வலிமை குறைந்த அமிலங்களும் காரங்களும்: Ka, Kb-இலிருந்து pH வரை

Ka, Kb, அவற்றின் p-அளவுகோல்களைப் படித்தல்

வலிமை குறைந்த அமிலம் HA-க்கு, HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) என்ற அயனியாக்கத்தின் மாறிலி Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]. நீர் கரைப்பான் என்பதால் விடப்படுகிறது. பெரிய Ka என்றால் வலிமையான அமிலம். வலிமை குறைந்த காரம் B-க்கு, B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) என்ற வினையின் மாறிலி Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B].

இந்த மாறிலிகள் பத்தின் பல அடுக்குகளைக் கடப்பதால், அவை பெரும்பாலும் pKa = −log Ka, pKb = −log Kb எனத் தெரிவிக்கப்படுகின்றன. அளவுகோல் பின்னோக்கிச் செல்கிறது: சிறிய pKa என்றால் வலிமையான அமிலம். பின்னிணைப்பு H அசிட்டிக் அமிலத்துக்கு Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), ஹைட்ரோபுளோரிக் அமிலத்துக்கு 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19), ஹைட்ரோசயனிக் அமிலத்துக்கு 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) எனத் தருகிறது. இரண்டுமே வலிமை குறைந்தவை என்று அழைக்கப்பட்டாலும், HF-இன் Ka, HCN-இன் Ka-ஐ விட ஏறத்தாழ பத்து லட்சம் மடங்கு பெரியது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: சிறிய-x குறுக்குவழியுடன் வலிமை குறைந்த அமிலத்தின் pH

0.200 M அசிட்டிக் அமிலம், CH₃COOH-இன் pH-ஐக் காணுங்கள். அயனியாகும் அளவை x எனக் கொள்ளுங்கள். சமநிலையில் [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x, [CH₃COOH] = 0.200 − x. H₃O⁺-க்கு நீரின் சொந்தப் பங்களிப்பு (10⁻⁷ M) அமிலத்தின் பங்களிப்புக்கு அருகில் புறக்கணிக்கத்தக்கது.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) என எழுதுங்கள். Ka சிறியது என்பதால், x என்பது 0.200-ஐ விட மிகக் குறைவு என்று அனுமானித்து அதைப் பகுதியிலிருந்து நீக்குங்கள். அப்போது x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶, x = 1.9 × 10⁻³ M. சரிபார்ப்பு: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 என்பது 1 சதவீதத்துக்குச் சற்றுக் கீழ், 5 சதவீத வரம்புக்கு நன்கு கீழே; எனவே குறுக்குவழி செல்லுபடியாகிறது. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72; Ka-க்கு இரண்டு குறிப்பிடத்தக்க இலக்கங்கள் உள்ளதால் இரண்டு தசம இடங்களுக்குத் தெரிவிக்கப்படுகிறது.

அதே செறிவுள்ள வலிமையான அமிலத்துடன் அதை ஒப்பிடுங்கள்; அது pH 0.70-ஐத் தரும். வலிமை குறைந்த அமிலத்தில் ஹைட்ரோனியம் செறிவு ஏறத்தாழ நூறில் ஒரு பங்கே உள்ளது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: குறுக்குவழி தோல்வியடைந்து இருபடிச் சமன்பாடு தேவைப்படும்போது

பின்னிணைப்பு H-இலிருந்து Ka = 4.6 × 10⁻⁴ கொண்ட 0.0500 M நைட்ரஸ் அமிலம், HNO₂-இன் pH-ஐக் காணுங்கள். குறுக்குவழி x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M எனத் தருகிறது; இது 0.0500-இன் 9.6 சதவீதம். இது 5 சதவீதச் சரிபார்ப்பில் தோல்வியடைகிறது; எனவே முழுச் சமன்பாட்டைத் தீர்க்கவும்.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x)-ஐ x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 என மாற்றியமையுங்கள். நேர்ம மூலம் x = 4.57 × 10⁻³ M; எனவே pH = 2.34, அமிலம் 9.1 சதவீதம் அயனியாகியுள்ளது. குறுக்குவழி pH 2.32-ஐத் தந்திருக்கும். 0.02 வேறுபாடு சிறியதாகத் தோன்றும், ஆனால் தரவு ஆதரிக்கும் 0.01 துல்லியத்தை விட அது பெரியது; எனவே தெரிவிக்க வேண்டியது இருபடிச் சமன்பாட்டு விடையே.

