14.4: Nguvu za Jamaa za Acids na Msingi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Tathmini nguvu za jamaa za asidi na besi kulingana na vipindi vyao vya ionization.
• Rationalize mwenendo katika nguvu asidi-msingi kuhusiana na muundo Masi
• Kufanya mahesabu ya usawa kwa mifumo dhaifu ya asidi-msingi

Acid na Msingi Ionization Constants

Nguvu ya jamaa ya asidi au msingi ni kiwango ambacho ionizes wakati kufutwa katika maji. Ikiwa mmenyuko wa ionization kimsingi umekamilika, asidi au msingi huitwa nguvu; ikiwa ionization kidogo hutokea, asidi au msingi ni dhaifu. Kama itaonekana katika salio la sura hii, kuna asidi nyingi dhaifu na besi kuliko zenye nguvu. Asidi kali na besi za kawaida zimeorodheshwa kwenye Mchoro 14.6.

Kielelezo 14.6 Baadhi ya asidi ya kawaida na besi zimeorodheshwa hapa.

Nguvu za jamaa za asidi zinaweza kupimwa kwa kupima viwango vyao vya usawa katika ufumbuzi wa maji. Katika ufumbuzi wa mkusanyiko huo, asidi kali ionize kwa kiasi kikubwa, na hivyo mavuno viwango vya juu vya ions hidronium kuliko asidi dhaifu. Mara kwa mara ya usawa kwa asidi inaitwa mara kwa mara ya asidi-ionization, K _a. Kwa majibu ya HA asidi:

$$\text{HA}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{A}}^{\text{-}}(aq),$$

mara kwa mara ya ionization asidi imeandikwa

$$K_{\text{a}}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{A}}^{\text{-}}]}{\text{[HA]}}$$

ambapo viwango ni wale katika usawa. Ingawa maji ni reactant katika mmenyuko, ni kutengenezea pia, hivyo hatujumuishi [H ₂ O] katika equation. Kubwa K _a ya asidi, kubwa ukolezi wa${\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}$na A ^- kuhusiana na mkusanyiko wa asidi nonionized, HA, katika mchanganyiko wa usawa, na nguvu asidi. Asidi huwekwa kama “nguvu” wakati inakabiliwa na ionization kamili, katika hali hiyo mkusanyiko wa HA ni sifuri na mara kwa mara ya asidi ionization ni kubwa sana (K _a ≈ ≈). Acids ambazo ni sehemu ya ionized zinaitwa “dhaifu,” na constants yao ya ionization ya asidi inaweza kupimwa kwa majaribio. Jedwali la vipindi vya ionization kwa asidi dhaifu hutolewa katika Kiambatisho H.

Ili kuonyesha wazo hili, equations tatu ya ionization _ya asidi na K maadili yanaonyeshwa hapa chini. Vipindi vya ionization huongezeka kutoka kwanza hadi mwisho wa milinganyo iliyoorodheshwa, kuonyesha nguvu ya asidi ya jamaa huongezeka kwa utaratibu CH ₃ CO ₂ H <HNO ₂ <${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}:$

$${\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}(aq)K_{\text{a}}=1.8\times {10}^{-5}$$

$${\text{HAPANA}}_2(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{HAPANA}}_2{}^{\text{-}}(aq)K_{\text{a}}=4.6\times {10}^{-4}$$

$${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(aq)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{KWA HIVYO}}_4{}^2(aq)K_{\text{a}}=1.2\times {10}^{-2}$$

Kipimo kingine cha nguvu ya asidi ni ionization yake ya asilimia. Asilimia ionization ya asidi dhaifu hufafanuliwa kulingana na muundo wa mchanganyiko wa usawa:

$$\text{\% ionization}=\frac{{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]}_{\text{eq}}}{{[\text{HA]}}_0}\times 100$$

ambapo namba ni sawa na mkusanyiko wa msingi wa conjugate ya asidi (kwa stoichiometry, [A ^-] = [H ₃ O ⁺]). Tofauti na thamani _ya K, ionization ya asilimia ya asidi dhaifu inatofautiana na mkusanyiko wa awali wa asidi, kwa kawaida hupungua kama ongezeko la ukolezi. Mahesabu ya usawa wa aina iliyoelezwa baadaye katika sura hii yanaweza kutumika kuthibitisha tabia hii.

Mfano 14.7

Mahesabu ya Ionization ya Asilimia kutoka pH

Tumia asilimia ionization ya ufumbuzi wa 0.125- M ya asidi ya nitrous (asidi dhaifu), na pH ya 2.09.

Suluhisho

Asilimia ionization kwa asidi ni:

$$\frac{{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]}_{\text{eq}}}{{[{\text{HAPANA}}_2]}_0}\times 100$$

Kubadili pH zinazotolewa kwa hidronium ion molarity mavuno

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]={10}^{-2.09}=0.0081M$$

Kubadilisha thamani hii na mkusanyiko wa asidi ya awali iliyotolewa katika usawa wa asilimia ionization hutoa

$$\frac{8.1\times {10}^{\mathrm{1-3}}}{0.125}\times 100=6.5\%$$

(Kumbuka thamani ya pH iliyotolewa ya 2.09 ni logarithmic, na hivyo ina tarakimu mbili tu muhimu, kupunguza uhakika wa ionization ya asilimia iliyohesabiwa.)

