14.3: pH na PoH

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza Tabia ya ufumbuzi wa maji kama tindikali, msingi, au neutral
• Express viwango vya hidroniamu na hidroksidi ioni kwenye mizani ya pH na poH
• Fanya mahesabu yanayohusiana na pH na PoH

Kama ilivyojadiliwa hapo awali, ioni za hidroniamu na hidroksidi zipo katika maji safi na katika ufumbuzi wote wa maji, na viwango vyao ni inversely sawia kama ilivyoelezwa na bidhaa ion ya maji (K _w). Viwango vya ioni hizi katika suluhisho mara nyingi ni vitambulisho muhimu vya mali ya suluhisho na tabia za kemikali za solutes zake nyingine, na msamiati maalum umeandaliwa kuelezea viwango hivi kwa maneno ya jamaa. Suluhisho ni neutral ikiwa ina viwango sawa vya ioni za hidroniamu na hidroksidi; tindikali ikiwa ina mkusanyiko mkubwa wa ioni za hidroniamu kuliko ioni za hidroksidi; na msingi ikiwa ina mkusanyiko mdogo wa ioni za hidroniamu kuliko ioni za hidroksidi.

Njia ya kawaida ya kuonyesha kiasi ambacho kinaweza kuagiza amri nyingi za ukubwa ni kutumia kiwango cha logarithmic. Kiwango kimoja ambacho kinajulikana sana kwa viwango vya kemikali na vipindi vya usawa hutegemea p-kazi, hufafanuliwa kama inavyoonyeshwa ambapo “X” ni wingi wa riba na “logi” ni logarithm ya msingi ya 10:

$$\text{pX}=\text{-logi X}$$

Kwa hiyo pH ya suluhisho hufafanuliwa kama inavyoonekana hapa, ambapo [H ₃ O ⁺] ni mkusanyiko wa molar wa ioni ya hidroniamu katika suluhisho:

$$\text{pH}=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]$$

Kurekebisha equation hii ili kutenganisha molarity ya hydronium ion huzaa kujieleza sawa:

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]={10}^{\text{-pH}}$$

Vivyo hivyo, molarity ya ioni ya hidroksidi inaweza kuelezwa kama p-kazi, au oH:

$$\text{oH}=\text{-logi}[{\text{OH}}^{\text{-}}]$$

au

$$\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]={10}^{\text{-poh}}$$

Hatimaye, uhusiano kati ya hizi mbili ion mkusanyiko walionyesha kama p-kazi ni rahisi inayotokana na K _w kujieleza:

$$K_{\text{w}}=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]$$

$$\text{-logi}{K}_{\text{w}}=\text{-logi}\left([{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]\right)=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]+\text{-logi}[{\text{OH}}^{\text{-}}]$$

$$\text{p}{K}_{\text{w}}=\text{pH}+\text{oH}$$

Katika 25 °C, thamani ya K _w ni 1.0$\times$10 ^-14, na hivyo:

$$14.00=\text{pH}+\text{oH}$$

Kama ilivyoonyeshwa katika Mfano 14.1, molarity ya hidronium ion katika maji safi (au suluhisho lolote la neutral) ni 1.0$\times$10 ^-7 M saa 25 °C pH na poH ya ufumbuzi wa neutral katika joto hili ni kwa hiyo:

$$\text{pH}=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\text{-logi}(1.0\times 10^{-7})=7.00$$

$$\text{oH}=\text{-logi}[{\text{OH}}^{\text{-}}]=\text{-logi}(1.0\times 10^{-7})=7.00$$

Na hivyo, kwa joto hili, ufumbuzi wa tindikali ni wale walio na molarities ya hydronium ion zaidi ya 1.0$\times$10 ^-7 M na molarities ion hidroksidi chini ya 1.0$\times$10 ^-7 M (sambamba na maadili ya pH chini ya 7.00 na maadili ya poH zaidi ya 7.00). Ufumbuzi wa msingi ni wale walio na molarities ya hydronium ion chini ya 1.0$\times$10 ^-7 M na molarities ion hidroksidi kubwa kuliko 1.0$\times$10 ^-7 M (sambamba na maadili ya pH zaidi ya 7.00 na maadili ya PoH chini ya 7.00).

Kwa kuwa mara kwa mara ya autoionization K _w ni tegemezi ya joto, uhusiano huu kati ya maadili ya pH na vivumishi vya asidi/neutral/msingi zitakuwa tofauti katika joto lingine zaidi ya 25 °C Kwa mfano, zoezi la “Angalia Kujifunza Yako” lililofuatana na Mfano 14.1 lilionyesha molarity ya hydronium ya maji safi saa 80 °C ni 4.9$\times$10 ^-7 M, ambayo inalingana na maadili ya pH na PoH ya:

$$\text{pH}=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\text{-logi}(4.9\times {10}^{-7})=6.31$$

$$\text{oH}=\text{-logi}[{\text{OH}}^{\text{-}}]=\text{-logi}(4.9\times {10}^{-7})=6.31$$

Kwa joto hili, basi, ufumbuzi wa neutral unaonyesha pH = PoH = 6.31, ufumbuzi wa tindikali huonyesha pH chini ya 6.31 na poH kubwa kuliko 6.31, wakati ufumbuzi wa msingi unaonyesha pH kubwa kuliko 6.31 na PoH chini ya 6.31. Tofauti hii inaweza kuwa muhimu wakati wa kusoma michakato fulani inayotokea kwenye joto lingine, kama vile athari za enzyme katika viumbe vyenye joto-damu kwenye halijoto takriban 36—40 °C Isipokuwa isipotajwa vinginevyo, marejeo ya maadili ya pH yanadhaniwa kuwa yale ya 25 °C (Jedwali 14.1).

