Asidi na Besi Dhaifu: Kutoka Ka na Kb hadi pH

Kusoma Ka, Kb na vipimo vyake vya p

Kwa asidi dhaifu HA, uionishaji HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) una konstanti Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]. Maji ni kiyeyusho na huachwa nje. Ka kubwa zaidi inamaanisha asidi yenye nguvu zaidi. Kwa besi dhaifu B, athari B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) ina Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B].

Kwa kuwa konstanti hizi zinaenea kwa nguvu nyingi za kumi, mara nyingi huripotiwa kama pKa = −log Ka na pKb = −log Kb. Kipimo hiki huenda kinyume: pKa ndogo zaidi inamaanisha asidi yenye nguvu zaidi. Kiambatisho H kinatoa Ka = 1.8 × 10⁻⁵ kwa asidi ya asetiki (pKa 4.74), 6.4 × 10⁻⁴ kwa asidi ya hidroflorik (pKa 3.19) na 4.9 × 10⁻¹⁰ kwa asidi ya hidrosianiki (pKa 9.31). Ka ya HF ni takriban mara milioni moja ya ile ya HCN, ingawa zote mbili huitwa dhaifu.

Mfano uliotatuliwa: pH ya asidi dhaifu kwa njia ya mkato ya x ndogo

Pata pH ya asidi ya asetiki ya 0.200 M, CH₃COOH. Acha x iwe kiasi kinachoionishwa. Katika usawa [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x na [CH₃COOH] = 0.200 − x. Mchango wa maji yenyewe kwa H₃O⁺ (10⁻⁷ M) unapuuzika ukilinganishwa na ule wa asidi.

Andika 1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x). Kwa kuwa Ka ni ndogo, dhani x ni ndogo sana kuliko 0.200 na uiondoe kutoka kwenye kigawanyi. Kisha x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶ na x = 1.9 × 10⁻³ M. Ukaguzi: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 ni chini kidogo ya asilimia 1, chini sana ya kikomo cha asilimia 5, kwa hivyo njia ya mkato inafaa. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, huripotiwa kwa nafasi mbili za desimali kwa sababu Ka ina tarakimu mbili muhimu.

Linganisha hilo na asidi kali katika mkusanyiko ule ule, ambayo ingetoa pH 0.70. Asidi dhaifu ina takriban sehemu moja ya mia ya mkusanyiko wa hidroniamu.

Mfano uliotatuliwa: njia ya mkato inaposhindwa na unahitaji mlinganyo wa kipeo cha pili

Pata pH ya asidi ya naitrasi ya 0.0500 M, HNO₂, yenye Ka = 4.6 × 10⁻⁴ kutoka Kiambatisho H. Njia ya mkato inatoa x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M, ambayo ni asilimia 9.6 ya 0.0500. Hilo linashindwa ukaguzi wa asilimia 5, kwa hivyo tatua mlinganyo kamili.

Panga upya 4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) kuwa x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0. Mzizi chanya ni x = 4.57 × 10⁻³ M, kwa hivyo pH = 2.34 na asidi imeionishwa asilimia 9.1. Njia ya mkato ingetoa pH 2.32. Tofauti ya 0.02 inaonekana ndogo, lakini ni kubwa kuliko usahihi wa 0.01 ambao data inaruhusu, kwa hivyo jibu la mlinganyo wa kipeo cha pili ndilo la kuripoti.

Kanuni ya haraka ya kidole gumba: njia ya mkato kwa kawaida ni salama wakati mkusanyiko wa mwanzo ukigawanywa kwa Ka uko juu ya mia kadhaa. Hapa 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ ni takriban 110 tu, ndiyo sababu ilishindwa. Bado fanya ukaguzi wa asilimia 5 kila wakati.

Asilimia ya uionishaji hupanda asidi inapopunguzwa mkusanyiko

Asilimia ya uionishaji ni [H₃O⁺] katika usawa ikigawanywa kwa mkusanyiko wa mwanzo wa asidi, ikizidishwa kwa 100. Kwa asidi dhaifu haiko thabiti. Kutatua mlinganyo kamili kwa asidi ya asetiki kunatoa asilimia 0.94 katika 0.200 M, asilimia 3.0 katika 0.0200 M na asilimia 9.0 katika 0.00200 M.

Sababu ni kanuni ya Le Chatelier ikitumika kwa upunguzaji wa mkusanyiko. Kupunguza mkusanyiko hushusha kila mkusanyiko, jambo linaloshusha Q chini ya Ka, na usawa huhamia upande wa ioni zaidi. pH bado hupanda mkusanyiko unapopunguzwa, kutoka 2.72 hadi 3.23 hadi 3.74 katika mfululizo huu, lakini kwa takriban nusu kizio tu kwa kila upunguzaji wa mara kumi, si kizio kizima ambacho ungeona kwa asidi kali.