Angalia Kujifunza Yako

Tumia asilimia ionization ya ufumbuzi wa 0.10- M ya asidi ya asidi na pH ya 2.89.

Jibu:

1.3% ionized

Unganisha na Kujifunza

Tazama simulation ya asidi kali na dhaifu na besi katika ngazi ya Masi.

Kama vile asidi, nguvu ya jamaa ya msingi inaonekana kwa ukubwa wa mara kwa mara yake ya msingi ya ionization (K _b) katika ufumbuzi wa maji. Katika ufumbuzi wa mkusanyiko huo, besi zenye nguvu ionize kwa kiasi kikubwa, na hivyo huzaa viwango vya juu vya ioni ya hidroksidi kuliko kufanya besi dhaifu. Msingi wenye nguvu una mara kwa mara ya ionization kubwa kuliko msingi dhaifu. Kwa majibu ya msingi, B:

$$\text{B}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{HB}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq),$$

mara kwa mara ionization imeandikwa kama

$$K_{\text{b}}=\frac{[{\text{HB}}^{\text{+}}]\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]}{\left[\text{B}\right]}$$

Ukaguzi wa data kwa misingi mitatu dhaifu iliyotolewa hapa chini inaonyesha nguvu ya msingi huongezeka kwa utaratibu${\text{HAPANA}}_2{}^{-}<{\text{CH}}_2{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{-}<{\text{NH}}_3.$

$$\begin{array}{ccccc}{\text{HAPANA}}_2{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{HAPANA}}_2(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\hfill & & \hfill K_{\text{b}}& =\hfill & 2.17\times {10}^{-11}\hfill \\ {\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\hfill & & \hfill K_{\text{b}}& =\hfill & 5.6\times {10}^{-10}\hfill \\ {\text{NH}}_3(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{NH}}_4{}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\hfill & & \hfill K_{\text{b}}& =\hfill & 1.8\times {10}^{-5}\hfill \end{array}$$

Jedwali la vipindi vya ionization kwa misingi dhaifu inaonekana katika Kiambatisho I. Kama kwa asidi, nguvu ya jamaa ya msingi pia inaonekana katika ionization yake ya asilimia, iliyohesabiwa kama

$$\%\text{uionishaji}={[{\text{OH}}^{\text{-}}]}_{eq}\text{/}{[\text{B}]}_0\times 100\%$$

lakini itatofautiana kulingana na mara kwa mara ya ionization ya msingi na mkusanyiko wa awali wa suluhisho.

Nguvu za jamaa za Jozi za Asidi-Msingi

Brønsted-Lowry asidi-msingi kemia ni uhamisho wa protoni; hivyo, mantiki inaonyesha uhusiano kati ya uwezo wa jamaa wa jozi conjugate asidi-msingi. Nguvu ya asidi au msingi hupimwa katika mara kwa mara ya ionization, K _a au K _b, ambayo inawakilisha kiwango cha mmenyuko wa asidi au msingi wa ionization. Kwa jozi ya msingi ya asidi-msingi HA/A ^{-, usawa} wa usawa wa ionization na maneno ya mara kwa mara ya ionization ni

$$\text{HA}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{A}}^{\text{-}}(aq)K_{\text{a}}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]\left[{\text{A}}^{\text{-}}\right]}{\left[\text{HA}\right]}$$

$${\text{A}}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{OH}}^{\text{-}}(aq)+\text{HA}(aq)K_{\text{b}}=\frac{\left[\text{HA}\right]\left[{\text{OH}}^{—}\right]}{\left[{\text{A}}^{\text{-}}\right]}$$

Kuongeza equations hizi mbili za kemikali hutoa equation kwa autoionization kwa maji:

$$\sout{\text{HA (}aq)}+{\text{H}}_2\text{O}(l)+\sout{{\text{A}}^{\text{-}}(aq)}+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+\sout{{\text{A}}^{\text{-}}(aq)}+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)+\sout{\text{HA (}aq)}$$

$${\text{2H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)$$

Kama ilivyojadiliwa katika sura nyingine juu ya usawa, mara kwa mara ya usawa kwa mmenyuko unaongozwa ni sawa na bidhaa za hisabati za mara kwa mara za usawa kwa athari zilizoongezwa, na hivyo

$$K_{\text{a}}\times K_{\text{b}}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{A}}^{\text{-}}]}{\text{[HA]}}\times \frac{\text{[HA]}\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]}{\left[{\text{A}}^{\text{-}}\right]}=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]=K_{\text{w}}$$

Equation hii inasema uhusiano kati ya constants ionization kwa jozi yoyote conjugate asidi-msingi, yaani, bidhaa zao za hisabati ni sawa na bidhaa ion ya maji, K _w. Kwa upya upya equation hii, uhusiano wa usawa kati ya nguvu za jozi ya msingi ya asidi-msingi inakuwa dhahiri:

$$K_{\text{a}}=K_{\text{w}}\text{/}{K}_{\text{b}}\text{au}{K}_{\text{b}}=K_{\text{w}}\text{/}{K}_{\text{a}}$$

Uhusiano wa uwiano kati _{ya K a} na K _b inamaanisha kuwa asidi au msingi, dhaifu mpenzi wake wa conjugate. Kielelezo 14.7 kinaonyesha uhusiano huu kwa jozi kadhaa za asidi-msingi.