ஒரு விரைவுத் தோராய விதி: தொடக்கச் செறிவை Ka ஆல் வகுத்தது சில நூறுகளுக்கு மேல் இருக்கும்போது குறுக்குவழி பொதுவாகப் பாதுகாப்பானது. இங்கு 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ என்பது ஏறத்தாழ 110 மட்டுமே; இதனால்தான் அது தோல்வியடைந்தது. இருந்தாலும் ஒவ்வொரு முறையும் 5 சதவீதச் சரிபார்ப்பை நடத்துங்கள்.

அமிலம் நீர்க்கப்படும்போது சதவீத அயனியாக்கம் உயர்கிறது

சதவீத அயனியாக்கம் என்பது சமநிலையில் உள்ள [H₃O⁺]-ஐத் தொடக்க அமிலச் செறிவால் வகுத்து 100-ஆல் பெருக்கியது. வலிமை குறைந்த அமிலத்துக்கு அது நிலையானது அல்ல. அசிட்டிக் அமிலத்துக்கு முழுச் சமன்பாட்டைத் தீர்த்தால், 0.200 M-இல் 0.94 சதவீதம், 0.0200 M-இல் 3.0 சதவீதம், 0.00200 M-இல் 9.0 சதவீதம் கிடைக்கிறது.

இதற்குக் காரணம் நீர்த்தலுக்குப் பயன்படுத்தப்படும் லீ சாட்லியர் கொள்கை. நீர்த்தல் ஒவ்வொரு செறிவையும் குறைக்கிறது; இது Q-ஐ Ka-க்குக் கீழே குறைக்கிறது; சமநிலை அதிக அயனிகளை நோக்கி நகர்கிறது. நீர்த்தலில் pH இன்னும் உயர்கிறது, இந்தத் தொடரில் 2.72-இலிருந்து 3.23-க்கும் 3.74-க்கும்; ஆனால் ஒவ்வொரு பத்து மடங்கு நீர்த்தலுக்கும் ஏறத்தாழ அரை அலகு மட்டுமே, வலிமையான அமிலத்தில் காணும் முழு அலகு அல்ல.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: வலிமை குறைந்த காரமும் அதன் pOH-உம்

பின்னிணைப்பு I-இலிருந்து Kb = 1.8 × 10⁻⁵ கொண்ட 0.120 M அம்மோனியாவின் pH-ஐக் காணுங்கள். அட்டவணை அமிலத்துக்கானதன் அதே வடிவம் கொண்டது, ஆனால் விளைபொருள் ஹைட்ராக்சைடு: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x, [NH₃] = 0.120 − x.

அப்போது x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120; எனவே x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. சரிபார்ப்பு 1.2 சதவீதம் தருகிறது; எனவே குறுக்குவழி செல்லுபடியாகிறது. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. இங்கு மிகவும் பொதுவான தவறு 2.83-ஐ pH ஆகத் தெரிவிப்பது. காரம் 7-க்கு மேல் pH-ஐத் தர வேண்டும்.

அயனிகள் நீருடன் வினைபுரியும் உப்புகள்

நீரில் உள்ள எந்த இணை அமிலம்–கார இணைக்கும், 25 °C-இல் Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. அமிலம் எவ்வளவு வலிமையானதோ, அதன் இணைக் காரம் அவ்வளவு வலிமை குறைந்தது. அட்டவணைகள் பட்டியலிடாத மாறிலியைக் கண்டறிய இது உதவுகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 1. 0.100 M சோடியம் அசிட்டேட்டின் pH-ஐக் காணுங்கள். Na⁺ நீருடன் வினைபுரிவதில்லை, ஆனால் அசிட்டேட்டு வலிமை குறைந்த காரம். அதன் Kb = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. அப்போது [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13, pH = 8.87. கரைசல் மிதமான காரத்தன்மை கொண்டது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 2. 0.200 M அம்மோனியம் குளோரைடின் pH-ஐக் காணுங்கள். Cl⁻ வலிமையான அமிலத்தின் இணைக் காரம், அளவிடக்கூடிய விளைவு எதுவும் இல்லை; ஆனால் NH₄⁺, Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ கொண்ட வலிமை குறைந்த அமிலம். அப்போது [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, pH = 4.98.