Muhtasari wa Mahusiano ya Ufumbuzi wa Tindikali, Msingi na Ne

Uainishaji	Jamaa Ion Viwango	pH saa 25 °C
tindikali	[H 3 O ^+] > [OH ^-]	pH <7
upande wowote	[H 3 O ^+] = [OH ^∙]	pH = 7
msingi	[H 3 O ^+] <[ OH ^∙]	pH > 7

Jedwali 14.1

Kielelezo 14.2 kinaonyesha uhusiano kati ya [H ₃ O ⁺], [OH ^-], pH, na PoH kwa ufumbuzi uliowekwa kama tindikali, msingi, na neutral.

Kielelezo 14.2 Mizani ya pH na poH inawakilisha viwango vya H ₃ O ⁺ na OH ^-, kwa mtiririko huo. Maadili ya pH na PoH ya baadhi ya vitu vya kawaida kwenye 25 °C yanaonyeshwa katika chati hii.

Mfano 14.4

Mahesabu ya pH kutoka [H ₃ O ⁺]

Je, ni pH ya asidi ya tumbo, suluhisho la HCl na mkusanyiko wa ioni ya hydronium ya 1.2$\times$10 ^1-3 M?

Suluhisho

$$\text{pH}=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]$$

$$=\text{-logi (}1.2\times {10}^{\mathrm{1-3}})$$

$$=\text{-}(-2.92)=2.92$$

(Matumizi ya logarithms yanaelezwa katika Kiambatisho B. Wakati wa kuchukua logi ya thamani, endelea maeneo mengi ya decimal katika matokeo kama kuna takwimu muhimu katika thamani.)

Angalia Kujifunza Yako

Maji yaliyo wazi kwa hewa yana asidi ya kaboni, H ₂ CO ₃, kutokana na mmenyuko kati ya dioksidi kaboni na maji:

$${\text{USHIRIKIANO}}_2(aq)+{\text{H}}_2\text{O (}l)\rightleftharpoons {\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq)$$

Maji yaliyojaa hewa yana mkusanyiko wa ioni ya hidroniamu unaosababishwa na CO ₂ iliyoharibiwa ya 2.0$\times$10 ^-6 M, karibu mara 20 kubwa kuliko ile ya maji safi. Tumia pH ya suluhisho saa 25 °C.

Jibu:

5.70

Mfano 14.5

Mahesabu ya Mkusanyiko wa Ioni ya Hydronium kutoka pH

Tumia mkusanyiko wa ioni ya hydronium ya damu, pH ambayo ni 7.3.

Suluhisho

$$\text{pH}=\text{-logi}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=7.3$$

$$\text{kigogo}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=-7.3$$

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]={10}^{-7.3}\text{au}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\text{antilogi ya -7.3}$$

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=5\times {10}^{-8}M$$

(Katika calculator chukua antilog, au logi “inverse”, ya -7.3, au uhesabu 10 ^-7.3.)

Angalia Kujifunza Yako

Tumia mkusanyiko wa ioni ya hydronium ya suluhisho na pH ya -1.07.

Jibu:

12 M

Jinsi Sayansi Kuunganisha

Sayansi ya Mazingira

Maji ya mvua ya kawaida yana pH kati ya 5 na 6 kutokana na kuwepo kwa CO ₂ iliyovunjwa ambayo huunda asidi kaboniki:

$${\text{H}}_2\text{O}(l)+{\text{USHIRIKIANO}}_2(g)⟶{\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq)$$

$${\text{H}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_3(aq)\rightleftharpoons {\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{HCO}}_3{}^{\text{-}}(aq)$$

Mvua ya asidi ni maji ya mvua ambayo ina pH ya chini ya 5, kutokana na aina mbalimbali za oksidi zisizo za metali, ikiwa ni pamoja na CO ₂, SO 2, SO ₃, NO, na NO ₂ zinazopasuka ndani ya maji na kuitikia nayo ili kuunda si tu asidi kaboni, bali asidi sulfuriki na asidi nitriki. Uundaji na ionization inayofuata ya asidi sulfuriki huonyeshwa hapa:

$${\text{H}}_2\text{O}(l)+{\text{KWA HIVYO}}_3(g)⟶{\text{H}}_2{\text{KWA HIVYO}}_4(aq)$$

$${\text{H}}_2{\text{KWA HIVYO}}_4(aq)⟶{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}(aq)$$

Dioksidi kaboni iko kiasili katika angahewa kwa sababu viumbe wengi huizalisha kama bidhaa taka ya kimetaboliki. Dioksidi kaboni hutengenezwa pia wakati moto unatoa kaboni iliyohifadhiwa katika uoto au fueli za kisukuku. Trioxide ya sulfuri katika anga ni kawaida zinazozalishwa na shughuli za volkeno, lakini pia hutokana na kuchoma mafuta ya mafuta, ambayo yana athari za sulfuri, na kutokana na mchakato wa “kuchoma” ores ya sulfidi za chuma katika mchakato wa kusafisha chuma. Oksidi za nitrojeni hutengenezwa katika inji za mwako ndani ambapo joto la juu hufanya iwezekanavyo kwa nitrojeni na oksijeni katika hewa ili kuchanganya kemikali.

