Kislotalar, asoslar va pH: proton o'tkazilishi va logarifmik shkala

Arrenius kislotalaridan Brønsted–Lowry proton o'tkazilishigacha

Arrenius kislotani suvda vodorod ionlarini hosil qiladigan, asosni esa gidroksid ionlarini hosil qiladigan birikma deb ta'riflagan. Ta'rif xlorid kislota va natriy gidroksid uchun ishlaydi, lekin gidroksid tutmaydigan ammiak NH₃ suvni nima uchun ishqoriy qilishini tushuntira olmaydi.

Brønsted–Lowry ta'rifi buni protonga e'tibor qaratib to'g'rilaydi. Kislota — proton donori, asos — proton akseptori, shuning uchun har bir kislota–asos reaksiyasi bir zarrachadan boshqasiga proton o'tkazilishidir. Ammiak asos, chunki u suvdan proton qabul qiladi: NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq).

Yalang'och proton suvda erkin mavjud emas. U suv molekulasi bilan bog'lanib gidroksoniy ionini, H₃O⁺, hosil qiladi. Kimyogarlar ko'pincha H⁺(aq) ni qisqa yozuv sifatida yozadi va ikki yozuv pH hisoblarida bir xil narsani bildiradi.

Qo'shma kislota–asos juftlarini topish

Kislota proton bersa, qolgani uning qo'shma asosi; asos proton qabul qilsa, u o'zining qo'shma kislotasiga aylanadi. Qo'shma juftning ikki a'zosi aynan bitta H⁺ ga farq qiladi. HF(aq) + H₂O(l) ⇌ F⁻(aq) + H₃O⁺(aq) da juftlar HF/F⁻ va H₃O⁺/H₂O.

Suv HF reaksiyasida asos sifatida, ammiak reaksiyasida kislota sifatida ishtirok etadi. Proton berishi ham, qabul qilishi ham mumkin bo'lgan zarracha amfiprotik deyiladi. Gidrokarbonat HCO₃⁻ yana bir misol: u proton yo'qotib CO₃²⁻ ga yoki proton olib H₂CO₃ ga aylanishi mumkin.

• Tenglamani yozing va chapdan o'ngga o'tishda H⁺ yo'qotadigan zarrachani toping. Bu kislota.
• H⁺ ni oladigan zarrachani toping. Bu asos.
• Har bir reagentni undan bitta H⁺ ga farq qiladigan mahsulot bilan juftlang va zaryadlar bittaga farq qilishini tekshiring.

Kuchli va kuchsiz darajani bildiradi, konsentratsiyani emas

Kuchli kislota suvda deyarli to'liq ionlanadi, shuning uchun erigan har bir kislota molekulasi H₃O⁺ va o'zining qo'shma asosini beradi. Keng tarqalgan kuchli kislotalar — HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄ va H₂SO₄ (birinchi protoni uchun). Keng tarqalgan kuchli asoslar — 1-guruh metallari hamda kalsiy, stronsiy va bariyning gidroksidlari. Kuchsiz kislota faqat qisman ionlanadi va molekula bilan uning ionlari orasida muvozanat o'rnatiladi.

Kuch va konsentratsiya alohida g'oyalar. Kuchli kislotaning suyultirilgan eritmasida kuchsiz kislotaning konsentrlangan eritmasidan kamroq gidroksoniy ioni bo'lishi mumkin. Lekin teng konsentratsiyada farq katta. 0.10 mol/L HCl eritmasida [H₃O⁺] = 0.10 mol/L va pH 1.00. Kislota ionlanish doimiysi Ka = 1.8 × 10⁻⁵ bo'lgan sirka kislota (OpenStax H ilovasi) 0.10 mol/L da atigi taxminan 1 foiz ionlangan va uning pH i taxminan 2.9. Kuchsiz kislota muvozanat hisoblari alohida mavzu; ushbu qo'llanma faqat taqqoslashdan foydalanadi.

Kislota kuchi va uning qo'shma asosi bog'langan. Cl⁻ va NO₃⁻ kabi kuchli kislotalarning qo'shma asoslari suvda proton qabul qilishga ahamiyatsiz moyillikka ega.

Suvning ion ko'paytmasi, pH va pOH

Toza suvda ham bir nechta ion bor, chunki suv molekulalari bir-biriga proton o'tkazadi: 2 H₂O(l) ⇌ H₃O⁺(aq) + OH⁻(aq). Bu avtoionlanish uchun muvozanat doimiysi 25 °C da Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴. Toza suvda ikkala konsentratsiya teng, har biri 1.0 × 10⁻⁷ mol/L. 25 °C dagi har qanday suvli eritmada bir konsentratsiyani bilsangiz, Kw ni unga bo'lib boshqasini topasiz.

