Asidi, Besi na pH: Uhamishaji wa Protoni na Kipimo cha Logarithimu

Kutoka asidi za Arrhenius hadi uhamishaji wa protoni wa Brønsted–Lowry

Arrhenius alifafanua asidi kama mchanganyiko unaozalisha ioni za hidrojeni majini na besi kama ile inayozalisha ioni za hidroksidi. Fasili hii inafanya kazi kwa asidi ya hidroklorik na hidroksidi ya sodiamu, lakini haiwezi kueleza kwa nini amonia, NH₃, isiyo na hidroksidi, hufanya maji kuwa ya besi.

Fasili ya Brønsted–Lowry inarekebisha hili kwa kuangazia protoni. Asidi ni mtoaji wa protoni na besi ni mpokeaji wa protoni, kwa hivyo kila athari ya asidi–besi ni uhamishaji wa protoni kutoka spishi moja hadi nyingine. Amonia ni besi kwa sababu inapokea protoni kutoka kwa maji: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Protoni tupu haipo huru majini. Huungana na molekuli ya maji kuunda ioni ya hidroniamu, H₃O⁺. Wanakemia mara nyingi huandika H⁺(aq) kama njia fupi, na nukuu hizo mbili zina maana ile ile katika hesabu za pH.

Kupata jozi za kiunganishi za asidi–besi

Asidi inapotoa protoni, kinachobaki ni besi yake kiunganishi; besi inapopokea protoni, inakuwa asidi yake kiunganishi. Wanachama wawili wa jozi ya kiunganishi hutofautiana kwa H⁺ moja hasa. Katika HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq), jozi ni HF/F⁻ na H₃O⁺/H₂O.

Maji yanaonekana kama besi katika athari ya HF na kama asidi katika athari ya amonia. Spishi inayoweza kutoa au kupokea protoni inaitwa amfiprotiki. Haidrojeni kabonati, HCO₃⁻, ni mfano mwingine: inaweza kupoteza protoni na kuwa CO₃²⁻ au kupata moja na kuwa H₂CO₃.

• Andika mlinganyo na upate spishi inayopoteza H⁺ ikitoka kushoto kwenda kulia. Hiyo ni asidi.
• Pata spishi inayopata H⁺. Hiyo ni besi.
• Oanisha kila kiitikio na bidhaa inayotofautiana nayo kwa H⁺ moja, na uhakikishe chaji zinatofautiana kwa moja.

Kali na dhaifu vinaeleza kiwango, si mkusanyiko

Asidi kali huionishwa karibu kabisa majini, kwa hivyo kila molekuli ya asidi iliyoyeyushwa hutoa H₃O⁺ na besi yake kiunganishi. Asidi kali za kawaida ni HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ na H₂SO₄ (kwa protoni yake ya kwanza). Besi kali za kawaida ni hidroksidi za metali za kundi la 1 na za kalsiamu, stronsiamu na bariamu. Asidi dhaifu huionishwa kwa sehemu tu, na usawa huanzishwa kati ya molekuli na ioni zake.

Nguvu na mkusanyiko ni mawazo tofauti. Myeyusho mwepesi wa asidi kali unaweza kuwa na ioni chache za hidroniamu kuliko myeyusho uliokolea wa asidi dhaifu. Hata hivyo, katika mkusanyiko sawa, tofauti ni kubwa. Myeyusho wa HCl wa 0.10 mol/L una [H₃O⁺] = 0.10 mol/L na pH 1.00. Asidi ya asetiki, yenye konstanti ya uionishaji wa asidi Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax Kiambatisho H), huionishwa takriban asilimia 1 tu katika 0.10 mol/L, na pH yake ni takriban 2.9. Hesabu za usawa wa asidi dhaifu ni mada tofauti; mwongozo huu unatumia ulinganisho tu.

Nguvu ya asidi na besi yake kiunganishi zimeunganika. Besi kiunganishi za asidi kali, kama Cl⁻ na NO₃⁻, zina mwelekeo usiozingatiwa wa kupokea protoni majini.

Bidhaa ya ioni ya maji, pH na pOH

Hata maji safi yana ioni chache, kwa sababu molekuli za maji huhamishiana protoni: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Konstanti ya usawa ya uionishaji huu wa kujitegemea ni Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ katika 25 °C. Katika maji safi mikusanyiko miwili ni sawa, 1.0 × 10⁻⁷ mol/L kila mmoja. Katika myeyusho wowote wa maji katika 25 °C, ukijua mkusanyiko mmoja unaweza kupata mwingine kwa kugawanya Kw kwa huo.