Kielelezo 14.7 Nguvu za jamaa za jozi kadhaa za asidi-msingi zinaonyeshwa.

Kielelezo 14.8 Takwimu hii inaonyesha nguvu za jozi za asidi-msingi zinazohusiana na nguvu za maji kama dutu ya kumbukumbu.

Orodha ya jozi conjugate asidi-msingi inavyoonekana katika Kielelezo 14.8 ni mpangilio kuonyesha nguvu jamaa ya kila aina ikilinganishwa na maji, ambayo entries ni yalionyesha katika kila nguzo ya meza ya. Katika safu ya asidi, aina hizo zilizoorodheshwa chini ya maji ni asidi dhaifu kuliko maji. Spishi hizi hazipatikani ionization ya asidi katika maji; si asidi ya Bronsted-Lowry. Spishi zote zilizoorodheshwa hapo juu ya maji ni asidi kali, kuhamisha protoni kwa maji kwa kiasi fulani wakati kufutwa katika suluhisho la maji ili kuzalisha ioni za hidroniamu. Spishi zilizo juu ya maji lakini chini ya ioni ya hidroniamu ni asidi dhaifu, zinazofanyika ionization ya asidi ya sehemu, ambapo wale walio juu ya ioni ya hidroniamu ni asidi kali ambazo zina ionized kabisa katika suluhisho la maji.

Ikiwa asidi hizi zote zenye nguvu zimehifadhiwa kabisa katika maji, kwa nini safu inaonyesha kuwa hutofautiana kwa nguvu, na asidi ya nitriki kuwa asidi dhaifu na ya perchloric yenye nguvu zaidi? Kumbuka kwamba aina pekee za asidi zilizopo katika suluhisho la maji ya asidi yoyote yenye nguvu ni H ₃ O ⁺ (aq), maana yake ni kwamba ioni ya hidroniamu ni asidi kali ambayo inaweza kuwepo katika maji; asidi yoyote yenye nguvu itaitikia kabisa na maji ili kuzalisha ioni za hidroniamu. Kikomo hiki juu ya nguvu ya asidi ya solutes katika suluhisho inaitwa athari ya kupima. Kupima tofauti katika nguvu ya asidi kwa asidi “kali”, asidi lazima kufutwa katika kutengenezea ambayo ni chini ya msingi kuliko maji. Katika vimumunyisho vile, asidi itakuwa “dhaifu,” na hivyo tofauti yoyote katika kiwango cha ionization yao inaweza kuamua. Kwa mfano, halidi za hidrojeni za binary HCl, HbR, na HI ni asidi kali katika maji lakini asidi dhaifu katika ethanol (nguvu huongeza HCl <HbR <HI).

Safu ya haki ya Kielelezo 14.8 inataja idadi ya vitu ili kuongeza nguvu za msingi kutoka juu hadi chini. Kufuatia mantiki sawa na kwa safu ya kushoto, spishi zilizoorodheshwa hapo juu ya maji ni besi dhaifu na hivyo hazipatikani ionization ya msingi wakati wa kufutwa ndani ya maji. Aina zilizoorodheshwa kati ya maji na msingi wake wa conjugate, ion hidroksidi, ni besi dhaifu ambazo zina ionize sehemu. Aina zilizoorodheshwa chini ya ioni ya hidroksidi ni besi kali ambazo zina ionize kabisa katika maji ili kuzalisha ioni za hidroksidi (yaani, zimewekwa kwa hidroksidi). Ulinganisho wa safu za asidi na msingi katika meza hii inasaidia uhusiano wa usawa kati ya nguvu za jozi za msingi za asidi-msingi. Kwa mfano, misingi ya conjugate ya asidi kali (juu ya meza) yote ni nguvu duni. Asidi kali inaonyesha K kubwa sana, na hivyo msingi wake _wa conjugate utaonyesha K _b ambayo kimsingi ni sifuri:

$\begin{array}{l}\text{nguvu}\text{asidi}:K_{\text{a}}\approx \Delta \\ \text{nyambua}\text{msingi}:K_{\text{b}}=K_{\text{w}}\text{/}{K}_{\text{a}}=K_{\text{w}}\text{/}\Delta \approx 0\end{array}$

Mbinu kama hiyo inaweza kutumika kusaidia uchunguzi kwamba conjugate asidi ya besi kali (K _b ≈ ≈) ni ya nguvu kidogo (K _a ≈ 0).

