ఆమ్లాలు, క్షారాలు, pH: ప్రోటాన్ బదిలీ, సంవర్గమాన మానం

ఆర్హీనియస్ ఆమ్లాల నుండి బ్రాన్‌స్టెడ్–లౌరీ ప్రోటాన్ బదిలీ వరకు

ఆర్హీనియస్ ఆమ్లాన్ని నీటిలో హైడ్రోజన్ అయాన్‌లను ఉత్పత్తి చేసే సమ్మేళనంగా, క్షారాన్ని హైడ్రాక్సైడ్ అయాన్‌లను ఉత్పత్తి చేసేదిగా నిర్వచించాడు. ఈ నిర్వచనం హైడ్రోక్లోరిక్ ఆమ్లం, సోడియం హైడ్రాక్సైడ్‌లకు పనిచేస్తుంది, కానీ హైడ్రాక్సైడ్ లేని అమోనియా, NH₃, నీటిని ఎందుకు క్షారంగా చేస్తుందో అది వివరించలేదు.

బ్రాన్‌స్టెడ్–లౌరీ నిర్వచనం ప్రోటాన్‌పై దృష్టి పెట్టడం ద్వారా దీన్ని సరిచేస్తుంది. ఆమ్లం ప్రోటాన్ దాత, క్షారం ప్రోటాన్ గ్రహీత, కాబట్టి ప్రతి ఆమ్ల–క్షార చర్య ఒక జాతి నుండి మరొక జాతికి ప్రోటాన్ బదిలీ. అమోనియా నీటి నుండి ప్రోటాన్‌ను స్వీకరిస్తుంది కాబట్టి క్షారం: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

నగ్న ప్రోటాన్ నీటిలో స్వేచ్ఛగా ఉండదు. అది నీటి అణువుతో బంధించి హైడ్రోనియం అయాన్, H₃O⁺, ను ఏర్పరుస్తుంది. రసాయనశాస్త్రజ్ఞులు తరచుగా సంక్షిప్తంగా H⁺(aq) రాస్తారు, pH లెక్కల్లో రెండు సంజ్ఞామానాలకూ అదే అర్థం.

సంయుగ్మ ఆమ్ల–క్షార జతలను కనుగొనడం

ఆమ్లం ప్రోటాన్‌ను ఇచ్చినప్పుడు, మిగిలేది దాని సంయుగ్మ క్షారం; క్షారం ప్రోటాన్‌ను స్వీకరించినప్పుడు, అది దాని సంయుగ్మ ఆమ్లం అవుతుంది. సంయుగ్మ జతలోని రెండు సభ్యులు సరిగ్గా ఒక H⁺ తో భిన్నంగా ఉంటారు. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) లో, జతలు HF/F⁻ మరియు H₃O⁺/H₂O.

నీరు HF చర్యలో క్షారంగా, అమోనియా చర్యలో ఆమ్లంగా కనిపిస్తుంది. ప్రోటాన్‌ను ఇవ్వగల లేదా స్వీకరించగల జాతిని ఉభయ ప్రోటిక్ అంటారు. హైడ్రోజన్ కార్బొనేట్, HCO₃⁻, మరొక ఉదాహరణ: అది ప్రోటాన్ కోల్పోయి CO₃²⁻ కావచ్చు లేదా ఒకటి పొంది H₂CO₃ కావచ్చు.

• సమీకరణం రాసి, ఎడమ నుండి కుడికి వెళ్లేటప్పుడు H⁺ కోల్పోయే జాతిని కనుగొనండి. అదే ఆమ్లం.
• H⁺ పొందే జాతిని కనుగొనండి. అదే క్షారం.
• ప్రతి క్రియాజనకాన్ని ఒక H⁺ తో భిన్నంగా ఉన్న ఉత్పన్నంతో జత చేసి, ఆవేశాలు ఒకటి తేడాతో ఉన్నాయో సరిచూడండి.

