బలహీన ఆమ్లాలు, క్షారాలు: Ka, Kb నుండి pH వరకు

Ka, Kb, వాటి p-స్కేళ్లను చదవడం

బలహీన ఆమ్లం HA కు, అయనీకరణం HA(aq) + H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + A⁻(aq) కు స్థిరాంకం Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA]. నీరు ద్రావణి, దాన్ని వదిలేస్తారు. పెద్ద Ka అంటే బలమైన ఆమ్లం. బలహీన క్షారం B కు, చర్య B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq) కు Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B].

ఈ స్థిరాంకాలు పదికి అనేక ఘాతాలను విస్తరించి ఉంటాయి కాబట్టి, వాటిని తరచుగా pKa = −log Ka, pKb = −log Kb గా నివేదిస్తారు. స్కేలు వెనుకకు నడుస్తుంది: చిన్న pKa అంటే బలమైన ఆమ్లం. అనుబంధం H ఎసిటిక్ ఆమ్లానికి Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (pKa 4.74), హైడ్రోఫ్లోరిక్ ఆమ్లానికి 6.4 × 10⁻⁴ (pKa 3.19), హైడ్రోసయానిక్ ఆమ్లానికి 4.9 × 10⁻¹⁰ (pKa 9.31) ఇస్తుంది. రెండింటినీ బలహీనమైనవి అని పిలిచినప్పటికీ, HF Ka, HCN దానికంటే సుమారు పది లక్షల రెట్లు పెద్దది.

సాధన ఉదాహరణ: చిన్న-x సంక్షిప్త మార్గంతో బలహీన ఆమ్లం pH

0.200 M ఎసిటిక్ ఆమ్లం, CH₃COOH, pH ను కనుగొనండి. అయనీకరణం చెందే పరిమాణాన్ని x అనుకోండి. సమతాస్థితి వద్ద [H₃O⁺] = [CH₃COO⁻] = x, [CH₃COOH] = 0.200 − x. H₃O⁺ కు నీటి సొంత దోహదం (10⁻⁷ M) ఆమ్లం దోహదంతో పోలిస్తే ఉపేక్షణీయం.

1.8 × 10⁻⁵ = x² / (0.200 − x) అని రాయండి. Ka చిన్నది కాబట్టి, x, 0.200 కంటే చాలా తక్కువని ఊహించి హారం నుండి దాన్ని వదిలేయండి. అప్పుడు x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.200 = 3.6 × 10⁻⁶, x = 1.9 × 10⁻³ M. తనిఖీ: 1.9 × 10⁻³ / 0.200 1 శాతం కంటే కొంచెం తక్కువ, 5 శాతం పరిమితి కంటే బాగా దిగువన, కాబట్టి సంక్షిప్త మార్గం చెల్లుతుంది. pH = −log(1.9 × 10⁻³) = 2.72, Ka కి రెండు సార్థక అంకెలు ఉన్నందున రెండు దశాంశ స్థానాలకు నివేదించబడింది.

దాన్ని అదే గాఢత గల బలమైన ఆమ్లంతో పోల్చండి, అది pH 0.70 ను ఇస్తుంది. బలహీన ఆమ్లానికి హైడ్రోనియం గాఢత సుమారు వందో వంతు ఉంటుంది.

సాధన ఉదాహరణ: సంక్షిప్త మార్గం విఫలమై వర్గ సమీకరణం అవసరమైనప్పుడు

అనుబంధం H నుండి Ka = 4.6 × 10⁻⁴ తో 0.0500 M నైట్రస్ ఆమ్లం, HNO₂, pH ను కనుగొనండి. సంక్షిప్త మార్గం x = √(4.6 × 10⁻⁴ × 0.0500) = 4.8 × 10⁻³ M ఇస్తుంది, ఇది 0.0500 లో 9.6 శాతం. అది 5 శాతం తనిఖీలో విఫలమవుతుంది, కాబట్టి పూర్తి సమీకరణాన్ని సాధించండి.

4.6 × 10⁻⁴ = x² / (0.0500 − x) ను x² + (4.6 × 10⁻⁴)x − 2.3 × 10⁻⁵ = 0 గా పునర్వ్యవస్థీకరించండి. ధన మూలం x = 4.57 × 10⁻³ M, కాబట్టి pH = 2.34, ఆమ్లం 9.1 శాతం అయనీకరణం చెందింది. సంక్షిప్త మార్గం pH 2.32 ఇచ్చేది. 0.02 తేడా చిన్నదిగా కనిపిస్తుంది, కానీ డేటా సమర్థించే 0.01 కచ్చితత్వం కంటే అది పెద్దది, కాబట్టి నివేదించాల్సింది వర్గ సమీకరణ సమాధానమే.