Mfano 14.8

Kuhesabu Ionization Constants kwa Conjugate Acid-Base Jozi

Tumia K _b kwa ioni ya nitriti,${\text{HAPANA}}_2{}^{\text{-}},$kuhesabu K _a kwa asidi yake ya conjugate.

Suluhisho

K _b kwa ajili ya${\text{HAPANA}}_2{}^{\text{-}}$imetolewa katika sehemu hii kama 2.17$\times$^10-11. Asidi ya conjugate ya${\text{HAPANA}}_2{}^{\text{-}}$ni HNO ₂; K _kwa HNO ₂ inaweza kuhesabiwa kwa kutumia uhusiano:

$$K_{\text{a}}\times K_{\text{b}}=1.0\times {10}^{-14}=K_{\text{w}}$$

Kutatua kwa K _mavuno

$$K_{\text{a}}=\frac{K_{\text{w}}}{K_{\text{b}}}=\frac{1.0\times {10}^{-14}}{2.17\times {10}^{-11}}=4.6\times {10}^{-4}$$

Jibu hili linaweza kuthibitishwa kwa kutafuta K _a kwa HNO ₂ katika Kiambatisho H.

Angalia Kujifunza Yako

Kuamua nguvu za asidi za jamaa${\text{NH}}_4{}^{\text{+}}$na HCN kwa kulinganisha constants yao ionization. Mara kwa mara ya ionization ya HCN hutolewa katika Kiambatisho H kama 4.9$\times$^10-10. Mara kwa mara ionization ya${\text{NH}}_4{}^{\text{+}}$haijaorodheshwa, lakini mara kwa mara ya ionization ya msingi wake wa conjugate, NH ₃, imeorodheshwa kama 1.8$\times$10 ^-5.

Jibu:

${\text{NH}}_4{}^{\text{+}}$ni asidi yenye nguvu kidogo (K _a kwa${\text{NH}}_4{}^{\text{+}}$= 5.6$\times$10 ^-10).

Mahesabu ya usawa wa Asidi-Msingi

Sura ya usawa wa kemikali ilianzisha aina kadhaa za mahesabu ya usawa na mikakati mbalimbali ya hisabati ambayo inasaidia katika kuifanya. Mikakati hii kwa ujumla ni muhimu kwa ajili ya mifumo ya msawazo bila kujali kemikali tabaka mmenyuko, na hivyo wanaweza kuwa ufanisi kutumika kwa matatizo asidi-msingi msawazo. Sehemu hii inatoa mazoezi kadhaa ya mfano yanayohusisha mahesabu ya usawa kwa mifumo ya asidi-msingi.

Mfano 14.9

Uamuzi wa K _a kutoka kwa viwango vya usawa

Asidi ya Acetic ni kiungo kikuu katika siki (Kielelezo 14.9) ambacho hutoa ladha yake ya siki. Katika usawa, suluhisho lina [CH ₃ CO ₂ H] = 0.0787 M na$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}]=0.00118M.$Thamani ya K _{a kwa asidi ya} asidi ni nini?

Kielelezo 14.9 Vigaji ina asidi asidi, asidi dhaifu. (mikopo: mabadiliko ya kazi na “HomeSpot HQ” /Flickr)

Suluhisho

Equation ya usawa husika na usawa wake wa kujieleza mara kwa mara huonyeshwa hapa chini. Kubadilisha viwango vya usawa vinavyotolewa vibali hesabu moja kwa moja ya K _a kwa asidi ya asidi.

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

$$K_{\text{a}}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}]}{[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}]}=\frac{(0.00118)(0.00118)}{0.0787}=1.77\times {10}^{-5}$$

Angalia Kujifunza Yako

Ya${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}$ion, asidi dhaifu kutumika katika cleansers baadhi ya kaya:

$${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{KWA HIVYO}}_4{}^2(aq)$$

Je! Ni mara kwa mara ya ionization ya asidi kwa asidi hii dhaifu ikiwa mchanganyiko wa usawa una muundo wafuatayo:$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]$= 0.027 M;$[{\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}]=0.29M;$na$[{\text{KWA HIVYO}}_4{}^2]=0.13M?$

Jibu:

K _a kwa${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}$= 1.2$\times$^10-2

Mfano 14.10

Uamuzi wa K _b kutoka kwa viwango vya usawa

Caffeine, C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂ ni msingi dhaifu. Thamani ya K _b kwa caffeine ni nini ikiwa suluhisho la usawa lina [C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂] = 0.050 M,$[{\text{C}}_8{\text{H}}_{10}{\text{N}}_4{\text{O}}_2{\text{H}}^{\text{+}}]$= 5.0$\times$10 ^-3 M, na [OH ^-] = 2.5$\times$10 ^1-3 M?