• வலிமையான காரத்திலிருந்து வரும் நேரயனி (Na⁺, K⁺) உடன் வலிமையான அமிலத்திலிருந்து வரும் எதிரயனி (Cl⁻, NO₃⁻): நடுநிலை.
• வலிமையான காரத்திலிருந்து வரும் நேரயனியுடன் வலிமை குறைந்த அமிலத்தின் எதிரயனி (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): காரத்தன்மை.
• வலிமை குறைந்த காரத்தின் இணை அமிலமான நேரயனி (NH₄⁺) உடன் வலிமையான அமிலத்தின் எதிரயனி: அமிலத்தன்மை.
• இரண்டு அயனிகளும் வினைபுரிபவை: நேரயனியின் Ka-ஐ எதிரயனியின் Kb-உடன் ஒப்பிடுங்கள். எந்த மாறிலி பெரியதோ அதுவே வெல்லும்.

பல்புரோட்டான் அமிலங்கள் தம் புரோட்டான்களை ஒவ்வொன்றாக இழக்கின்றன

கார்பானிக் அமிலம், H₂CO₃, பாஸ்பாரிக் அமிலம், H₃PO₄ போன்ற அமிலங்களுக்கு ஒவ்வொரு புரோட்டானுக்கும் ஒரு Ka உண்டு; ஒவ்வொன்றும் அதற்கு முந்தையதை விட மிகச் சிறியது. கார்பானிக் அமிலத்துக்கு, பின்னிணைப்பு H, Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷, Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ எனப் பட்டியலிடுகிறது. Ka1, Ka2-ஐ விட ஆயிரக்கணக்கான மடங்கு பெரியது என்பதால், கிட்டத்தட்ட எல்லா ஹைட்ரோனியமும் முதல் படியிலிருந்தே வருகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு. 0.0330 M கார்பானிக் அமிலத்துக்கு, முதல் படியை ஒற்றை வலிமை குறைந்த அமிலமாகக் கருதுங்கள்: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M; எனவே pH = 3.92. இரண்டாம் படி இதை அரிதாகவே மாற்றுகிறது. [H₃O⁺], [HCO₃⁻] கிட்டத்தட்டச் சமம் என்பதால், அவை Ka2 கோவையில் நீங்கிவிடுகின்றன; [CO₃²⁻] ஏறத்தாழ Ka2-க்குச் சமமாக, 4.7 × 10⁻¹¹ M ஆக, வருகிறது.

கவனிக்க வேண்டிய வலிமை குறைந்த அமில, காரப் பிழைகள்

முடிப்பதற்கு முன், விடை பொருத்தமாக உள்ளதா என்று கேளுங்கள். வலிமை குறைந்த அமிலக் கரைசலுக்கு அதே செறிவுள்ள வலிமையான அமிலத்தை விட உயர்ந்த pH இருக்க வேண்டும்; வலிமை குறைந்த காரத்துக்கு வலிமையான காரத்தை விடக் குறைந்த pH இருக்க வேண்டும்.

• வலிமை குறைந்த அமிலத்தை வலிமையானதாகக் கருதி [H₃O⁺]-ஐத் தொடக்கச் செறிவுக்குச் சமமாக அமைத்தல்.
• x-ஐ நீக்கிய பிறகு 5 சதவீதச் சரிபார்ப்பைத் தவிர்த்தல்.
• காரத்துக்கு pOH-ஐ pH ஆகத் தெரிவித்தல், அல்லது இறுதியில் மாற்ற மறத்தல்.
• உப்பின் எதிரயனிக்கு Kb தேவைப்படும் இடத்தில் Ka-ஐப் பயன்படுத்துதல். முதலில் Kw கொண்டு மாற்றுங்கள்.
• Cl⁻, NO₃⁻ அல்லது Na⁺ pH-ஐ மாற்றுவதுபோல் கருதுதல்.
• Ka2, Ka1-ஐ விட மிகச் சிறியதாக இருக்கும்போது, பல்புரோட்டான் அமிலத்தின் இரண்டாம் அயனியாக்கத்தின் ஹைட்ரோனியத்தை முதலாவதுடன் கூட்டுதல்.
• Ka-இல் உள்ள குறிப்பிடத்தக்க இலக்கங்களை விட அதிகத் தசம இடங்களை pH-இல் தெரிவித்தல்.