బలమైన, బలహీనమైన అనేవి గాఢతను కాక, పరిధిని వివరిస్తాయి

బలమైన ఆమ్లం నీటిలో దాదాపు పూర్తిగా అయనీకరిస్తుంది, కాబట్టి కరిగిన ప్రతి ఆమ్ల అణువు H₃O⁺, దాని సంయుగ్మ క్షారాన్ని ఇస్తుంది. సాధారణ బలమైన ఆమ్లాలు HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄, H₂SO₄ (దాని మొదటి ప్రోటాన్‌కు). సాధారణ బలమైన క్షారాలు మొదటి గ్రూపు లోహాల, కాల్షియం, స్ట్రాన్షియం, బేరియం హైడ్రాక్సైడ్‌లు. బలహీన ఆమ్లం పాక్షికంగా మాత్రమే అయనీకరిస్తుంది, అణువు, దాని అయాన్‌ల మధ్య సమతాస్థితి ఏర్పడుతుంది.

బలం, గాఢత వేర్వేరు ఆలోచనలు. బలమైన ఆమ్లం విలీన ద్రావణంలో బలహీన ఆమ్లం గాఢ ద్రావణం కంటే తక్కువ హైడ్రోనియం అయాన్‌లు ఉండవచ్చు. అయితే సమాన గాఢత వద్ద, తేడా పెద్దది. 0.10 mol/L HCl ద్రావణానికి [H₃O⁺] = 0.10 mol/L, pH 1.00. ఆమ్ల అయనీకరణ స్థిరాంకం Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax అనుబంధం H) గల ఎసిటిక్ ఆమ్లం, 0.10 mol/L వద్ద కేవలం సుమారు 1 శాతం అయనీకరిస్తుంది, దాని pH సుమారు 2.9. బలహీన-ఆమ్ల సమతాస్థితి లెక్కలు వేరే అంశం; ఈ మార్గదర్శి పోలికను మాత్రమే ఉపయోగిస్తుంది.

ఆమ్లం బలం, దాని సంయుగ్మ క్షారం బలం అనుసంధానమై ఉన్నాయి. Cl⁻, NO₃⁻ వంటి బలమైన ఆమ్లాల సంయుగ్మ క్షారాలకు నీటిలో ప్రోటాన్‌ను స్వీకరించే ప్రవృత్తి అతి స్వల్పం.

నీటి అయాన్ లబ్ధం, pH, pOH

స్వచ్ఛమైన నీటిలో కూడా కొన్ని అయాన్‌లు ఉంటాయి, ఎందుకంటే నీటి అణువులు ఒకదానికొకటి ప్రోటాన్‌లను బదిలీ చేసుకుంటాయి: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). ఈ స్వీయ అయనీకరణ సమతాస్థితి స్థిరాంకం 25 °C వద్ద Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴. స్వచ్ఛమైన నీటిలో రెండు గాఢతలు సమానం, ఒక్కొక్కటి 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C వద్ద ఏ జలీయ ద్రావణంలోనైనా, ఒక గాఢత తెలిస్తే Kw ను దానితో భాగించి మరొకదాన్ని కనుగొనవచ్చు.

ఈ గాఢతలు అనేక పదిఘాతాలను విస్తరించి ఉన్నందున, రసాయనశాస్త్రజ్ఞులు సంవర్గమానాలను ఉపయోగిస్తారు: pH = −log[H₃O⁺], pOH = −log[OH⁻]. Kw వ్యక్తీకరణ ఋణ సంవర్గమానాన్ని తీసుకుంటే 25 °C వద్ద pH + pOH = 14.00 వస్తుంది. ఒక pH యూనిట్ మార్పు హైడ్రోనియం గాఢతలో పది రెట్ల మార్పు, కాబట్టి pH 3 ద్రావణానికి pH 5 ద్రావణం కంటే 100 రెట్లు [H₃O⁺] ఉంటుంది.

తటస్థం అంటే [H₃O⁺] = [OH⁻], ఇది 25 °C వద్ద మాత్రమే pH 7.00. Kw ఉష్ణోగ్రతతో పెరుగుతుంది; OpenStax 100 °C వద్ద సుమారు 5.6 × 10⁻¹³ ఇస్తుంది, అక్కడ తటస్థ నీటి pH సుమారు 6.1. సంవర్గమానాలకు, pH లోని దశాంశ స్థానాల సంఖ్య గాఢతలోని సార్థక అంకెల సంఖ్యకు సమానం.

