Asitler, Bazlar ve pH: Proton Aktarımı ve Logaritmik Ölçek

Arrhenius asitlerinden Brønsted–Lowry proton aktarımına

Arrhenius, asidi suda hidrojen iyonları üreten bir bileşik, bazı ise hidroksit iyonları üreten bir bileşik olarak tanımladı. Tanım hidroklorik asit ve sodyum hidroksit için işler, ancak hidroksit içermeyen amonyağın, NH₃, suyu neden bazik yaptığını açıklayamaz.

Brønsted–Lowry tanımı bunu protona odaklanarak düzeltir. Asit proton vericidir ve baz proton alıcıdır; bu yüzden her asit–baz tepkimesi bir türden diğerine proton aktarımıdır. Amonyak bir bazdır, çünkü sudan bir proton alır: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Çıplak bir proton suda serbest bulunmaz. Bir su molekülüne bağlanarak hidronyum iyonu, H₃O⁺, oluşturur. Kimyacılar sıklıkla H⁺(aq)'yu kısaltma olarak yazar ve iki gösterim pH hesaplarında aynı anlama gelir.

Eşlenik asit–baz çiftlerini bulma

Bir asit proton verdiğinde geriye kalan, onun eşlenik bazıdır; bir baz proton aldığında eşlenik asidi olur. Bir eşlenik çiftin iki üyesi tam olarak bir H⁺ ile farklılaşır. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) tepkimesinde çiftler HF/F⁻ ve H₃O⁺/H₂O'dur.

Su, HF tepkimesinde baz olarak, amonyak tepkimesinde asit olarak görünür. Ya proton verebilen ya da alabilen bir türe amfiprotik denir. Hidrojen karbonat, HCO₃⁻, başka bir örnektir: CO₃²⁻ olmak için bir proton kaybedebilir veya H₂CO₃ olmak için bir tane kazanabilir.

• Denklemi yazın ve soldan sağa giderken bir H⁺ kaybeden türü bulun. O, asittir.
• Bir H⁺ kazanan türü bulun. O, bazdır.
• Her girini, kendisinden bir H⁺ farklı olan ürünle eşleştirin ve yüklerin bir birim farklı olduğunu kontrol edin.

Kuvvetli ve zayıf, derişimi değil derecesini anlatır

Kuvvetli bir asit suda esasen tamamen iyonlaşır; bu yüzden çözünen her asit molekülü H₃O⁺ ve eşlenik bazını verir. Yaygın kuvvetli asitler HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ ve H₂SO₄'tür (ilk protonu için). Yaygın kuvvetli bazlar 1. grup metallerinin ve kalsiyum, stronsiyum ve baryumun hidroksitleridir. Zayıf bir asit yalnızca kısmen iyonlaşır ve molekül ile iyonları arasında bir denge kurulur.

Kuvvet ve derişim ayrı fikirlerdir. Kuvvetli bir asidin seyreltik bir çözeltisi, zayıf bir asidin derişik bir çözeltisinden daha az hidronyum iyonuna sahip olabilir. Ancak eşit derişimde fark büyüktür. 0.10 mol/L'lik bir HCl çözeltisi [H₃O⁺] = 0.10 mol/L ve pH 1.00'a sahiptir. Asit iyonlaşma sabiti Ka = 1.8 × 10⁻⁵ olan (OpenStax Ek H) asetik asit, 0.10 mol/L'de yalnızca yaklaşık yüzde 1 iyonlaşır ve pH'ı yaklaşık 2.9'dur. Zayıf asit denge hesapları ayrı bir konudur; bu rehber yalnızca karşılaştırmayı kullanır.

Bir asidin kuvveti ile eşlenik bazının kuvveti bağlantılıdır. Cl⁻ ve NO₃⁻ gibi kuvvetli asitlerin eşlenik bazlarının suda proton kabul etme eğilimi ihmal edilebilir.

Suyun iyon çarpımı, pH ve pOH

Saf su bile birkaç iyon içerir, çünkü su molekülleri birbirlerine proton aktarır: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Bu otoiyonlaşma için denge sabiti 25 °C'de Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴'tür. Saf suda iki derişim eşittir, her biri 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C'deki herhangi bir sulu çözeltide, bir derişimi biliyorsanız Kw'yi ona bölerek diğerini bulabilirsiniz.

