تیزاب، اساس اور pH: پروٹان کی منتقلی اور لوگارتھمی پیمانہ

آرینیئس تیزابوں سے برونسٹڈ–لوری پروٹان کی منتقلی تک

آرینیئس نے تیزاب کی تعریف اس مرکب کے طور پر کی جو پانی میں ہائیڈروجن آئن پیدا کرے اور اساس کی اس کے طور پر جو ہائیڈروآکسائیڈ آئن پیدا کرے۔ تعریف ہائیڈروکلورک تیزاب اور سوڈیم ہائیڈروآکسائیڈ کے لیے کام کرتی ہے، لیکن یہ وضاحت نہیں کر سکتی کہ امونیا، NH₃، جس میں ہائیڈروآکسائیڈ نہیں، پانی کو اساسی کیوں بنا دیتی ہے۔

برونسٹڈ–لوری کی تعریف پروٹان پر توجہ دے کر اسے درست کرتی ہے۔ تیزاب پروٹان عطا کرنے والا ہے اور اساس پروٹان قبول کرنے والی، اس لیے ہر تیزاب–اساس تعامل ایک نوع سے دوسری میں پروٹان کی منتقلی ہے۔ امونیا اساس ہے کیونکہ وہ پانی سے پروٹان قبول کرتی ہے: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)۔

ننگا پروٹان پانی میں آزاد موجود نہیں ہوتا۔ وہ پانی کے سالمے سے بندھ کر ہائیڈرونیم آئن، H₃O⁺، بناتا ہے۔ کیمیا دان اکثر H⁺(aq) کو اختصار کے طور پر لکھتے ہیں، اور pH کے حسابات میں دونوں علامتوں کا مطلب ایک ہی ہے۔

مزدوج تیزاب–اساس جوڑے تلاش کرنا

جب تیزاب پروٹان عطا کرتا ہے تو جو باقی رہتا ہے وہ اس کی مزدوج اساس ہے؛ جب اساس پروٹان قبول کرتی ہے تو وہ اس کا مزدوج تیزاب بن جاتی ہے۔ مزدوج جوڑے کے دو ارکان میں ٹھیک ایک H⁺ کا فرق ہوتا ہے۔ HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) میں جوڑے HF/F⁻ اور H₃O⁺/H₂O ہیں۔

پانی HF کے تعامل میں اساس کے طور پر اور امونیا کے تعامل میں تیزاب کے طور پر آتا ہے۔ جو نوع پروٹان عطا بھی کر سکے اور قبول بھی، اسے دو گونہ پروٹانی کہتے ہیں۔ ہائیڈروجن کاربونیٹ، HCO₃⁻، ایک اور مثال ہے: وہ CO₃²⁻ بننے کے لیے پروٹان کھو سکتا ہے یا H₂CO₃ بننے کے لیے ایک حاصل کر سکتا ہے۔

• مساوات لکھیں اور وہ نوع تلاش کریں جو بائیں سے دائیں جاتے ہوئے ایک H⁺ کھوتی ہے۔ وہ تیزاب ہے۔
• وہ نوع تلاش کریں جو ایک H⁺ حاصل کرتی ہے۔ وہ اساس ہے۔
• ہر متعامل کو اس حاصل سے جوڑیں جو اس سے ایک H⁺ مختلف ہو، اور جانچیں کہ چارج میں ایک کا فرق ہے۔

قوی اور کمزور سے مراد حد ہے، ارتکاز نہیں

قوی تیزاب پانی میں بنیادی طور پر مکمل آئنائز ہوتا ہے، اس لیے حل ہونے والا ہر تیزاب سالمہ H₃O⁺ اور اپنی مزدوج اساس دیتا ہے۔ عام قوی تیزاب HCl، HBr، HI، HNO₃، HClO₄ اور H₂SO₄ (اس کے پہلے پروٹان کے لیے) ہیں۔ عام قوی اساسیں گروہ 1 کی دھاتوں اور کیلشیم، سٹرونشیم اور بیریم کے ہائیڈروآکسائیڈ ہیں۔ کمزور تیزاب صرف جزوی آئنائز ہوتا ہے، اور سالمے اور اس کے آئنوں کے درمیان توازن قائم ہو جاتا ہے۔

قوت اور ارتکاز الگ تصورات ہیں۔ قوی تیزاب کے ہلکے محلول میں کمزور تیزاب کے گاڑھے محلول سے کم ہائیڈرونیم آئن ہو سکتے ہیں۔ البتہ برابر ارتکاز پر فرق بڑا ہوتا ہے۔ 0.10 mol/L HCl محلول میں [H₃O⁺] = 0.10 mol/L اور pH 1.00 ہے۔ ایسیٹک تیزاب، تیزاب آئنائزیشن مستقل Ka = 1.8 × 10⁻⁵ (OpenStax ضمیمہ H) کے ساتھ، 0.10 mol/L پر صرف تقریباً 1 فیصد آئنائز ہوتا ہے، اور اس کا pH تقریباً 2.9 ہے۔ کمزور تیزاب کے توازن کے حسابات ایک الگ موضوع ہیں؛ یہ رہنما صرف موازنہ استعمال کرتا ہے۔

تیزاب کی قوت اور اس کی مزدوج اساس کی قوت باہم جڑی ہیں۔ قوی تیزابوں کی مزدوج اساسوں، جیسے Cl⁻ اور NO₃⁻، میں پانی میں پروٹان قبول کرنے کا رجحان نہ ہونے کے برابر ہوتا ہے۔