Suluhisho

Equation ya usawa husika na usawa wake wa kujieleza mara kwa mara huonyeshwa hapa chini. Badala ya viwango vya usawa zinazotolewa vibali hesabu moja kwa moja ya K _b kwa caffeine.

$${\text{C}}_8{\text{H}}_{10}{\text{N}}_4{\text{O}}_2(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{C}}_8{\text{H}}_{10}{\text{N}}_4{\text{O}}_2{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)$$

$$K_{\text{b}}=\frac{[{\text{C}}_8{\text{H}}_{10}{\text{N}}_4{\text{O}}_2{\text{H}}^{\text{+}}][{\text{OH}}^{\text{-}}]}{[{\text{C}}_8{\text{H}}_{10}{\text{N}}_4{\text{O}}_2]}=\frac{(5.0\times {10}^{\mathrm{1-3}})(2.5\times {10}^{\mathrm{1-3}})}{0.050}=2.5\times {10}^{-4}$$

Angalia Kujifunza Yako

Je, ni mara kwa mara ya usawa kwa ionization ya${\text{HPO}}_4{}^2$ion, msingi dhaifu

$${\text{HPO}}_4{}^2(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{-}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)$$

ikiwa muundo wa mchanganyiko wa usawa ni kama ifuatavyo: [OH ^-] = 1.3$\times$10 ^-6 M;$[{\text{H}}_2{\text{PO}}_4{}^{\text{-}}]=0.042M;$na$[{\text{HPO}}_4{}^2]=0.341M?$

Jibu:

K _b kwa ajili ya${\text{HPO}}_4{}^2=1.6\times {10}^{-7}$

Mfano 14.11

Uamuzi wa K _a au K _b kutoka pH

PH ya ufumbuzi wa 0.0516- M wa asidi ya nitrous, HNO ₂, ni 2.34. Ni nini K _a?

$${\text{HAPANA}}_2(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{HAPANA}}_2{}^{\text{-}}(aq)$$

Suluhisho

Mkusanyiko wa asidi ya nitrous hutolewa ni mkusanyiko rasmi, ambayo haina akaunti kwa usawa wowote wa kemikali ambayo inaweza kuanzishwa katika suluhisho. Viwango hivyo vinatibiwa kama maadili “ya awali” kwa mahesabu ya usawa kwa kutumia mbinu ya meza ya ICE. Angalia thamani ya awali ya ioni ya hidroniamu imeorodheshwa kama takriban sifuri kwa sababu mkusanyiko mdogo wa H ₃ O ⁺ iko (1 × 10 ^-7 M) kutokana na autoprotolysis ya maji. Katika matukio mengi, kama vile yote yaliyowasilishwa katika sura hii, ukolezi huu ni mdogo sana kuliko ule unaozalishwa na ionization ya asidi (au msingi) katika swali na inaweza kupuuzwa.

PH zinazotolewa ni kipimo cha logarithmic cha mkusanyiko wa ioni ya hidroniamu inayotokana na ionization asidi ya asidi ya nitrous, na hivyo inawakilisha thamani ya “usawa” kwa meza ya ICE:

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]={10}^{-2.34}=0.0046M$$

Jedwali la ICE kwa mfumo huu ni basi

Hatimaye, hesabu thamani ya mara kwa mara ya usawa kwa kutumia data katika meza:

$$K_{\text{a}}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{HAPANA}}_2{}^{\text{-}}]}{[{\text{HAPANA}}_2]}=\frac{(0.0046)(0.0046)}{(0.0470)}=4.6\times {10}^{-4}$$

Angalia Kujifunza Yako.

PH ya suluhisho la amonia ya kaya, ufumbuzi wa 0.950- M wa NH _3, ni 11.612. K _b kwa NH ₃ ni nini.

Jibu:

K _b = 1.8$\times$10 ^-5

Mfano 14.12

Kuhesabu viwango vya usawa katika Suluhisho la Asidi Dhaifu

Asidi ya fomu, HCO ₂ H, ni hasira moja ambayo husababisha mmenyuko wa mwili kwa kuumwa na baadhi ya ant na miiba (Kielelezo 14.10).

Kielelezo 14.10 Maumivu ya kuumwa na baadhi ya ant husababishwa na asidi ya fomu. (mikopo: John Tann)

Je, ni mkusanyiko wa ioni ya hidronium na pH ya ufumbuzi wa 0.534- M ya asidi ya fomu?

$${\text{HCO}}_2\text{H}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{HCO}}_2{}^{\text{-}}(aq)K_{\text{a}}=1.8\times {10}^{-4}$$