Kwa kuwa mikusanyiko hii inaenea kwa nguvu nyingi za kumi, wanakemia hutumia logarithimu: pH = −log[H₃O⁺] na pOH = −log[OH⁻]. Kuchukua logarithimu hasi ya usemi wa Kw kunatoa pH + pOH = 14.00 katika 25 °C. Badiliko la kizio kimoja cha pH ni badiliko mara kumi la mkusanyiko wa hidroniamu, kwa hivyo myeyusho wa pH 3 una [H₃O⁺] mara 100 ya ule wa pH 5.

Isiyo na upande inamaanisha [H₃O⁺] = [OH⁻], ambayo ni pH 7.00 katika 25 °C tu. Kw huongezeka kwa joto; OpenStax inatoa takriban 5.6 × 10⁻¹³ katika 100 °C, ambapo maji yasiyo na upande yana pH karibu na 6.1. Kwa logarithimu, idadi ya nafasi za desimali katika pH ni sawa na idadi ya tarakimu muhimu katika mkusanyiko.

Kukokotoa pH kwa asidi kali na besi kali

Mfano uliotatuliwa 1. Pata pH ya asidi ya nitriki ya 4.6 × 10⁻³ mol/L. HNO₃ ni kali, kwa hivyo [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Mkusanyiko una tarakimu mbili muhimu, kwa hivyo pH ina nafasi mbili za desimali. Kisha [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, ndogo sana kama inavyotarajiwa katika myeyusho wa asidi.

Mfano uliotatuliwa 2. 0.350 g za hidroksidi ya potasiamu zinayeyushwa kutengeneza 750.0 mL za myeyusho. Kwa kutumia uzito wa kawaida wa atomi wa IUPAC uliozungushwa hadi desimali mbili (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, na [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, na pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, ikipunguzwa hadi nafasi mbili za desimali na 14.00.

Mfano uliotatuliwa 3. Pata pH ya hidroksidi ya stronsiamu ya 3.60 × 10⁻³ mol/L. Sr(OH)₂ hutoa ioni mbili za hidroksidi kwa kila kizio cha fomula, kwa hivyo [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 na pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. Kusahau kigezo cha 2 kungetoa pH ya chini kwa takriban 0.30.

Mfano uliotatuliwa 4. Myeyusho una pH 4.62. Geuza logarithimu: [H₃O⁺] = 10 iliyoinuliwa kwa nguvu −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. Nafasi mbili za desimali katika pH zinaruhusu tarakimu mbili muhimu katika mkusanyiko. pOH ni 14.00 − 4.62 = 9.38, kwa hivyo [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

Makosa ya logarithimu na stoikiometri katika kazi ya pH

Makosa mengi ya pH hutokana na logarithimu au fomula ya asidi au besi. Ukaguzi wa haraka wa busara hugundua mengi: myeyusho wa asidi katika 25 °C una pH chini ya 7, ya besi juu ya 7, na kila kigezo cha kumi katika mkusanyiko husogeza pH kwa kizio kimoja.

Kuwa mwangalifu na asidi kali nyepesi sana. Myeyusho wa HCl wa 1.0 × 10⁻⁸ mol/L hauna pH 8, ambayo ingekuwa ya besi. Katika mikusanyiko ya chini hivyo, ioni za hidroniamu kutoka kwa uionishaji wa maji yenyewe hazipuuzwi, na uchanganuzi kamili unatoa pH ya takriban 6.98, chini kidogo ya isiyo na upande.

• Kuacha alama ya kutoa: −log ya namba chini ya 1 ni chanya. pH hasi kutoka kwa myeyusho mwepesi wa kawaida inaashiria kosa la ishara.
• Kusahau stoikiometri: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ na Ba(OH)₂ kila moja hutoa OH⁻ mbili kwa kila kizio cha fomula.
• Kutumia pH wakati besi inatoa pOH: pata pOH kutoka [OH⁻] kwanza, kisha ubadilishe.
• Kuchukulia asidi dhaifu kama kali: [H₃O⁺] ni sawa na mkusanyiko wa asidi kwa asidi kali pekee.
• Kutumia pH + pOH = 14.00 katika joto mbali na 25 °C.