Mvua ya asidi ni tatizo hasa katika maeneo ya viwanda ambako bidhaa za mwako na smelting hutolewa hewani bila kuvuliwa kwa oksidi za sulfuri na nitrojeni. Katika Amerika ya Kaskazini na Ulaya hadi miaka ya 1980, ilikuwa na jukumu la uharibifu wa misitu na maziwa ya maji safi, wakati asidi ya mvua kweli iliua miti, udongo ulioharibiwa, na kufanya maziwa yasiyoweza kuishi kwa wote lakini aina nyingi zinazovumilia asidi. Mvua ya asidi pia hupunguza maonyesho ya statuary na kujenga ambayo yanafanywa kwa marumaru na chokaa (Mchoro 14.3). Kanuni zinazopunguza kiasi cha oksidi za sulfuri na nitrojeni ambazo zinaweza kutolewa katika anga na sekta na magari zimepunguza ukali wa uharibifu wa asidi kwa mazingira ya asili na ya kibinadamu katika Amerika ya Kaskazini na Ulaya. Kwa sasa ni tatizo kubwa katika maeneo ya viwanda ya China na India.

Kwa habari zaidi juu ya mvua asidi, tembelea tovuti hii mwenyeji na Shirika la Ulinzi wa Mazingira ya Marekani.

Kielelezo 14.3 (a) Mvua ya asidi hufanya miti zaidi kuathirika na ukame na infestation ya wadudu, na hupunguza virutubisho katika udongo. (b) Pia huharibu sanamu zilizochongwa kutoka marumaru au chokaa. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Chris M Morris; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “Edeni, Janine na Jim” /Flickr)

Mfano 14.6

Mahesabu ya PoH

PoH na pH ya 0.0125- M ufumbuzi wa hidroksidi ya potasiamu, KOH?

Suluhisho

Hidroksidi ya potasiamu ni kiwanja cha ioniki yenye mumunyifu na hutenganisha kabisa wakati wa kufutwa katika suluhisho la kuondokana, hutoa [^{OH -}] = 0.0125 M:

$$\text{oH}=\text{-logi}[{\text{OH}}^{\text{-}}]=\text{-logi}0.0125$$

$$=\text{-}\left(-1.903\right)=1.903$$

PH inaweza kupatikana kutoka PoH:

$$\text{pH}+\text{oH}=14.00$$

$$\text{pH}=14.00-\text{oH}=14.00-1.903=12.10$$

Angalia Kujifunza Yako

Mkusanyiko wa ioni ya hidronium ya siki ni takriban 4$\times$10 ^-3 M. Je! Ni maadili gani yanayofanana ya PoH na pH?

Jibu:

PoH = 11.6, pH = 2.4

Asidi ya suluhisho ni kawaida tathmini experimentally kwa kipimo cha pH yake. PoH ya suluhisho haipatikani kwa kawaida, kwa kuwa inahesabiwa kwa urahisi kutoka kwa thamani ya pH ya majaribio. PH ya suluhisho inaweza kupimwa moja kwa moja kwa kutumia mita ya pH (Kielelezo 14.4).

Kielelezo 14.4 (a) Mita ya pH ya utafiti inayotumiwa katika maabara inaweza kuwa na azimio la vitengo vya pH 0.001, usahihi wa vitengo ± 0.002 pH, na inaweza gharama zaidi ya $1000. (b) Mita ya pH inayoweza kuambukizwa ina azimio la chini (vitengo vya pH 0.01), usahihi wa chini (vitengo ± 0.2 pH), na tag ya bei ya chini. (mikopo b: mabadiliko ya kazi na Jacopo Werther)

PH ya suluhisho inaweza pia kuibua inakadiriwa kutumia viashiria vya rangi (Kielelezo 14.5). Usawa wa asidi-msingi unaowezesha matumizi ya dyes hizi za kiashiria kwa vipimo vya pH zinaelezwa katika sehemu ya baadaye ya sura hii.

Kielelezo 14.5 (a) Suluhisho iliyo na mchanganyiko wa rangi, inayoitwa kiashiria cha ulimwengu wote, inachukua rangi tofauti kulingana na pH yake. (b) Rahisi bidragen mtihani, aitwaye pH karatasi, vyenye iliyoingia dyes kiashiria kwamba mavuno pH-tegemezi mabadiliko ya rangi juu ya kuwasiliana na ufumbuzi wa maji. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Sahar Atwa)