Bu konsentratsiyalar o'nning ko'p darajalarini qamrab olgani uchun kimyogarlar logarifmlardan foydalanadi: pH = −log[H₃O⁺] va pOH = −log[OH⁻]. Kw ifodasining manfiy logarifmini olish 25 °C da pH + pOH = 14.00 ni beradi. Bir pH birligi o'zgarishi gidroksoniy konsentratsiyasining o'n barobar o'zgarishi, shuning uchun pH 3 dagi eritmada [H₃O⁺] pH 5 dagidan 100 barobar ko'p.

Neytral [H₃O⁺] = [OH⁻] ni bildiradi, bu faqat 25 °C da pH 7.00. Kw harorat bilan ortadi; OpenStax 100 °C da taxminan 5.6 × 10⁻¹³ ni beradi, bunda neytral suvning pH i 6.1 ga yaqin. Logarifmlar uchun pH dagi o'nli xonalar soni konsentratsiyadagi muhim raqamlar soniga teng.

Kuchli kislotalar va kuchli asoslar uchun pH ni hisoblash

1-yechilgan misol. 4.6 × 10⁻³ mol/L nitrat kislotaning pH ini toping. HNO₃ kuchli, shuning uchun [H₃O⁺] = 4.6 × 10⁻³ mol/L. pH = −log(4.6 × 10⁻³) = 2.34. Konsentratsiyada ikkita muhim raqam bor, shuning uchun pH da ikkita o'nli xona bor. So'ng [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴)/(4.6 × 10⁻³) = 2.2 × 10⁻¹² mol/L, kislotali eritmada kutilganidek juda kichik.

2-yechilgan misol. 0.350 g kaliy gidroksid 750.0 mL eritma tayyorlash uchun eritilgan. IUPAC standart atom og'irliklarini ikki o'nli xonagacha yaxlitlab (K 39.10, O 16.00, H 1.01), M(KOH) = 56.11 g/mol. n = 0.350 g / 56.11 g/mol = 6.24 × 10⁻³ mol va [OH⁻] = 6.24 × 10⁻³ mol / 0.7500 L = 8.32 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.080 va pH = 14.00 − 2.080 = 11.92, 14.00 tufayli ikki o'nli xona bilan chegaralangan.

3-yechilgan misol. 3.60 × 10⁻³ mol/L stronsiy gidroksidning pH ini toping. Sr(OH)₂ har bir formula birligiga ikkita gidroksid ioni ajratadi, shuning uchun [OH⁻] = 2 × 3.60 × 10⁻³ = 7.20 × 10⁻³ mol/L. pOH = 2.143 va pH = 14.00 − 2.143 = 11.86. 2 koeffitsiyentini unutish pH ni taxminan 0.30 ga past qilardi.

4-yechilgan misol. Eritmaning pH i 4.62. Logarifmni teskari qiling: [H₃O⁺] = 10 ning −4.62 darajasi = 2.4 × 10⁻⁵ mol/L. pH dagi ikkita o'nli xona konsentratsiyada ikkita muhim raqamga imkon beradi. pOH 14.00 − 4.62 = 9.38, demak [OH⁻] = 4.2 × 10⁻¹⁰ mol/L.

pH ishidagi logarifm va stexiometriya xatolari

pH xatolarining ko'pi logarifmdan yoki kislota yoki asosning formulasidan kelib chiqadi. Tezkor mantiqiylik tekshiruvi ko'pini aniqlaydi: 25 °C da kislotali eritmalarning pH i 7 dan past, ishqoriylariniki 7 dan yuqori va konsentratsiyadagi har o'n barobar farq pH ni bir birlikka siljitadi.

Juda suyultirilgan kuchli kislotalar bilan ehtiyot bo'ling. 1.0 × 10⁻⁸ mol/L HCl eritmasining pH i 8 emas, bu ishqoriy bo'lardi. Bunday past konsentratsiyalarda suvning o'z ionlanishidan hosil bo'lgan gidroksoniy ionlari ahamiyatsiz emas va to'liq hisob neytraldan sal pastroq, taxminan 6.98 pH ni beradi.

• Minus belgisini tushirib qoldirish: 1 dan kichik sonning −log i musbat. Oddiy suyultirilgan eritma uchun manfiy pH ishora xatosini bildiradi.
• Stexiometriyani unutish: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂ va Ba(OH)₂ har bir formula birligiga ikkitadan OH⁻ ajratadi.
• Asos pOH bersa pH ni ishlatish: avval [OH⁻] dan pOH ni toping, so'ng o'zgartiring.
• Kuchsiz kislotani kuchli deb hisoblash: [H₃O⁺] kislota konsentratsiyasiga faqat kuchli kislotalar uchun teng.
• pH + pOH = 14.00 ni 25 °C dan ancha uzoq haroratlarda qo'llash.