پانی کا آئنی حاصل ضرب، pH اور pOH

خالص پانی میں بھی چند آئن ہوتے ہیں، کیونکہ پانی کے سالمے ایک دوسرے کو پروٹان منتقل کرتے ہیں: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq)۔ اس خود آئنائزیشن کا توازنی مستقل Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ ہے 25 °C پر۔ خالص پانی میں دونوں ارتکاز برابر ہیں، ہر ایک 1.0 × 10⁻⁷ mol/L۔ 25 °C پر کسی بھی آبی محلول میں، اگر آپ ایک ارتکاز جانتے ہوں تو Kw کو اس سے تقسیم کر کے دوسرا معلوم کر سکتے ہیں۔

چونکہ یہ ارتکاز دس کی کئی طاقتوں پر پھیلے ہوتے ہیں، اس لیے کیمیا دان لوگارتھم استعمال کرتے ہیں: pH = −log[H₃O⁺] اور pOH = −log[OH⁻]۔ Kw کے اظہار کا منفی لوگارتھم لینے سے 25 °C پر pH + pOH = 14.00 ملتا ہے۔ pH کی ایک اکائی کی تبدیلی ہائیڈرونیم ارتکاز میں دس گنا تبدیلی ہے، اس لیے pH 3 والے محلول کا [H₃O⁺] pH 5 والے محلول سے 100 گنا ہوتا ہے۔

غیر جانبدار کا مطلب [H₃O⁺] = [OH⁻] ہے، جو صرف 25 °C پر pH 7.00 ہے۔ Kw درجۂ حرارت کے ساتھ بڑھتا ہے؛ OpenStax 100 °C پر تقریباً 5.6 × 10⁻¹³ دیتا ہے، جہاں غیر جانبدار پانی کا pH 6.1 کے قریب ہے۔ لوگارتھم کے لیے pH میں اعشاری مقامات کی تعداد ارتکاز کے اہم ہندسوں کی تعداد کے برابر ہوتی ہے۔

قوی تیزابوں اور قوی اساسوں کے لیے pH کا حساب

حل شدہ مثال 1۔ 4.6 × 10⁻³ mol/L نائٹرک تیزاب کا pH معلوم کریں۔ HNO₃ قوی ہے، اس لیے [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L۔ pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34۔ ارتکاز میں دو اہم ہندسے ہیں، اس لیے pH میں دو اعشاری مقامات ہیں۔ پھر [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L، جو تیزابی محلول میں توقع کے مطابق نہایت چھوٹا ہے۔

حل شدہ مثال 2۔ پوٹاشیم ہائیڈروآکسائیڈ کے 0.350 g کو حل کر کے 750.0 mL محلول بنایا جاتا ہے۔ IUPAC کے معیاری جوہری اوزان دو اعشاری مقامات تک راؤنڈ کر کے (K 39.10، O 16.00، H 1.01)، M(KOH) = 56.11 g/mol ہے۔ n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol، اور [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L۔ pOH = 2.080، اور pH = 14.00 − 2.080 = 11.92، جو 14.00 کی وجہ سے دو اعشاری مقامات تک محدود ہے۔

حل شدہ مثال 3۔ 3.60 × 10⁻³ mol/L سٹرونشیم ہائیڈروآکسائیڈ کا pH معلوم کریں۔ Sr(OH)₂ فی فارمولا اکائی دو ہائیڈروآکسائیڈ آئن خارج کرتا ہے، اس لیے [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L۔ pOH = 2.143 اور pH = 14.00 − 2.143 = 11.86۔ 2 کا جزو بھول جانے سے pH تقریباً 0.30 کم آتا۔

حل شدہ مثال 4۔ ایک محلول کا pH 4.62 ہے۔ لوگارتھم الٹیں: [H₃O⁺] = 10 کی طاقت −4.62 = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L۔ pH میں دو اعشاری مقامات ارتکاز میں دو اہم ہندسوں کی اجازت دیتے ہیں۔ pOH 14.00 − 4.62 = 9.38 ہے، اس لیے [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L۔

pH کے کام میں لوگارتھم اور استوکیومیٹری کی غلطیاں

pH کی زیادہ تر غلطیاں لوگارتھم یا تیزاب یا اساس کے فارمولے سے آتی ہیں۔ ایک فوری معقولیت کی جانچ بہتوں کو پکڑ لیتی ہے: 25 °C پر تیزابی محلولوں کا pH 7 سے کم، اساسی کا 7 سے زیادہ، اور ارتکاز میں ہر دس گنا فرق pH کو ایک اکائی سے منتقل کرتا ہے۔

بہت ہلکے قوی تیزابوں سے محتاط رہیں۔ 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl محلول کا pH 8 نہیں ہوتا، جو اساسی ہوتا۔ اتنے کم ارتکاز پر پانی کی اپنی آئنائزیشن سے آنے والے ہائیڈرونیم آئن نظرانداز نہیں کیے جا سکتے، اور مکمل علاج تقریباً 6.98 کا pH دیتا ہے، غیر جانبدار سے ذرا نیچے۔

• منفی علامت چھوڑ دینا: 1 سے کم عدد کا −log مثبت ہوتا ہے۔ عام ہلکے محلول سے منفی pH علامت کی غلطی کا اشارہ ہے۔
• استوکیومیٹری بھول جانا: Ca(OH)₂، Sr(OH)₂ اور Ba(OH)₂ فی فارمولا اکائی ہر ایک دو OH⁻ خارج کرتے ہیں۔
• اساس کے pOH دینے پر pH استعمال کرنا: پہلے [OH⁻] سے pOH نکالیں، پھر تبدیل کریں۔
• کمزور تیزاب کو قوی سمجھنا: [H₃O⁺] صرف قوی تیزابوں کے لیے تیزاب کے ارتکاز کے برابر ہوتا ہے۔
• 25 °C سے بہت دور درجۂ حرارت پر pH + pOH = 14.00 لاگو کرنا۔