Suluhisho

Jedwali la ICE kwa mfumo huu ni

Kubadilisha maneno ya mkusanyiko wa usawa ndani ya K_, maneno yanatoa

$$K_{\text{a}}=1.8\times {10}^{-4}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{HCO}}_2{}^{\text{-}}]}{[{\text{HCO}}_2\text{H}]}$$

$$=\frac{\left(x\right)\left(x\right)}{0.534-x}=1.8\times {10}^{-4}$$

Mkusanyiko mkubwa wa awali na mara kwa mara ya usawa mdogo huruhusu dhana ya kurahisisha kwamba x itakuwa ndogo sana kuliko 0.534, na hivyo equation inakuwa

$$K_{\text{a}}=1.8\times {10}^{-4}=\frac{x^{\text{2}}}{0.534}$$

Kutatua equation kwa mavuno x

$$x^{\text{2}}=0.534\times \left(1.8\times {10}^{-4}\right)=9.6\times {10}^{-5}$$

$$x=\sqrt{9.6\times {10}^{-5}}$$

$$=9.8\times {10}^{\mathrm{1-3}}M$$

Kuangalia dhana kwamba x ni ndogo ikilinganishwa na 0.534, ukubwa wake wa jamaa unaweza kuhesabiwa:

$$\frac{x}{0.534}=\frac{9.8\times {10}^{\mathrm{1-3}}}{0.534}=1.8\times {10}^{-2}(1.8\%\text{ya 0.534})$$

Kwa sababu x ni chini ya 5% ya mkusanyiko wa awali, dhana halali.

Kama inavyoelezwa katika meza ya ICE, x ni sawa na mkusanyiko wa usawa wa ioni ya hidronium:

$$x=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]=0.0098M$$

Hatimaye, pH ni mahesabu kuwa

$$\text{pH}=\text{-}\text{kigogo}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]=\text{-}\text{kigogo}(0.0098)=2.01$$

Angalia Kujifunza Yako

Sehemu ndogo tu ya asidi dhaifu ionizes katika suluhisho la maji. Je, ni asilimia ionization ya ufumbuzi wa 0.100- M ya asidi ya asidi, CH ₃ CO ₂ H?

$${\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}(aq)K_{\text{a}}=1.8\times {10}^{-5}$$

Jibu:

asilimia ionization = 1.3%

Mfano 14.13

Kuhesabu viwango vya usawa katika Suluhisho la Msingi Dhaifu

Pata mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi, poH, na pH ya ufumbuzi wa 0.25- M ya trimethylamine, msingi dhaifu:

$${({\text{CH}}_3)}_3\text{N}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {({\text{CH}}_3)}_3{\text{NH}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)K_{\text{b}}=6.3\times {10}^{-5}$$

Suluhisho

Jedwali la ICE kwa mfumo huu ni

Kubadilisha maneno ya mkusanyiko wa usawa katika kujieleza kwa K _b inatoa

$$K_{\text{b}}=\frac{[{({\text{CH}}_3)}_3{\text{NH}}^{\text{+}}]\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]}{[{({\text{CH}}_3)}_3\text{N}]}=\frac{\left(x\right)\left(x\right)}{0.25-x}=6.3\times {10}^{-5}$$

Kuchukulia x <<<0.25 na kutatua kwa mavuno x

$$x=4.0\times {10}^{\mathrm{1-3}}M$$

Thamani hii ni chini ya 5% ya mkusanyiko wa awali (0.25), hivyo dhana ni haki.
Kama inavyoelezwa katika meza ya ICE, x ni sawa na mkusanyiko wa usawa wa ioni ya hidroksidi:

$$\left[{\text{OH}}^{\text{-}}\right]=~0+x=x=4.0\times {10}^{\mathrm{1-3}}M$$

$$=4.0\times {10}^{\mathrm{1-3}}M$$

PoH ni mahesabu kuwa

$$\text{oH}=\text{-logi}\left(4.0\times {10}^{\mathrm{1-3}}\right)=2.40$$

Kutumia uhusiano ulioanzishwa katika sehemu ya awali ya sura hii:

$$\text{pH}+\text{oH}=\text{p}{K}_{\text{w}}=14.00$$

inaruhusu hesabu ya pH:

$$\text{pH}=14.00-\text{oH}=14.00-2.40=11.60$$

Angalia Kujifunza Yako

Tumia mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi na ionization ya asilimia ya ufumbuzi wa 0.0325- M ya amonia, msingi dhaifu na K _b ya 1.76$\times$10 ^-5.

Jibu:

7.56$\times$10 ^-4 M, 2.33%

Katika hali nyingine, nguvu ya asidi dhaifu au msingi na mkusanyiko wake rasmi (awali) husababisha ionization inayojulikana. Ingawa mkakati wa ICE unabaki ufanisi kwa mifumo hii, algebra inahusika zaidi kwa sababu dhana ya kurahisisha kuwa x ni duni haiwezi kufanywa. Mahesabu ya aina hii yanaonyeshwa katika Mfano 14.14 hapa chini.

