अम्ल, क्षार र pH: प्रोटोन स्थानान्तरण र लघुगणकीय मापनी

एरेनियस अम्लदेखि ब्रोन्स्टेड–लोरी प्रोटोन स्थानान्तरणसम्म

एरेनियसले अम्ललाई पानीमा हाइड्रोजन आयन उत्पन्न गर्ने यौगिक र क्षारलाई हाइड्रोक्साइड आयन उत्पन्न गर्ने यौगिक भनी परिभाषित गरे। परिभाषाले हाइड्रोक्लोरिक अम्ल र सोडियम हाइड्रोक्साइडका लागि काम गर्छ, तर हाइड्रोक्साइड नभएको अमोनिया, NH₃, ले पानीलाई किन क्षारीय बनाउँछ भन्ने व्याख्या गर्न सक्दैन।

ब्रोन्स्टेड–लोरी परिभाषाले प्रोटोनमा ध्यान केन्द्रित गरी यसलाई सच्याउँछ। अम्ल प्रोटोन दाता हो र क्षार प्रोटोन ग्राही हो, त्यसैले हरेक अम्ल–क्षार अभिक्रिया एउटा स्पेसिजबाट अर्कोमा प्रोटोन स्थानान्तरण हो। अमोनिया क्षार हो किनभने यसले पानीबाट प्रोटोन ग्रहण गर्छ: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)।

नाङ्गो प्रोटोन पानीमा मुक्त रूपमा रहँदैन। यो पानीको अणुसँग बन्धित भएर हाइड्रोनियम आयन, H₃O⁺, बनाउँछ। रसायनशास्त्रीहरू प्रायः H⁺(aq) लाई छोटो रूपमा लेख्छन्, र pH गणनामा दुवै सङ्केतनको अर्थ उही हुन्छ।

संयुग्मी अम्ल–क्षार जोडी पत्ता लगाउने

अम्लले प्रोटोन दिँदा बाँकी रहने कुरा त्यसको संयुग्मी क्षार हो; क्षारले प्रोटोन ग्रहण गर्दा यो आफ्नो संयुग्मी अम्ल बन्छ। संयुग्मी जोडीका दुई सदस्य ठ्याक्कै एउटा H⁺ ले फरक हुन्छन्। HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) मा जोडी HF/F⁻ र H₃O⁺/H₂O हुन्।

पानी HF अभिक्रियामा क्षारका रूपमा र अमोनिया अभिक्रियामा अम्लका रूपमा देखा पर्छ। प्रोटोन दिन वा ग्रहण गर्न सक्ने स्पेसिजलाई उभयप्रोटिक भनिन्छ। हाइड्रोजन कार्बोनेट, HCO₃⁻, अर्को उदाहरण हो: यसले प्रोटोन गुमाएर CO₃²⁻ बन्न सक्छ वा एउटा पाएर H₂CO₃ बन्न सक्छ।

• समीकरण लेख्नुहोस् र बायाँबाट दायाँ जाँदा H⁺ गुमाउने स्पेसिज पत्ता लगाउनुहोस्। त्यो अम्ल हो।
• H⁺ पाउने स्पेसिज पत्ता लगाउनुहोस्। त्यो क्षार हो।
• प्रत्येक अभिकारकलाई एउटा H⁺ ले फरक पर्ने उत्पादसँग जोडी बनाउनुहोस्, र आवेश एकले फरक पर्छ भनी जाँच्नुहोस्।

बलियो र कमजोरले सान्द्रता होइन, हदलाई वर्णन गर्छन्

बलियो अम्ल पानीमा लगभग पूर्ण रूपमा आयनीकृत हुन्छ, त्यसैले घोलिएको प्रत्येक अम्ल अणुले H₃O⁺ र यसको संयुग्मी क्षार दिन्छ। सामान्य बलिया अम्ल HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ र H₂SO₄ (यसको पहिलो प्रोटोनका लागि) हुन्। सामान्य बलिया क्षार समूह 1 का धातु र क्याल्सियम, स्ट्रोन्सियम तथा ब्यारियमका हाइड्रोक्साइड हुन्। कमजोर अम्ल आंशिक रूपमा मात्र आयनीकृत हुन्छ, र अणु र यसका आयनबीच साम्यावस्था स्थापित हुन्छ।

बल र सान्द्रता अलग विचार हुन्। बलियो अम्लको तनु विलयनमा कमजोर अम्लको सान्द्र विलयनमा भन्दा कम हाइड्रोनियम आयन हुन सक्छन्। तर बराबर सान्द्रतामा फरक ठूलो हुन्छ। 0.10 mol/L HCl विलयनमा [H₃O⁺] = 0.10 mol/L र pH 1.00 हुन्छ। अम्ल आयनीकरण स्थिरांक Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax परिशिष्ट H) भएको एसिटिक अम्ल 0.10 mol/L मा लगभग 1 प्रतिशत मात्र आयनीकृत हुन्छ, र यसको pH करिब 2.9 हुन्छ। कमजोर अम्लको साम्यावस्था गणना छुट्टै विषय हो; यो मार्गदर्शनले तुलनामात्र प्रयोग गर्छ।

अम्लको बल र यसको संयुग्मी क्षार जोडिएका हुन्छन्। Cl⁻ र NO₃⁻ जस्ता बलिया अम्लका संयुग्मी क्षारमा पानीमा प्रोटोन ग्रहण गर्ने प्रवृत्ति नगण्य हुन्छ।

