनियम संहती सुमारे शंभरावा भाग आहे.

सोडवलेले उदाहरण: शॉर्टकट अयशस्वी होतो आणि वर्गसमीकरण लागते तेव्हा

परिशिष्ट H मधील Ka = 4.6 × 10⁻⁴ सह 0.0500 M नायट्रस आम्ल, HNO₂, चा pH शोधा. शॉर्टकट x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M देतो, जे 0.0500 च्या 9.6 टक्के आहे. ते 5 टक्के तपासणीत अयशस्वी ठरते, म्हणून संपूर्ण समीकरण सोडवा.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) ची x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 अशी पुनर्मांडणी करा. धन मूळ x = 4.57 × 10⁻³ M आहे, म्हणून pH = 2.34 आणि आम्ल 9.1 टक्के आयनीकृत आहे. शॉर्टकटने pH 2.32 दिला असता. 0.02 चा फरक लहान दिसतो, पण तो माहितीने समर्थित 0.01 अचूकतेपेक्षा मोठा आहे, म्हणून वर्गसमीकरणाचे उत्तरच नोंदवावे.

एक झटपट ढोबळ नियम: प्रारंभिक संहती भागिले Ka काहीशे पेक्षा जास्त असेल तेव्हा शॉर्टकट सहसा सुरक्षित असतो. येथे 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ फक्त सुमारे 110 आहे, म्हणूनच तो अयशस्वी ठरला. तरीही प्रत्येक वेळी 5 टक्के तपासणी करा.

आम्ल विरल केले जाते तसे टक्केवारी आयनीकरण वाढते

टक्केवारी आयनीकरण म्हणजे समतोलावरील [H₃O⁺] भागिले प्रारंभिक आम्ल संहती, गुणिले 100. दुर्बल आम्लासाठी ते निश्चित नसते. ॲसिटिक आम्लासाठी संपूर्ण समीकरण सोडवल्यास 0.200 M वर 0.94 टक्के, 0.0200 M वर 3.0 टक्के आणि 0.00200 M वर 9.0 टक्के मिळते.

याचे कारण म्हणजे विरलनाला लावलेले ल शातेलियेचे तत्त्व. विरल केल्याने प्रत्येक संहती कमी होते, ज्यामुळे Q हा Ka च्या खाली जातो, आणि समतोल अधिक आयनांकडे सरकतो. विरलनाने pH तरीही वाढतो, या मालिकेत 2.72 वरून 3.23 आणि 3.74 पर्यंत, पण प्रत्येक दहापट विरलनामागे फक्त सुमारे अर्ध्या एककाने, प्रबल आम्लासाठी दिसेल त्याप्रमाणे पूर्ण एककाने नव्हे.

सोडवलेले उदाहरण: दुर्बल आम्लारी आणि तिचा pOH

परिशिष्ट I मधील Kb = 1.8 × 10⁻⁵ सह 0.120 M अमोनियाचा pH शोधा. तक्त्याचे स्वरूप आम्लासारखेच आहे, पण उत्पादन हायड्रॉक्साइड आहे: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x आणि [NH₃] = 0.120 − x.

मग x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, म्हणून x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. तपासणी 1.2 टक्के देते, म्हणून शॉर्टकट टिकतो. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, आणि pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. येथे सर्वात सामान्य चूक म्हणजे 2.83 हा pH म्हणून नोंदवणे. आम्लारीने 7 पेक्षा जास्त pH दिलाच पाहिजे.

ज्यांचे आयन पाण्याशी अभिक्रिया करतात असे क्षार

पाण्यातील कोणत्याही संयुग्मी आम्ल–आम्लारी जोडीसाठी 25 °C वर Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. आम्ल जितके प्रबल, तितकी त्याची संयुग्मी आम्लारी दुर्बल. यामुळे तक्त्यांत नसलेला स्थिरांक तुम्ही शोधू शकता.