Mfano 14.14

Kuhesabu viwango vya usawa bila kurahisisha mawazo

Bisulfate ya sodiamu, NaHSO ₄, hutumiwa katika watakaso wa kaya kama chanzo cha${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}$ion, asidi dhaifu. Je, ni pH ya ufumbuzi wa 0.50- M ya${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}?$

$${\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{KWA HIVYO}}_4{}^2(aq)K_{\text{a}}=1.2\times {10}^{-2}$$

Suluhisho

Jedwali la ICE kwa mfumo huu ni

Kubadilisha maneno ya mkusanyiko wa usawa ndani ya K_, maneno yanatoa

$$K_{\text{a}}=1.2\times {10}^{-2}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{KWA HIVYO}}_4{}^2]}{[{\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}]}=\frac{\left(x\right)\left(x\right)}{0.50-x}$$

Ikiwa dhana kwamba x <<<0.5 inafanywa, kurahisisha na kutatua mazao ya equation hapo juu

$$x=0.077M$$

Thamani hii ya x ni wazi si chini ya 0.50 M; badala yake, ni takriban 15% ya mkusanyiko wa awali:
Tunapoangalia dhana, tunahesabu:

$$\frac{x}{{[{\text{HSO}}_4{}^{\text{-}}]}_{\text{i}}}$$

$$\frac{x}{0.50}=\frac{7.7\times {10}^{-2}}{0.50}=0.15(15\%)$$

Kwa sababu dhana ya kurahisisha haifai kwa mfumo huu, kujieleza mara kwa mara ya usawa hutatuliwa kama ifuatavyo:

$$K_{\text{a}}=1.2\times {10}^{-2}=\frac{\left(x\right)\left(x\right)}{0.50-x}$$

Kupanga upya mazao haya ya equation

$$6.0\times {10}^{\mathrm{1-3}}-1.2\times {10}^{-2}x=x^{\text{2}}$$

Kuandika equation katika fomu quadratic inatoa

$$x^{\text{2}}+1.2\times {10}^{-2}x-6.0\times {10}^{\mathrm{1-3}}=0$$

Kutatua kwa mizizi miwili ya equation hii quadratic matokeo katika thamani hasi ambayo inaweza kuachwa kama kimwili lisilo na maana na thamani chanya sawa na x. Kama inavyoelezwa katika meza ya ICE, x ni sawa na mkusanyiko wa hydronium.

$$\begin{array}{l}x=[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]=0.072M\\ \text{pH}=-\text{kigogo}[{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}]=-\text{kigogo}(0.072)=1.14\end{array}$$

Angalia Kujifunza Yako

Tumia pH katika ufumbuzi wa 0.010- M wa caffeine, msingi dhaifu:

$${\text{C}}_8{\text{H}}_{10}{\text{N}}_4{\text{O}}_2(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{C}}_8{\text{H}}_{10}{\text{N}}_4{\text{O}}_2{\text{H}}^{\text{+}}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)K_{\text{b}}=2.5\times {10}^{-4}$$

Jibu:

pH 11.16

Athari za Muundo wa Masi juu ya Nguvu ya Msingi wa

Binary asidi na besi

Kutokuwepo kwa athari yoyote ya kupima kiwango, nguvu ya asidi ya misombo ya binary ya hidrojeni na nonmetals (A) huongezeka kama nguvu ya dhamana ya H-A inapungua chini ya kundi katika meza ya mara kwa mara. Kwa kikundi 17, utaratibu wa kuongezeka kwa asidi ni HF <HCl <HbR <HI. Vivyo hivyo, kwa kundi la 16, utaratibu wa kuongeza nguvu za asidi ni H ₂ O <H ₂ S <H ₂ Se <H ₂ Te.

Katika mstari katika meza ya mara kwa mara, nguvu ya asidi ya misombo ya hidrojeni ya binary huongezeka kwa kuongezeka kwa electronegativity ya atomi isiyo ya kawaida kwa sababu polarity ya dhamana ya H-A huongezeka. Hivyo, utaratibu wa kuongeza asidi (kwa ajili ya kuondolewa kwa protoni moja) katika mstari wa pili ni CH ₄ <NH ₃ <H ₂ O <HF; katika mstari wa tatu, ni SiH ₄ <PH ₃ <H ₂ S <HCl (angalia Mchoro 14.11).

Kielelezo 14.11 Takwimu inaonyesha mwenendo katika nguvu za asidi za binary na besi.

Asidi ya Ternary na Msingi

Misombo ya Ternary linajumuisha hidrojeni, oksijeni, na kipengele cha tatu (“E”) inaweza kuundwa kama inavyoonyeshwa kwenye picha hapa chini. Katika misombo hii, atomi ya kati ya E inaunganishwa na atomi moja au zaidi ya O, na angalau moja ya atomi za O pia huunganishwa na atomi ya H, inayofanana na formula ya Masi ya jumla O _m E (OH) _n. Misombo hii inaweza kuwa tindikali, msingi, au amphoteric kulingana na mali ya atomi ya kati ya E. Mifano ya misombo hiyo ni pamoja na asidi sulfuriki, O ₂ S (OH) ₂, asidi sulfurous, OS (OH) _{2, asidi nitriki, O 2} NOH, asidi perchloric, O _{3 CloH, hidroksidi alumini, Al (OH) 3}, hidroksidi kalsiamu, Ca (OH) ₂, na hidroksidi ya potasiamu, KOH:

Ikiwa atomi kuu, E, ina electronegativity ya chini, kivutio chake kwa elektroni ni cha chini. Tabia ndogo ipo kwa atomi kuu kuunda dhamana yenye nguvu ya covalent na atomi ya oksijeni, na dhamana kati ya kipengele na oksijeni ni rahisi zaidi kuvunjwa kuliko dhamana b kati ya oksijeni na hidrojeni. Hivyo dhamana a ni ionic, ions hidroksidi hutolewa kwa suluhisho, na nyenzo hufanya kama msingi-hii ni kesi na Ca (OH) ₂ na KOH. Chini ya electronegativity ni tabia ya mambo zaidi ya metali; kwa hiyo, vipengele vya metali huunda hidroksidi ya ionic ambayo ni kwa ufafanuzi misombo ya msingi.

