தாங்கல் கரைசல்கள்: வலிமை குறைந்த அமிலமும் அதன் இணைக் காரமும் pH-ஐ எவ்வாறு நிலையாக வைக்கின்றன

ஒவ்வொன்றும் ஓர் அச்சுறுத்தலை நடுநிலையாக்கும் இரண்டு கூட்டாளிகள்

அசிட்டிக் அமிலம், CH₃COOH, CH₃COO⁻-ஐ வழங்கும் சோடியம் அசிட்டேட்டு ஆகியவற்றின் கலவையை எடுத்துக்கொள்ளுங்கள். வலிமையான அமிலம் சேர்க்கப்பட்டால், அசிட்டேட்டு அயனி கூடுதல் புரோட்டான்களை ஏற்றுக்கொள்கிறது: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. வலிமையான காரம் சேர்க்கப்பட்டால், அசிட்டிக் அமிலம் அதை நடுநிலையாக்குகிறது: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

இரண்டு வினைகளும் கிட்டத்தட்ட முழுமையாக நடக்கின்றன; எனவே சேர்க்கப்பட்ட வலிமையான அமிலம் அல்லது காரம் வலிமை குறைந்த கூட்டாளியாக மேலும் மாற்றப்படுகிறது. அமில–கார விகிதம் மாறுவதால் pH இன்னும் நகர்கிறது, ஆனால் சிறிதளவே. வலிமை குறைந்த அமிலம் மட்டும் உள்ள கரைசல் இதைச் செய்ய இயலாது, ஏனெனில் சேர்க்கப்படும் அமிலத்தை உறிஞ்ச அதில் இணைக் காரம் கிட்டத்தட்ட இல்லை.

பொதுவான தாங்கல் இணைகளில் அசிட்டிக் அமிலமும் அசிட்டேட்டும், அம்மோனியமும் அம்மோனியாவும், டைஹைட்ரஜன் பாஸ்பேட்டும் ஹைட்ரஜன் பாஸ்பேட்டும், கார்பானிக் அமிலமும் ஹைட்ரஜன் கார்பனேட்டும் அடங்கும். OpenStax பிரிவு 14.6 விவரிப்பதுபோல், கடைசி இணை மனித இரத்தத்தை pH 7.4-க்கு அருகில் வைக்க உதவுகிறது.

Ka கோவையிலிருந்து ஹென்டர்சன்–ஹாசல்பால்க் சமன்பாட்டைப் பெறுதல்

Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]-இலிருந்து தொடங்கி ஹைட்ரோனியத்துக்குத் தீர்வு காணுங்கள்: [H₃O⁺] = Ka × [HA]/[A⁻]. இரு பக்கங்களுக்கும் −log எடுத்தால் pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) கிடைக்கிறது. இதுவே ஹென்டர்சன்–ஹாசல்பால்க் சமன்பாடு.

தாங்கல் கரைசலில் HA, A⁻ இரண்டும் கணிசமான அளவுகளில் உள்ளன; ஒவ்வொன்றும் மற்றொன்றின் நீருடனான வினையை அடக்குகிறது. எனவே அவற்றின் சமநிலைச் செறிவுகள் நீங்கள் கலந்த அளவுகளுக்குக் கிட்டத்தட்டச் சமம். இதனால்தான் ICE அட்டவணை இல்லாமலேயே தயாரித்த செறிவுகளை நேரடியாகச் சமன்பாட்டில் இடலாம்.

இரண்டு கூட்டாளிகளும் ஒரே கனஅளவில் இருப்பதால், செறிவுகளின் விகிதம் மோல்களின் விகிதத்துக்குச் சமம். மோல்களை நேரடியாகப் பயன்படுத்தலாம்; இது அமிலம் அல்லது காரம் சேர்த்த பிறகு ஒரு படியைச் சேமிக்கிறது.

• [A⁻] = [HA] ஆக இருக்கும்போது, log உறுப்பு பூஜ்யம், pH = pKa.
• காரம்-அமில விகிதத்தில் ஒவ்வொரு பத்து மடங்கு அதிகரிப்பும் pH-ஐ ஓர் அலகு உயர்த்துகிறது.
• அமிலத்தை விட அதிக இணைக் காரம் pKa-க்கு மேல் pH-ஐத் தருகிறது; அதிக அமிலம் அதற்குக் கீழ் pH-ஐத் தருகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: அசிட்டேட்டு தாங்கல் கரைசலின் pH

ஒரு தாங்கல் கரைசலில் 0.300 M CH₃COOH, 0.250 M CH₃COONa உள்ளன. பின்னிணைப்பு H Ka = 1.8 × 10⁻⁵ எனத் தருகிறது; எனவே pKa = 4.745. அப்போது pH = 4.745 + log(0.250/0.300) = 4.745 − 0.079 = 4.67.