सोडवलेले उदाहरण 1. 0.100 M सोडियम ॲसिटेटचा pH शोधा. Na⁺ पाण्याशी अभिक्रिया करत नाही, पण ॲसिटेट दुर्बल आम्लारी आहे. त्याचा Kb 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ आहे. मग [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 आणि pH = 8.87. द्रावण किंचित आम्लारीय आहे.

सोडवलेले उदाहरण 2. 0.200 M अमोनियम क्लोराइडचा pH शोधा. Cl⁻ ही प्रबल आम्लाची संयुग्मी आम्लारी आहे आणि तिचा मोजता येण्याजोगा परिणाम नसतो, पण NH₄⁺ हे Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ असलेले दुर्बल आम्ल आहे. मग [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, आणि pH = 4.98.

• प्रबल आम्लारीपासूनचा धनायन (Na⁺, K⁺) आणि प्रबल आम्लापासूनचा ऋणायन (Cl⁻, NO₃⁻): उदासीन.
• प्रबल आम्लारीपासूनचा धनायन आणि दुर्बल आम्लाचा ऋणायन (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): आम्लारीय.
• दुर्बल आम्लारीचे संयुग्मी आम्ल असलेला धनायन (NH₄⁺) आणि प्रबल आम्लाचा ऋणायन: आम्लीय.
• दोन्ही आयन अभिक्रियाशील: धनायनाच्या Ka ची ऋणायनाच्या Kb शी तुलना करा. जो स्थिरांक मोठा तो वरचढ ठरतो.

बहुप्रोटिक आम्ले त्यांचे प्रोटॉन एका वेळी एक गमावतात

कार्बोनिक आम्ल, H₂CO₃, आणि फॉस्फोरिक आम्ल, H₃PO₄, यांसारख्या आम्लांचा प्रत्येक प्रोटॉनसाठी एक Ka असतो, आणि प्रत्येक आधीच्यापेक्षा खूप लहान असतो. कार्बोनिक आम्लासाठी परिशिष्ट H Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ आणि Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ नोंदवते. Ka1 हा Ka2 पेक्षा हजारो पट मोठा असल्याने जवळजवळ सर्व हायड्रोनियम पहिल्या टप्प्यातून येते.

सोडवलेले उदाहरण. 0.0330 M कार्बोनिक आम्लासाठी पहिला टप्पा एकच दुर्बल आम्ल म्हणून हाताळा: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, म्हणून pH = 3.92. दुसरा टप्पा यात जेमतेम बदल करतो. [H₃O⁺] आणि [HCO₃⁻] जवळजवळ समान असल्याने ते Ka2 अभिव्यक्तीत छेदले जातात, आणि [CO₃²⁻] अंदाजे Ka2 इतका, 4.7 × 10⁻¹¹ M, येतो.

लक्ष ठेवायच्या दुर्बल आम्ल आणि आम्लारीच्या चुका

संपवण्यापूर्वी उत्तर अर्थपूर्ण आहे का ते विचारा. दुर्बल आम्लाच्या द्रावणाचा pH त्याच संहतीच्या प्रबल आम्लापेक्षा जास्त असला पाहिजे, आणि दुर्बल आम्लारीचा pH प्रबल आम्लारीपेक्षा कमी.

• दुर्बल आम्लाला प्रबल मानून [H₃O⁺] प्रारंभिक संहतीइतका ठेवणे.
• x वगळल्यानंतर 5 टक्के तपासणी न करणे.
• आम्लारीसाठी pOH हा pH म्हणून नोंदवणे, किंवा शेवटी रूपांतर करायला विसरणे.
• क्षाराच्या ऋणायनासाठी Kb लागत असताना Ka वापरणे. आधी Kw वापरून रूपांतर करा.
• Cl⁻, NO₃⁻ किंवा Na⁺ pH बदलतात असे मानणे.
• बहुप्रोटिक आम्लासाठी Ka2 हा Ka1 पेक्षा खूप लहान असताना दुसऱ्या आयनीकरणातील हायड्रोनियम पहिल्यात जोडणे.
• Ka मधील सार्थ अंकांपेक्षा pH मध्ये अधिक दशांश स्थाने नोंदवणे.