త్వరిత అనుభవ సూత్రం: ప్రారంభ గాఢతను Ka తో భాగిస్తే కొన్ని వందల కంటే ఎక్కువ వచ్చినప్పుడు సంక్షిప్త మార్గం సాధారణంగా సురక్షితం. ఇక్కడ 0.0500 / 4.6 × 10⁻⁴ సుమారు 110 మాత్రమే, అందుకే అది విఫలమైంది. అయినా ప్రతిసారీ 5 శాతం తనిఖీ చేయండి.

ఆమ్లాన్ని విలీనం చేసే కొద్దీ అయనీకరణ శాతం పెరుగుతుంది

అయనీకరణ శాతం అంటే సమతాస్థితి వద్ద [H₃O⁺] ను ప్రారంభ ఆమ్ల గాఢతతో భాగించి, 100 తో గుణించడం. బలహీన ఆమ్లానికి అది స్థిరం కాదు. ఎసిటిక్ ఆమ్లానికి పూర్తి సమీకరణాన్ని సాధిస్తే 0.200 M వద్ద 0.94 శాతం, 0.0200 M వద్ద 3.0 శాతం, 0.00200 M వద్ద 9.0 శాతం వస్తుంది.

దీనికి కారణం విలనానికి వర్తింపజేసిన లె షాట్లియర్ సూత్రం. విలీనం చేయడం ప్రతి గాఢతను తగ్గిస్తుంది, ఇది Q ను Ka కంటే దిగువకు తగ్గిస్తుంది, సమతాస్థితి ఎక్కువ అయాన్‌ల వైపు జరుగుతుంది. విలీనం చేసినప్పుడు pH ఇంకా పెరుగుతుంది, ఈ శ్రేణిలో 2.72 నుండి 3.23 కు, 3.74 కు, కానీ ప్రతి పది రెట్ల విలనానికి సుమారు సగం యూనిట్ మాత్రమే, బలమైన ఆమ్లానికి కనిపించే పూర్తి యూనిట్ కాదు.

సాధన ఉదాహరణ: బలహీన క్షారం, దాని pOH

అనుబంధం I నుండి Kb = 1.8 × 10⁻⁵ తో 0.120 M అమోనియా pH ను కనుగొనండి. పట్టిక ఆమ్లానికి ఉన్న ఆకారంలోనే ఉంటుంది, కానీ ఉత్పన్నం హైడ్రాక్సైడ్: [NH₄⁺] = [OH⁻] = x, [NH₃] = 0.120 − x.

అప్పుడు x² = 1.8 × 10⁻⁵ × 0.120, కాబట్టి x = [OH⁻] = 1.5 × 10⁻³ M. తనిఖీ 1.2 శాతం ఇస్తుంది, కాబట్టి సంక్షిప్త మార్గం చెల్లుతుంది. pOH = −log(1.47 × 10⁻³) = 2.83, pH = 14.00 − 2.83 = 11.17. ఇక్కడ అత్యంత సాధారణ పొరపాటు 2.83 ను pH గా నివేదించడం. క్షారం 7 కంటే ఎక్కువ pH ను ఇవ్వాలి.

అయాన్‌లు నీటితో చర్య జరిపే లవణాలు

నీటిలో ఏ సంయుగ్మ ఆమ్ల–క్షార జతకైనా, 25 °C వద్ద Ka × Kb = Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴. ఆమ్లం ఎంత బలమైనదైతే, దాని సంయుగ్మ క్షారం అంత బలహీనమైనది. పట్టికలు జాబితా చేయని స్థిరాంకాన్ని కనుగొనడానికి ఇది వీలు కల్పిస్తుంది.

సాధన ఉదాహరణ 1. 0.100 M సోడియం ఎసిటేట్ pH ను కనుగొనండి. Na⁺ నీటితో చర్య జరపదు, కానీ ఎసిటేట్ బలహీన క్షారం. దాని Kb 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰. అప్పుడు [OH⁻] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.100) = 7.5 × 10⁻⁶ M, pOH = 5.13, pH = 8.87. ద్రావణం స్వల్పంగా క్షారీయం.