బలమైన ఆమ్లాలు, బలమైన క్షారాలకు pH లెక్కించడం

సాధన ఉదాహరణ 1. 4.6 × 10⁻³ mol/L నైట్రిక్ ఆమ్లం pH కనుగొనండి. HNO₃ బలమైనది, కాబట్టి [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. గాఢతకు రెండు సార్థక అంకెలు ఉన్నాయి, కాబట్టి pH కి రెండు దశాంశ స్థానాలు. తర్వాత [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, ఆమ్ల ద్రావణంలో ఆశించినట్లు చాలా చిన్నది.

సాధన ఉదాహరణ 2. 0.350 g పొటాషియం హైడ్రాక్సైడ్‌ను కరిగించి 750.0 mL ద్రావణం చేశారు. రెండు దశాంశాలకు పూర్తి చేసిన IUPAC ప్రామాణిక పరమాణు భారాలను (K 39.10, O 16.00, H 1.01) ఉపయోగిస్తే, M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol, [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080, pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 ద్వారా రెండు దశాంశ స్థానాలకు పరిమితమైంది.

సాధన ఉదాహరణ 3. 3.60 × 10⁻³ mol/L స్ట్రాన్షియం హైడ్రాక్సైడ్ pH కనుగొనండి. Sr(OH)₂ ప్రతి సూత్ర యూనిట్‌కు రెండు హైడ్రాక్సైడ్ అయాన్‌లను విడుదల చేస్తుంది, కాబట్టి [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143, pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 అనే కారకాన్ని మర్చిపోతే pH సుమారు 0.30 తక్కువ వచ్చేది.

సాధన ఉదాహరణ 4. ఒక ద్రావణం pH 4.62. సంవర్గమానాన్ని తిప్పండి: [H₃O⁺] = 10 యొక్క −4.62 ఘాతం = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH లోని రెండు దశాంశ స్థానాలు గాఢతలో రెండు సార్థక అంకెలకు అనుమతిస్తాయి. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38, కాబట్టి [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH పనిలో సంవర్గమాన, స్టాయికియోమెట్రీ తప్పులు

చాలా pH తప్పులు సంవర్గమానం నుండి లేదా ఆమ్లం లేదా క్షారం సూత్రం నుండి వస్తాయి. ఒక త్వరిత సహేతుకత తనిఖీ వాటిలో చాలావాటిని పట్టుకుంటుంది: 25 °C వద్ద ఆమ్ల ద్రావణాల pH 7 కంటే తక్కువ, క్షార ద్రావణాలది 7 కంటే ఎక్కువ, గాఢతలో ప్రతి పది రెట్ల కారకం pH ని ఒక యూనిట్ కదిలిస్తుంది.

చాలా విలీన బలమైన ఆమ్లాల విషయంలో జాగ్రత్తగా ఉండండి. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl ద్రావణం pH 8 కాదు, అది క్షారంగా ఉంటుంది. అంత తక్కువ గాఢతల వద్ద, నీటి స్వంత అయనీకరణ నుండి వచ్చే హైడ్రోనియం అయాన్‌లు అతి స్వల్పం కావు, పూర్తి చికిత్స తటస్థానికి కొంచెం కింద సుమారు 6.98 pH ఇస్తుంది.

• మైనస్ గుర్తును వదిలేయడం: 1 కంటే తక్కువ సంఖ్య −log ధనాత్మకం. సాధారణ విలీన ద్రావణం నుండి ఋణ pH గుర్తు తప్పును సూచిస్తుంది.
• స్టాయికియోమెట్రీని మర్చిపోవడం: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂ ప్రతి సూత్ర యూనిట్‌కు రెండు OH⁻ విడుదల చేస్తాయి.
• క్షారం pOH ఇస్తున్నప్పుడు pH ఉపయోగించడం: ముందు [OH⁻] నుండి pOH కనుగొని, తర్వాత మార్చండి.
• బలహీన ఆమ్లాన్ని బలమైనదిగా పరిగణించడం: బలమైన ఆమ్లాలకు మాత్రమే [H₃O⁺] ఆమ్ల గాఢతకు సమానం.
• 25 °C కు చాలా దూరంగా ఉన్న ఉష్ణోగ్రతల వద్ద pH + pOH = 14.00 వర్తింపజేయడం.