कमजोर अम्ल र क्षार: Ka र Kb देखि pH सम्म

Ka, Kb र तिनका p-मापनी पढ्ने

कमजोर अम्ल HA का लागि आयनीकरण HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) को स्थिरांक Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] हुन्छ। पानी विलायक हो र छोडिन्छ। ठूलो Ka को अर्थ बलियो अम्ल हो। कमजोर क्षार B का लागि अभिक्रिया B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) को Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B] हुन्छ।

यी स्थिरांक दशका धेरै घातमा फैलिने भएकाले तिनलाई प्रायः pKa = −log Ka र pKb = −log Kb का रूपमा प्रतिवेदन गरिन्छ। मापनी उल्टो चल्छ: सानो pKa को अर्थ बलियो अम्ल हो। परिशिष्ट H ले एसिटिक अम्लका लागि Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), हाइड्रोफ्लोरिक अम्लका लागि 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19) र हाइड्रोसायनिक अम्लका लागि 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) दिन्छ। दुवैलाई कमजोर भनिए पनि HF को Ka HCN को भन्दा करिब दस लाख गुणा ठूलो छ।

हल गरिएको उदाहरण: सानो-x छोटो उपायसहित कमजोर अम्लको pH

0.200 M एसिटिक अम्ल, CH₃COOH, को pH पत्ता लगाउनुहोस्। आयनीकृत हुने परिमाणलाई x मान्नुहोस्। साम्यावस्थामा [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x र [CH₃COOH] = 0.200 − x। H₃O⁺ मा पानीको आफ्नै योगदान (10⁻⁷ M) अम्लको तुलनामा नगण्य हुन्छ।

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) लेख्नुहोस्। Ka सानो भएकाले x 0.200 भन्दा निकै सानो मान्नुहोस् र यसलाई हरबाट हटाउनुहोस्। त्यसपछि x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ र x = 1.9 × 10⁻³ M। जाँच: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 1 प्रतिशतभन्दा अलिकति कम छ, 5 प्रतिशतको सीमाभन्दा धेरै तल, त्यसैले छोटो उपाय लागू हुन्छ। pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, दुई दशमलव स्थानसम्म प्रतिवेदन गरिएको किनभने Ka मा दुई सार्थक अंक छन्।

यसलाई उही सान्द्रताको बलियो अम्लसँग तुलना गर्नुहोस्, जसले pH 0.70 दिन्थ्यो। कमजोर अम्लमा हाइड्रोनियम सान्द्रता करिब सयौँ भाग मात्र हुन्छ।

हल गरिएको उदाहरण: छोटो उपाय असफल हुँदा र द्विघात चाहिँदा

परिशिष्ट H बाट Ka = 4.6 × 10⁻⁴ भएको 0.0500 M नाइट्रस अम्ल, HNO₂, को pH पत्ता लगाउनुहोस्। छोटो उपायले x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M दिन्छ, जुन 0.0500 को 9.6 प्रतिशत हो। यो 5 प्रतिशत जाँचमा असफल हुन्छ, त्यसैले पूरा समीकरण हल गर्नुहोस्।

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) लाई x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 मा पुनर्व्यवस्थित गर्नुहोस्। धनात्मक मूल x = 4.57 × 10⁻³ M हो, त्यसैले pH = 2.34 र अम्ल 9.1 प्रतिशत आयनीकृत हुन्छ। छोटो उपायले pH 2.32 दिने थियो। 0.02 को फरक सानो देखिन्छ, तर यो तथ्याङ्कले समर्थन गर्ने 0.01 को परिशुद्धताभन्दा ठूलो छ, त्यसैले द्विघातको उत्तर नै प्रतिवेदन गर्नुपर्छ।

छिटो अनुमान-नियम: सुरुको सान्द्रतालाई Ka ले भाग गर्दा केही सयभन्दा माथि आउँछ भने छोटो उपाय प्रायः सुरक्षित हुन्छ। यहाँ 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ करिब 110 मात्र हो, त्यसैले यो असफल भयो। तैपनि हरेक पटक 5 प्रतिशत जाँच गर्नुहोस्।

अम्ल तनु हुँदै जाँदा प्रतिशत आयनीकरण बढ्छ

प्रतिशत आयनीकरण भनेको साम्यावस्थाको [H₃O⁺] लाई सुरुको अम्ल सान्द्रताले भाग गरी 100 ले गुणन गर्दा आउने मान हो। कमजोर अम्लका लागि यो निश्चित हुँदैन। एसिटिक अम्लका लागि पूरा समीकरण हल गर्दा 0.200 M मा 0.94 प्रतिशत, 0.0200 M मा 3.0 प्रतिशत र 0.00200 M मा 9.0 प्रतिशत आउँछ।

यसको कारण तनुकरणमा लागू हुने ले शातेलियेको सिद्धान्त हो। तनु गर्दा हरेक सान्द्रता घट्छ, जसले Q लाई Ka भन्दा तल झार्छ, र साम्यावस्था बढी आयनतर्फ सर्छ। तनुकरणमा pH अझै बढ्छ, यस शृङ्खलामा 2.72 बाट 3.23 र 3.74 सम्म, तर प्रत्येक दस गुणा तनुकरणमा करिब आधा एकाइ मात्र, बलियो अम्लमा देखिने पूरा एकाइ होइन।