సాధన ఉదాహరణ 2. 0.200 M అమ్మోనియం క్లోరైడ్ pH ను కనుగొనండి. Cl⁻ బలమైన ఆమ్లం సంయుగ్మ క్షారం, దానికి కొలవదగిన ప్రభావం లేదు, కానీ NH₄⁺ Ka = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰ గల బలహీన ఆమ్లం. అప్పుడు [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹⁰ × 0.200) = 1.1 × 10⁻⁵ M, pH = 4.98.

• బలమైన క్షారం నుండి కాటయాన్ (Na⁺, K⁺), బలమైన ఆమ్లం నుండి ఆనయాన్ (Cl⁻, NO₃⁻): తటస్థం.
• బలమైన క్షారం నుండి కాటయాన్, బలహీన ఆమ్లం ఆనయాన్ (CH₃COO⁻, F⁻, CN⁻): క్షారీయం.
• బలహీన క్షారం సంయుగ్మ ఆమ్లమైన కాటయాన్ (NH₄⁺), బలమైన ఆమ్లం ఆనయాన్: ఆమ్లీయం.
• రెండు అయాన్‌లూ చర్యాశీలమైనవి: కాటయాన్ Ka ను ఆనయాన్ Kb తో పోల్చండి. ఏ స్థిరాంకం పెద్దదైతే అదే గెలుస్తుంది.

బహుప్రోటిక్ ఆమ్లాలు తమ ప్రోటాన్‌లను ఒక్కొక్కటిగా కోల్పోతాయి

కార్బోనిక్ ఆమ్లం, H₂CO₃, ఫాస్ఫారిక్ ఆమ్లం, H₃PO₄, వంటి ఆమ్లాలకు ప్రతి ప్రోటాన్‌కు ఒక Ka ఉంటుంది, ప్రతిదీ దాని ముందుదాని కంటే చాలా చిన్నది. కార్బోనిక్ ఆమ్లానికి, అనుబంధం H Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷, Ka2 = 4.7 × 10⁻¹¹ జాబితా చేస్తుంది. Ka1, Ka2 కంటే వేల రెట్లు పెద్దది కాబట్టి, దాదాపు హైడ్రోనియం అంతా మొదటి దశ నుండే వస్తుంది.

సాధన ఉదాహరణ. 0.0330 M కార్బోనిక్ ఆమ్లానికి, మొదటి దశను ఒకే బలహీన ఆమ్లంగా పరిగణించండి: [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.0330) = 1.2 × 10⁻⁴ M, కాబట్టి pH = 3.92. రెండో దశ దీన్ని దాదాపు మార్చదు. [H₃O⁺], [HCO₃⁻] దాదాపు సమానం కాబట్టి, Ka2 వ్యక్తీకరణలో అవి రద్దవుతాయి, [CO₃²⁻] సుమారు Ka2 కి, 4.7 × 10⁻¹¹ M కి, సమానంగా వస్తుంది.

గమనించాల్సిన బలహీన ఆమ్ల, క్షార తప్పులు

ముగించే ముందు, సమాధానం అర్థవంతంగా ఉందో అడగండి. బలహీన ఆమ్ల ద్రావణానికి అదే గాఢత గల బలమైన ఆమ్లం కంటే ఎక్కువ pH ఉండాలి, బలహీన క్షారానికి బలమైన క్షారం కంటే తక్కువ pH ఉండాలి.

• బలహీన ఆమ్లాన్ని బలమైనదిగా పరిగణించి [H₃O⁺] ను ప్రారంభ గాఢతకు సమానంగా పెట్టడం.
• x ను వదిలేసిన తర్వాత 5 శాతం తనిఖీని దాటవేయడం.
• క్షారానికి pOH ను pH గా నివేదించడం, లేదా చివరలో మార్చడం మర్చిపోవడం.
• లవణం ఆనయాన్‌కు Kb అవసరమైన చోట Ka ను ఉపయోగించడం. ముందు Kw తో మార్చండి.
• Cl⁻, NO₃⁻ లేదా Na⁺ pH ను మారుస్తాయన్నట్లు పరిగణించడం.
• Ka2, Ka1 కంటే చాలా చిన్నదైనప్పుడు బహుప్రోటిక్ ఆమ్లానికి రెండో అయనీకరణ హైడ్రోనియంను మొదటిదానికి కలపడం.
• Ka లో ఉన్న సార్థక అంకెల కంటే ఎక్కువ దశాంశ స్థానాలను pH లో నివేదించడం.