Bu derişimler birçok on kuvvetine yayıldığından kimyacılar logaritma kullanır: pH = −log[H₃O⁺] ve pOH = −log[OH⁻]. Kw ifadesinin negatif logaritmasını almak 25 °C'de pH + pOH = 14.00 verir. Bir pH biriminin değişimi hidronyum derişiminde on kat bir değişimdir; bu yüzden pH 3'teki bir çözeltinin [H₃O⁺] değeri pH 5'teki bir çözeltininkinin 100 katıdır.

Nötr, [H₃O⁺] = [OH⁻] demektir; bu yalnızca 25 °C'de pH 7.00'dır. Kw sıcaklıkla artar; OpenStax 100 °C'de, nötr suyun pH'ının 6.1 civarında olduğu yerde, yaklaşık 5.6 × 10⁻¹³ verir. Logaritmalar için pH'taki ondalık basamak sayısı, derişimdeki anlamlı rakam sayısına eşittir.

Kuvvetli asitler ve kuvvetli bazlar için pH hesaplama

Çözümlü örnek 1. 4.6 × 10⁻³ mol/L nitrik asidin pH'ını bulun. HNO₃ kuvvetlidir; dolayısıyla [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Derişimin iki anlamlı rakamı vardır; bu yüzden pH iki ondalık basamağa sahiptir. Sonra [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, asidik bir çözeltide beklendiği gibi küçüktür.

Çözümlü örnek 2. 0.350 g potasyum hidroksit çözülerek 750.0 mL çözelti yapılır. İki ondalık basamağa yuvarlanmış IUPAC standart atom kütleleriyle (K 39.10, O 16.00, H 1.01) M(KOH) = 56.11 g/mol'dür. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol ve [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080 ve pH = 14.00 − 2.080 = 11.92; 14.00 nedeniyle iki ondalık basamakla sınırlıdır.

Çözümlü örnek 3. 3.60 × 10⁻³ mol/L stronsiyum hidroksitin pH'ını bulun. Sr(OH)₂ formül birimi başına iki hidroksit iyonu salar; dolayısıyla [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 ve pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 çarpanını unutmak pH'ı yaklaşık 0.30 düşük verirdi.

Çözümlü örnek 4. Bir çözeltinin pH'ı 4.62'dir. Logaritmayı tersine çevirin: [H₃O⁺] = 10'un −4.62 kuvveti = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH'taki iki ondalık basamak, derişimde iki anlamlı rakama izin verir. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38'dir; dolayısıyla [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH çalışmasında logaritma ve stokiyometri hataları

pH hatalarının çoğu logaritmadan veya asidin ya da bazın formülünden kaynaklanır. Hızlı bir makullük kontrolü birçoğunu yakalar: 25 °C'de asidik çözeltilerin pH'ı 7'nin altında, bazik olanlarınki 7'nin üstündedir ve derişimdeki her on katlık çarpan pH'ı bir birim kaydırır.

Çok seyreltik kuvvetli asitlerde dikkatli olun. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L'lik bir HCl çözeltisi, bazik olacak olan pH 8'e sahip değildir. Bu kadar düşük derişimlerde suyun kendi iyonlaşmasından gelen hidronyum iyonları ihmal edilemez ve tam bir ele alış, nötrün hemen altında, yaklaşık 6.98'lik bir pH verir.

• Eksi işaretini düşürmek: 1'in altındaki bir sayının −log'u pozitiftir. Olağan seyreltik bir çözeltide negatif bir pH, bir işaret hatasına işaret eder.
• Stokiyometriyi unutmak: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ ve Ba(OH)₂ formül birimi başına iki OH⁻ salar.
• Baz pOH verirken pH kullanmak: önce [OH⁻]'den pOH'ı bulun, sonra dönüştürün.
• Zayıf bir asidi kuvvetli saymak: [H₃O⁺] yalnızca kuvvetli asitler için asit derişimine eşittir.
• pH + pOH = 14.00'ı 25 °C'den çok uzak sıcaklıklarda uygulamak.