हल गरिएको उदाहरण: कमजोर क्षार र यसको pOH

परिशिष्ट I बाट Kb = 1.8 × 10⁻⁵ भएको 0.120 M अमोनियाको pH पत्ता लगाउनुहोस्। तालिका अम्लकै जस्तो हुन्छ, तर उत्पाद हाइड्रोक्साइड हो: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x र [NH₃] = 0.120 − x।

त्यसपछि x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, त्यसैले x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M। जाँचले 1.2 प्रतिशत दिन्छ, त्यसैले छोटो उपाय लागू हुन्छ। pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, र pH = 14.00 − 2.83 = 11.17। यहाँ सबैभन्दा सामान्य चुक 2.83 लाई pH भनी प्रतिवेदन गर्नु हो। क्षारले 7 भन्दा माथिको pH दिनैपर्छ।

आयनले पानीसँग अभिक्रिया गर्ने लवण

पानीमा जुनसुकै संयुग्मी अम्ल–क्षार जोडीका लागि 25 °C मा Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴ हुन्छ। अम्ल जति बलियो, यसको संयुग्मी क्षार उति कमजोर। यसले तालिकामा सूचीबद्ध नभएको स्थिरांक पत्ता लगाउन दिन्छ।

हल गरिएको उदाहरण 1। 0.100 M सोडियम एसिटेटको pH पत्ता लगाउनुहोस्। Na⁺ ले पानीसँग अभिक्रिया गर्दैन, तर एसिटेट कमजोर क्षार हो। यसको Kb 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ हो। त्यसपछि [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 र pH = 8.87। विलयन हल्का क्षारीय छ।

हल गरिएको उदाहरण 2। 0.200 M एमोनियम क्लोराइडको pH पत्ता लगाउनुहोस्। Cl⁻ बलियो अम्लको संयुग्मी क्षार हो र यसको कुनै मापनयोग्य प्रभाव हुँदैन, तर NH₄⁺ Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ भएको कमजोर अम्ल हो। त्यसपछि [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, र pH = 4.98।

• बलियो क्षारको धनायन (Na⁺, K⁺) र बलियो अम्लको ऋणायन (Cl⁻, NO₃⁻): तटस्थ।
• बलियो क्षारको धनायन र कमजोर अम्लको ऋणायन (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): क्षारीय।
• कमजोर क्षारको संयुग्मी अम्ल भएको धनायन (NH₄⁺) र बलियो अम्लको ऋणायन: अम्लीय।
• दुवै आयन अभिक्रियाशील: धनायनको Ka लाई ऋणायनको Kb सँग तुलना गर्नुहोस्। जुन स्थिरांक ठूलो छ, त्यही जित्छ।

बहुप्रोटिक अम्लले आफ्ना प्रोटोन एक-एक गरी गुमाउँछन्

कार्बोनिक अम्ल, H₂CO₃, र फस्फोरिक अम्ल, H₃PO₄, जस्ता अम्लमा प्रत्येक प्रोटोनका लागि एउटा Ka हुन्छ, र प्रत्येक त्यसअघिकोभन्दा निकै सानो हुन्छ। कार्बोनिक अम्लका लागि परिशिष्ट H ले Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ र Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ सूचीबद्ध गर्छ। Ka1 Ka2 भन्दा हजारौँ गुणा ठूलो भएकाले लगभग सबै हाइड्रोनियम पहिलो चरणबाट आउँछ।

हल गरिएको उदाहरण। 0.0330 M कार्बोनिक अम्लका लागि पहिलो चरणलाई एकल कमजोर अम्ल मान्नुहोस्: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, त्यसैले pH = 3.92। दोस्रो चरणले यसलाई मुस्किलले बदल्छ। [H₃O⁺] र [HCO₃⁻] लगभग बराबर भएकाले तिनी Ka2 को अभिव्यक्तिमा कटिन्छन्, र [CO₃²⁻] लगभग Ka2, 4.7 × 10⁻¹¹ M, बराबर आउँछ।

ध्यान दिनुपर्ने कमजोर अम्ल र क्षारका त्रुटि

समाप्त गर्नुअघि उत्तर अर्थपूर्ण छ कि छैन सोध्नुहोस्। कमजोर अम्लको विलयनको pH उही सान्द्रताको बलियो अम्लको भन्दा उच्च हुनुपर्छ, र कमजोर क्षारको pH बलियो क्षारको भन्दा कम हुनुपर्छ।

• कमजोर अम्ललाई बलियो मानेर [H₃O⁺] लाई सुरुको सान्द्रता बराबर राख्नु।
• x हटाएपछि 5 प्रतिशत जाँच छोड्नु।
• क्षारका लागि pOH लाई pH भनी प्रतिवेदन गर्नु, वा अन्त्यमा रूपान्तरण गर्न बिर्सनु।
• लवणको ऋणायनका लागि Kb चाहिने ठाउँमा Ka प्रयोग गर्नु। पहिले Kw प्रयोग गरी रूपान्तरण गर्नुहोस्।
• Cl⁻, NO₃⁻ वा Na⁺ ले pH बदल्छन् जस्तो ठान्नु।
• बहुप्रोटिक अम्लमा Ka2 Ka1 भन्दा निकै सानो हुँदा दोस्रो आयनीकरणको हाइड्रोनियमलाई पहिलोमा जोड्नु।
• Ka मा भएका सार्थक अंकभन्दा बढी दशमलव स्थान pH मा प्रतिवेदन गर्नु।