Ikiwa, kwa upande mwingine, atomi E ina electronegativity ya juu, inavutia sana elektroni inayoshiriki na atomi ya oksijeni, na kufanya dhamana kuwa kiasi kikubwa cha covalent. dhamana oksijeni-hidrojeni, dhamana b, hivyo dhaifu kwa sababu elektroni ni makazi yao kuelekea E. Bond b ni polar na urahisi releases ions hidrojeni kwa ufumbuzi, hivyo nyenzo tabia kama asidi. Shughuli za juu za electronegativity ni tabia ya mambo yasiyo ya kawaida zaidi. Kwa hiyo, vipengele visivyo na metali huunda misombo ya covalent iliyo na makundi ya tindikali -OH ambayo huitwa oxyacids.

Kuongezeka kwa idadi ya oksidi ya atomi ya kati E pia huongeza asidi ya oksijeni kwa sababu hii huongeza mvuto wa E kwa elektroni unazoshiriki na oksijeni na hivyo kudhoofisha dhamana ya O-H. Asidi ya sulfuriki, H ₂ SO ₄, au O ₂ S (OH) ₂ (na idadi ya oxidation ya sulfuri +6), ni tindikali zaidi kuliko asidi sulfurous, H ₂ SO ₃, au OS (OH) ₂ (na idadi ya oxidation ya sulfuri +4). Vivyo hivyo asidi nitriki, HNO ₃, au O ₂ NOH (N oxidation idadi = +5), ni tindikali zaidi kuliko asidi nitrous, HNO ₂, au ONOH (N oxidation idadi = +3). Katika kila jozi hizi, idadi ya oxidation ya atomi kuu ni kubwa kwa asidi kali (Mchoro 14.12).

Kielelezo 14.12 Kama idadi ya oxidation ya atomi ya kati E huongezeka, asidi pia huongezeka.

Hydroxy misombo ya vipengele na electronegativities kati na idadi ya juu kiasi oxidation (kwa mfano, mambo karibu na mstari diagonal kutenganisha metali kutoka nonmetals katika meza ya mara kwa mara) ni kawaida amphoteric. Hii ina maana kwamba misombo ya hidrojeni hufanya kama asidi wakati wanaitikia na besi kali na kama besi wakati wanapoitikia na asidi kali. Amphoterism ya hidroksidi alumini, ambayo kwa kawaida ipo kama hydrate Al (H ₂ O) ₃ (OH) ₃, inaonekana katika umumunyifu wake katika asidi zote mbili kali na besi kali. Katika misingi yenye nguvu, hidroksidi ya alumini yenye hidrati isiyo na hidroksidi, Al (H ₂ O) ₃ (OH) ₃, inabadilishwa kuwa ion ya mumunyifu,${[\text{Al}{({\text{H}}_2\text{O})}_2({\text{OH})}_4]}^{\text{-}},$kwa mmenyuko na ion ya hidroksidi:

$$\text{Al}{({\text{H}}_2\text{O})}_3({\text{OH})}_3(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)\rightleftharpoons {\text{H}}_2\text{O}(l)+{[\text{Al}{({\text{H}}_2\text{O})}_2({\text{OH})}_4]}^{\text{-}}(aq)$$

Katika mmenyuko huu, protoni huhamishwa kutoka kwenye mojawapo ya molekuli ya H ₂ O iliyofungwa na alumini kwa ioni ya hidroksidi katika suluhisho. Kiwanja cha Al (H ₂ O) ₃ (OH) ₃ hivyo hufanya kama asidi chini ya hali hizi. Kwa upande mwingine, wakati kufutwa katika asidi kali, inabadilishwa kuwa ion mumunyifu${[\text{Al}{({\text{H}}_2\text{O})}_6]}^{\mathrm{3+}}$kwa mmenyuko na ioni ya hydronium:

$${\text{3H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+\text{Al}{({\text{H}}_2\text{O})}_3({\text{OH})}_3(aq)\rightleftharpoons \text{Al}{({\text{H}}_2\text{O})}_6{}^{\mathrm{3+}}(aq)+{\text{3H}}_2\text{O}(l)$$

Katika kesi hiyo, protoni huhamishwa kutoka ioni za hidronium katika suluhisho la Al (H ₂ O) ₃ (OH) ₃, na kazi ya kiwanja kama msingi.