முழுமையாக்கப்படாத pKa-ஐ இறுதி வரை எடுத்துச் செல்லுங்கள். அதை முதலில் 4.74 ஆக முழுமையாக்கினால் 4.66 கிடைக்கிறது. வேறுபாடு இரண்டு குறிப்பிடத்தக்க இலக்க Ka-இன் நிச்சயமின்மைக்குள் உள்ளது; ஆனால் இறுதியில் ஒருமுறை முழுமையாக்குவது உங்கள் விடைகளை விடைக்குறிப்புடன் ஒத்திசைவாக வைக்கிறது. அமிலம் காரத்தை விடச் சற்று அதிகமாக இருப்பதால், எதிர்பார்த்தபடியே pH, pKa-க்குச் சற்றுக் கீழே உள்ளது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: வலிமையான அமிலத்தையும் பின்னர் வலிமையான காரத்தையும் சேர்த்தல்

மேலே உள்ள தாங்கல் கரைசலின் 1.00 L-இல் 0.0200 mol HCl சேருங்கள். நடுநிலையாக்கலை முதலில், ஒரு வினைக்கணிதப் படியாகச் செய்யுங்கள்: H₃O⁺ 0.0200 mol அசிட்டேட்டை அசிட்டிக் அமிலமாக மாற்றுகிறது. அசிட்டிக் அமிலம் 0.300-இலிருந்து 0.320 mol-க்கு உயர்கிறது; அசிட்டேட்டு 0.250-இலிருந்து 0.230 mol-க்குக் குறைகிறது. அப்போது pH = 4.745 + log(0.230/0.320) = 4.60. pH 4.67-இலிருந்து 4.60-க்குக் குறைந்தது, ஓர் அலகின் பத்தில் ஒரு பங்கை விடக் குறைவு.

அதே 0.0200 mol HCl-ஐ 1.00 L தூய நீரில் சேர்த்தால் [H₃O⁺] = 0.0200 M, pH 1.70 கிடைக்கும்; நடுநிலையிலிருந்து ஐந்து அலகுகளுக்கும் மேல் குறைவு.

இப்போது அசல் தாங்கல் கரைசலின் புதிய 1.00 L-இல் 0.0500 mol NaOH சேருங்கள். ஹைட்ராக்சைடு 0.0500 mol அசிட்டிக் அமிலத்தை அசிட்டேட்டாக மாற்றி, 0.250 mol அமிலத்தையும் 0.300 mol காரத்தையும் விட்டுச்செல்கிறது. pH = 4.745 + log(0.300/0.250) = 4.82; 4.67-இலிருந்து 0.2-க்கும் குறைவான உயர்வு. தூய நீரில் அதே NaOH pH 12.70-ஐத் தரும்.

அதே தர்க்கம் பகுதி நடுநிலையாக்கல் மூலம் தாங்கல் கரைசலைத் தயாரிக்க உதவுகிறது. 0.0400 mol அசிட்டிக் அமிலத்தை 0.0150 mol NaOH உடன் கலந்தால் 0.0250 mol அமிலமும் 0.0150 mol அசிட்டேட்டும் எஞ்சுகின்றன; எனவே இறுதிக் கனஅளவு எதுவாக இருந்தாலும் pH = 4.745 + log(0.0150/0.0250) = 4.52.

இலக்கு pH-க்குத் தாங்கல் கரைசலை வடிவமைத்தல்

முதலில், நீங்கள் விரும்பும் pH-இலிருந்து ஓர் அலகுக்குள் pKa உள்ள இணை இணையைத் தேர்ந்தெடுங்கள். பின்னர் விகிதத்தைக் கண்டறிய ஹென்டர்சன்–ஹாசல்பால்க் சமன்பாட்டைப் பின்னோக்கிப் பயன்படுத்துங்கள்; விகிதத்தை அளவுகளாக மாற்ற வினைக்கணிதத்தைப் பயன்படுத்துங்கள்.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு. 0.200 M அம்மோனியாவின் 500.0 mL-இல் திண்ம அம்மோனியம் குளோரைடைச் சேர்த்து pH 9.50 தாங்கல் கரைசலைத் தயாரியுங்கள். அமிலக் கூட்டாளி NH₄⁺. பின்னிணைப்பு I-இலிருந்து, Kb(NH₃) = 1.8 × 10⁻⁵; எனவே pKb = 4.745, pKa(NH₄⁺) = 14.00 − 4.745 = 9.255. தேவையான விகிதம் [NH₃]/[NH₄⁺] = 10-ஐ (9.50 − 9.255) அடுக்குக்கு உயர்த்தியது = 1.76.

