Asid, Bes dan pH: Pemindahan Proton dan Skala Logaritma

Daripada asid Arrhenius kepada pemindahan proton Brønsted–Lowry

Arrhenius mentakrifkan asid sebagai sebatian yang menghasilkan ion hidrogen dalam air dan bes sebagai yang menghasilkan ion hidroksida. Takrifan ini berfungsi untuk asid hidroklorik dan natrium hidroksida, tetapi ia tidak dapat menerangkan mengapa ammonia, NH₃, yang tidak mengandungi hidroksida, menjadikan air bersifat bes.

Takrifan Brønsted–Lowry membetulkan perkara ini dengan menumpukan pada proton. Asid ialah penderma proton dan bes ialah penerima proton, jadi setiap tindak balas asid–bes ialah pemindahan proton daripada satu spesies kepada yang lain. Ammonia ialah bes kerana ia menerima proton daripada air: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Proton kosong tidak wujud bebas dalam air. Ia terikat kepada molekul air untuk membentuk ion hidronium, H₃O⁺. Ahli kimia sering menulis H⁺(aq) sebagai singkatan, dan kedua-dua tatatanda itu bermaksud perkara yang sama dalam pengiraan pH.

Mencari pasangan asid–bes konjugat

Apabila asid menderma proton, apa yang tinggal ialah bes konjugatnya; apabila bes menerima proton, ia menjadi asid konjugatnya. Dua ahli pasangan konjugat berbeza tepat satu H⁺. Dalam HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq), pasangannya ialah HF/F⁻ dan H₃O⁺/H₂O.

Air muncul sebagai bes dalam tindak balas HF dan sebagai asid dalam tindak balas ammonia. Spesies yang boleh menderma atau menerima proton dipanggil amfiprotik. Hidrogen karbonat, HCO₃⁻, ialah satu lagi contoh: ia boleh kehilangan proton untuk menjadi CO₃²⁻ atau memperoleh satu untuk menjadi H₂CO₃.

• Tulis persamaan dan cari spesies yang kehilangan H⁺ apabila beralih dari kiri ke kanan. Itulah asidnya.
• Cari spesies yang memperoleh H⁺. Itulah besnya.
• Pasangkan setiap bahan tindak balas dengan hasil yang berbeza satu H⁺ daripadanya, dan semak bahawa cas berbeza satu.

Kuat dan lemah menerangkan takat, bukan kepekatan

Asid kuat mengion pada asasnya sepenuhnya dalam air, jadi setiap molekul asid yang dilarutkan menghasilkan H₃O⁺ dan bes konjugatnya. Asid kuat yang biasa ialah HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ dan H₂SO₄ (bagi proton pertamanya). Bes kuat yang biasa ialah hidroksida logam kumpulan 1 dan kalsium, stronsium serta barium. Asid lemah hanya mengion sebahagian, dan keseimbangan antara molekul dan ionnya terbentuk.

Kekuatan dan kepekatan ialah dua idea yang berasingan. Larutan cair asid kuat boleh mempunyai lebih sedikit ion hidronium daripada larutan pekat asid lemah. Namun pada kepekatan yang sama, perbezaannya besar. Larutan HCl 0.10 mol/L mempunyai [H₃O⁺] = 0.10 mol/L dan pH 1.00. Asid asetik, dengan pemalar pengionan asid Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (Lampiran H OpenStax), hanya kira-kira 1 peratus mengion pada 0.10 mol/L, dan pHnya kira-kira 2.9. Pengiraan keseimbangan asid lemah ialah topik yang berasingan; panduan ini hanya menggunakan perbandingan itu.

Kekuatan asid dan bes konjugatnya saling berkait. Bes konjugat asid kuat, seperti Cl⁻ dan NO₃⁻, mempunyai kecenderungan yang boleh diabaikan untuk menerima proton dalam air.

Hasil darab ion air, pH dan pOH

Air tulen pun mengandungi beberapa ion, kerana molekul air memindahkan proton antara satu sama lain: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Pemalar keseimbangan bagi pengautoionan ini ialah Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ pada 25 °C. Dalam air tulen kedua-dua kepekatan adalah sama, 1.0 × 10⁻⁷ mol/L setiap satu. Dalam mana-mana larutan akueus pada 25 °C, jika anda mengetahui satu kepekatan anda boleh mencari yang satu lagi dengan membahagikan Kw dengannya.