Mfano uliotatuliwa: besi dhaifu na pOH yake

Pata pH ya amonia ya 0.120 M, yenye Kb = 1.8 × 10⁻⁵ kutoka Kiambatisho I. Jedwali lina umbo sawa na la asidi, lakini bidhaa ni hidroksidi: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x na [NH₃] = 0.120 − x.

Kisha x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, kwa hivyo x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. Ukaguzi unatoa asilimia 1.2, kwa hivyo njia ya mkato inafaa. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, na pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. Kuteleza kunakotokea mara nyingi zaidi hapa ni kuripoti 2.83 kama pH. Besi lazima itoe pH juu ya 7.

Chumvi ambazo ioni zake huitikia na maji

Kwa jozi yoyote ya kiunganishi ya asidi–besi katika maji, Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴ katika 25 °C. Kadiri asidi inavyokuwa na nguvu zaidi, ndivyo besi yake kiunganishi inavyokuwa dhaifu zaidi. Hili hukuwezesha kupata konstanti ambayo majedwali hayaorodheshi.

Mfano uliotatuliwa 1. Pata pH ya asetati ya sodiamu ya 0.100 M. Na⁺ haiitikii na maji, lakini asetati ni besi dhaifu. Kb yake ni 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. Kisha [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13 na pH = 8.87. Myeyusho una tabia ya besi kidogo.

Mfano uliotatuliwa 2. Pata pH ya kloridi ya amonia ya 0.200 M. Cl⁻ ni besi kiunganishi ya asidi kali na haina athari inayopimika, lakini NH₄⁺ ni asidi dhaifu yenye Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. Kisha [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, na pH = 4.98.

• Kationi kutoka besi kali (Na⁺, K⁺) pamoja na anioni kutoka asidi kali (Cl⁻, NO₃⁻): isiyo na upande.
• Kationi kutoka besi kali pamoja na anioni ya asidi dhaifu (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): ya besi.
• Kationi iliyo asidi kiunganishi ya besi dhaifu (NH₄⁺) pamoja na anioni ya asidi kali: ya asidi.
• Ioni zote mbili zinaitikia: linganisha Ka ya kationi na Kb ya anioni. Konstanti iliyo kubwa zaidi ndiyo inashinda.

Asidi za protoni nyingi hupoteza protoni zake moja baada ya nyingine

Asidi kama asidi ya kaboniki, H₂CO₃, na asidi ya fosforiki, H₃PO₄, zina Ka moja kwa kila protoni, na kila moja ni ndogo zaidi sana kuliko ile iliyotangulia. Kwa asidi ya kaboniki, Kiambatisho H kinaorodhesha Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷ na Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹. Kwa kuwa Ka1 ni kubwa mara maelfu kuliko Ka2, karibu hidroniamu yote hutoka katika hatua ya kwanza.

Mfano uliotatuliwa. Kwa asidi ya kaboniki ya 0.0330 M, chukulia hatua ya kwanza kama asidi dhaifu moja: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, kwa hivyo pH = 3.92. Hatua ya pili karibu haibadilishi hili. Kwa kuwa [H₃O⁺] na [HCO₃⁻] karibu ni sawa, zinafutana katika usemi wa Ka2, na [CO₃²⁻] inatoka takriban sawa na Ka2, 4.7 × 10⁻¹¹ M.

Makosa ya asidi na besi dhaifu ya kuangalia

Kabla ya kumaliza, jiulize kama jibu lina maana. Myeyusho wa asidi dhaifu unapaswa kuwa na pH ya juu kuliko asidi kali ya mkusanyiko ule ule, na besi dhaifu pH ya chini kuliko besi kali.

• Kuchukulia asidi dhaifu kama kali na kuweka [H₃O⁺] sawa na mkusanyiko wa mwanzo.
• Kuruka ukaguzi wa asilimia 5 baada ya kuondoa x.
• Kuripoti pOH kama pH kwa besi, au kusahau kubadilisha mwishoni.
• Kutumia Ka pale Kb inapohitajika kwa anioni ya chumvi. Badilisha kwa Kw kwanza.
• Kuchukulia Cl⁻, NO₃⁻ au Na⁺ kana kwamba hubadilisha pH.
• Kuongeza hidroniamu ya uionishaji wa pili kwa ule wa kwanza kwa asidi ya protoni nyingi wakati Ka2 ni ndogo mno kuliko Ka1.
• Kuripoti nafasi zaidi za desimali katika pH kuliko tarakimu muhimu zilizo katika Ka.