குடுவையில் 0.5000 L × 0.200 mol/L = 0.100 mol NH₃ உள்ளது; எனவே அதற்கு 0.100 / 1.76 = 0.0569 mol NH₄⁺ தேவை. M(NH₄Cl) = 53.49 g/mol உடன், அது ஏறத்தாழ 3.0 g அம்மோனியம் குளோரைடு; Kb-க்கு இரண்டு குறிப்பிடத்தக்க இலக்கங்கள் உள்ளதால் இரண்டுக்குத் தெரிவிக்கப்படுகிறது. நடைமுறையில், பின்னர் அளவுத்திருத்தம் செய்யப்பட்ட மீட்டரைக் கொண்டு pH-ஐச் சரிபார்த்துச் சரிசெய்வீர்கள்.

தாங்கல் திறனும் பயனுள்ள pH வரம்பும்

தாங்கல் வரம்பு என்பது ஒரு தாங்கல் கரைசல் நன்றாகச் செயல்படும் pH இடைவெளி. 10:1 அல்லது 1:10 விகிதம் pH = pKa ± 1-க்கு ஒத்திருக்கிறது; அந்த இடைவெளிக்கு வெளியே, ஒரு கூட்டாளி மேலும் அதிக அமிலத்தையோ காரத்தையோ உறிஞ்ச மிகக் குறைவாக உள்ளது. அசிட்டேட்டு தாங்கல்கள் ஏறத்தாழ pH 3.7 முதல் 5.7 வரையிலும், அம்மோனியா தாங்கல்கள் ஏறத்தாழ 8.3 முதல் 10.3 வரையிலும் பயனுள்ளவை.

தாங்கல் திறன் என்பது ஒரு தாங்கல் கரைசலின் pH பெருமளவு மாறுவதற்கு முன் அது உறிஞ்சக்கூடிய அமிலம் அல்லது காரத்தின் அளவு. அது அவற்றின் விகிதத்தை மட்டுமல்லாமல், ஒவ்வொரு கூட்டாளியும் எவ்வளவு உள்ளது என்பதைச் சார்ந்தது. சம அமிலமும் காரமும் கொண்ட, ஒவ்வொன்றும் 1.00 L உள்ள இரண்டு அசிட்டேட்டு தாங்கல்களை ஒப்பிடுங்கள். இரண்டும் pH = pKa = 4.74-இல் தொடங்குகின்றன. ஒவ்வொன்றும் 0.100 M இருக்கும்போது, 0.00500 mol HCl சேர்ப்பது pH-ஐ 0.04 குறைத்து 4.70 ஆக்குகிறது. ஒவ்வொன்றும் 0.0100 M இருக்கும்போது, அதே சேர்க்கை அதைக் கிட்டத்தட்ட அரை அலகு குறைத்து 4.27 ஆக்குகிறது. விகிதம் ஒன்றே, ஆனால் நீர்த்த தாங்கலுக்குப் பத்தில் ஒரு பங்கு திறனே இருந்தது.

சேர்க்கப்பட்ட அமிலம் அல்லது காரம் ஒரு கூட்டாளியை முழுவதுமாகப் பயன்படுத்தும்போது தாங்கல் கரைசல் தீர்ந்துவிடுகிறது. அதன் பிறகு, pH மிகையான வலிமையான அமிலம் அல்லது காரத்தால் நிர்ணயிக்கப்பட்டு, கூர்மையாக மாறுகிறது.

தாங்கல் விடையைத் தவறாக்கும் தவறுகள்

தாங்கல் கணக்குகள் இரண்டு வகைச் சிந்தனையைக் கலக்கின்றன: நடுநிலையாக்கலுக்கு வினைக்கணிதம், pH-க்குச் சமநிலை. அவற்றை அந்த வரிசையிலேயே வையுங்கள்.

• விகிதத்தைத் தலைகீழாக எழுதுதல். அது காரம் / அமிலம்: log([A⁻]/[HA]).
• நடுநிலையாக்கல் படியைச் செய்வதற்கு முன் சேர்க்கப்பட்ட HCl அல்லது NaOH-ஐ ஹென்டர்சன்–ஹாசல்பால்க் சமன்பாட்டில் இடுதல்.
• அம்மோனியா தாங்கலுக்கு pKa-க்குப் பதிலாக pKb-ஐப் பயன்படுத்துதல். 25 °C-இல் pKa + pKb = 14.00 கொண்டு மாற்றுங்கள்.
• இரண்டு கூட்டாளிகளும் வெவ்வேறு கனஅளவுகளில் இருக்கும்போது ஒன்றுக்கு மோல்களையும் மற்றொன்றுக்குச் செறிவையும் கலத்தல்.
• சேர்க்கப்பட்ட அமிலம் அல்லது காரம் ஒரு கூட்டாளியின் அளவை மிஞ்சிய பிறகும் தாங்கல் செயல்படுகிறது என்று கருதுதல்.
• வலிமை குறைந்த அமிலத்தை மட்டும், அல்லது வலிமையான அமிலத்துடன் வலிமை குறைந்த அமிலத்தை, தாங்கல் கரைசலாகக் கருதுதல்.