पानीको आयन गुणनफल, pH र pOH

शुद्ध पानीमा पनि केही आयन हुन्छन्, किनभने पानीका अणुले एकअर्कामा प्रोटोन सार्छन्: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq)। यो स्वतः आयनीकरणको साम्यावस्था स्थिरांक 25 °C मा Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ हो। शुद्ध पानीमा दुवै सान्द्रता बराबर, प्रत्येक 1.0 × 10⁻⁷ mol/L, हुन्छन्। 25 °C मा जुनसुकै जलीय विलयनमा एउटा सान्द्रता थाहा छ भने Kw लाई त्यसले भाग गरेर अर्को पत्ता लगाउन सकिन्छ।

यी सान्द्रता दशका धेरै घातमा फैलिने भएकाले रसायनशास्त्रीहरू लघुगणक प्रयोग गर्छन्: pH = −log[H₃O⁺] र pOH = −log[OH⁻]। Kw अभिव्यक्तिको ऋणात्मक लघुगणक लिँदा 25 °C मा pH + pOH = 14.00 आउँछ। pH को एक एकाइको परिवर्तन हाइड्रोनियम सान्द्रतामा दश गुणाको परिवर्तन हो, त्यसैले pH 3 को विलयनमा pH 5 को भन्दा 100 गुणा [H₃O⁺] हुन्छ।

तटस्थको अर्थ [H₃O⁺] = [OH⁻] हो, जुन 25 °C मा मात्र pH 7.00 हुन्छ। Kw तापक्रमसँगै बढ्छ; OpenStax ले 100 °C मा करिब 5.6 × 10⁻¹³ दिन्छ, जहाँ तटस्थ पानीको pH 6.1 को नजिक हुन्छ। लघुगणकका लागि pH का दशमलव स्थानको सङ्ख्या सान्द्रताका सार्थक अंकको सङ्ख्या बराबर हुन्छ।

बलिया अम्ल र बलिया क्षारका लागि pH गणना

हल गरिएको उदाहरण 1। 4.6 × 10⁻³ mol/L नाइट्रिक अम्लको pH पत्ता लगाउनुहोस्। HNO₃ बलियो छ, त्यसैले [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L। pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34। सान्द्रतामा दुईओटा सार्थक अंक छन्, त्यसैले pH मा दुई दशमलव स्थान छन्। त्यसपछि [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, अम्लीय विलयनमा अपेक्षित रूपमा निकै सानो।

हल गरिएको उदाहरण 2। 0.350 g पोटासियम हाइड्रोक्साइडलाई घोलेर 750.0 mL विलयन बनाइन्छ। दुई दशमलवसम्म राउन्ड गरिएका IUPAC मानक परमाणु भार (K 39.10, O 16.00, H 1.01) प्रयोग गर्दा M(KOH) = 56.11 g/mol। n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, र [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L। pOH = 2.080, र pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 ले दुई दशमलव स्थानसम्म सीमित।

हल गरिएको उदाहरण 3। 3.60 × 10⁻³ mol/L स्ट्रोन्सियम हाइड्रोक्साइडको pH पत्ता लगाउनुहोस्। Sr(OH)₂ ले प्रति सूत्र एकाइ दुईओटा हाइड्रोक्साइड आयन छोड्छ, त्यसैले [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L। pOH = 2.143 र pH = 14.00 − 2.143 = 11.86। 2 को गुणक बिर्सेमा pH करिब 0.30 कम आउँथ्यो।

हल गरिएको उदाहरण 4। एउटा विलयनको pH 4.62 छ। लघुगणक उल्टाउनुहोस्: [H₃O⁺] = 10 को घात −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L। pH का दुई दशमलव स्थानले सान्द्रतामा दुईओटा सार्थक अंकको अनुमति दिन्छन्। pOH 14.00 − 4.62 = 9.38 हो, त्यसैले [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L।

pH कार्यमा लघुगणक र स्टोइकियोमेट्रीका गल्ती

अधिकांश pH त्रुटि लघुगणक वा अम्ल वा क्षारको सूत्रबाट आउँछन्। एउटा छिटो तर्कसंगतता जाँचले धेरैलाई समात्छ: 25 °C मा अम्लीय विलयनको pH 7 भन्दा कम, क्षारीयको 7 भन्दा बढी हुन्छ, र सान्द्रताको प्रत्येक दश गुणाको कारकले pH लाई एक एकाइ सार्छ।

निकै तनु बलिया अम्लबारे सावधान हुनुहोस्। 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl विलयनको pH 8 हुँदैन, जुन क्षारीय हुन्थ्यो। यति कम सान्द्रतामा पानीको आफ्नै आयनीकरणबाट आएका हाइड्रोनियम आयन नगण्य हुँदैनन्, र पूर्ण व्यवहारले तटस्थभन्दा अलि तल करिब 6.98 को pH दिन्छ।

• ऋण चिह्न छोड्नु: 1 भन्दा सानो सङ्ख्याको −log धनात्मक हुन्छ। साधारण तनु विलयनबाट ऋणात्मक pH आउनुले चिह्नको त्रुटि जनाउँछ।
• स्टोइकियोमेट्री बिर्सनु: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ र Ba(OH)₂ प्रत्येकले प्रति सूत्र एकाइ दुईओटा OH⁻ छोड्छन्।
• क्षारले pOH दिँदा pH प्रयोग गर्नु: पहिले [OH⁻] बाट pOH निकाल्नुहोस्, त्यसपछि रूपान्तरण गर्नुहोस्।
• कमजोर अम्ललाई बलियो मान्नु: [H₃O⁺] अम्लको सान्द्रता बराबर बलिया अम्लका लागि मात्र हुन्छ।
• 25 °C बाट निकै टाढाका तापक्रममा pH + pOH = 14.00 लागू गर्नु।