Oleh sebab kepekatan ini merangkumi banyak kuasa sepuluh, ahli kimia menggunakan logaritma: pH = −log[H₃O⁺] dan pOH = −log[OH⁻]. Mengambil logaritma negatif ungkapan Kw memberikan pH + pOH = 14.00 pada 25 °C. Perubahan satu unit pH ialah perubahan sepuluh kali ganda kepekatan hidronium, jadi larutan pada pH 3 mempunyai [H₃O⁺] 100 kali ganda berbanding larutan pada pH 5.

Neutral bermaksud [H₃O⁺] = [OH⁻], yang hanya pH 7.00 pada 25 °C. Kw meningkat dengan suhu; OpenStax memberikan kira-kira 5.6 × 10⁻¹³ pada 100 °C, apabila air neutral mempunyai pH hampir 6.1. Bagi logaritma, bilangan tempat perpuluhan dalam pH sama dengan bilangan angka bererti dalam kepekatan.

Mengira pH bagi asid kuat dan bes kuat

Contoh penyelesaian 1. Cari pH asid nitrik 4.6 × 10⁻³ mol/L. HNO₃ ialah kuat, jadi [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Kepekatan mempunyai dua angka bererti, jadi pH mempunyai dua tempat perpuluhan. Kemudian [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, sangat kecil seperti yang dijangka dalam larutan berasid.

Contoh penyelesaian 2. 0.350 g kalium hidroksida dilarutkan untuk menghasilkan 750.0 mL larutan. Menggunakan berat atom piawai IUPAC yang dibundarkan kepada dua tempat perpuluhan (K 39.10, O 16.00, H 1.01), M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, dan [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, dan pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, dihadkan kepada dua tempat perpuluhan oleh 14.00.

Contoh penyelesaian 3. Cari pH stronsium hidroksida 3.60 × 10⁻³ mol/L. Sr(OH)₂ membebaskan dua ion hidroksida bagi setiap unit formula, jadi [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 dan pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. Terlupa faktor 2 akan memberikan pH kira-kira 0.30 terlalu rendah.

Contoh penyelesaian 4. Larutan mempunyai pH 4.62. Songsangkan logaritma: [H₃O⁺] = 10 dikuasakan −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. Dua tempat perpuluhan dalam pH membenarkan dua angka bererti dalam kepekatan. pOH ialah 14.00 − 4.62 = 9.38, jadi [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

Kesilapan logaritma dan stoikiometri dalam kerja pH

Kebanyakan kesilapan pH datang daripada logaritma atau daripada formula asid atau bes. Semakan kewarasan pantas menangkap banyak daripadanya: larutan berasid pada 25 °C mempunyai pH di bawah 7, larutan berbes di atas 7, dan setiap faktor sepuluh dalam kepekatan menggerakkan pH sebanyak satu unit.

Berhati-hati dengan asid kuat yang sangat cair. Larutan HCl 1.0 × 10⁻⁸ mol/L tidak mempunyai pH 8, yang bersifat bes. Pada kepekatan serendah itu, ion hidronium daripada pengionan air sendiri tidak boleh diabaikan, dan perlakuan penuh memberikan pH kira-kira 6.98, sedikit di bawah neutral.

• Menggugurkan tanda tolak: −log bagi nombor di bawah 1 adalah positif. pH negatif daripada larutan cair biasa menandakan kesilapan tanda.
• Terlupa stoikiometri: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ dan Ba(OH)₂ masing-masing membebaskan dua OH⁻ bagi setiap unit formula.
• Menggunakan pH apabila bes memberikan pOH: cari pOH daripada [OH⁻] dahulu, kemudian tukar.
• Menganggap asid lemah sebagai kuat: [H₃O⁺] sama dengan kepekatan asid hanya bagi asid kuat.
• Menggunakan pH + pOH = 14.00 pada suhu yang jauh daripada 25 °C.