2,5: рН

Last updated

Oct 24, 2022
Save as PDF
- 2.4: Хроматографія
- 2.6: рН (активність)

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

рН

Кислоти та основи

Будь-яку сполуку, яка додає в розчин іони Н ⁺ (вільний протон), ми можемо назвати кислотою. Поряд з цим ми очікуємо, що будь-яка сполука, яка зменшить концентрацію вільного Н ⁺ розчину в якості основи. рН - потужність Н ⁺ розчину. Визначимо цю потужність як молярну концентрацію Н ⁺ в розчині. Ця концентрація незмінно закінчується відносно невеликим числом (хоча великим в абсолютних числах) і виражається як десяткове число. Оскільки діапазон концентрацій настільки великий, ми виражаємо ці числа як логарифмічні числа, щоб уникнути запису багатьох 0 після десяткового і полегшити спілкування концентрації. Оскільки ці числа настільки (відносно) малі, ми використовуємо негативний логарифм для опису цієї концентрації.

Математично визначені, $рН =-\ log_ {10}\ чорний {H} ^+\ брекка$

Шкала рН коливається так, що все, що нижче рН 7, є кислим, а все, що вище рН 7, є лужним. Так менша кількість є більш кислим. Але хіба ми не просто стверджували, що щось кислотне містить більше іонів H ⁺? Пам'ятайте, оскільки ми маємо справу з негативним логарифмом, це означає, що концентрація вище.

Логарифмічні шкали

Якщо у нас є кількість, яка дорівнює 10 ², ми знаємо, що перекладається на 100. Так само, як якщо у нас є кількість 10 ⁴, ми знаємо, що перекладається на 10000. Так само, як стає незручно тримати писати всі ці 0, це дійсно недоцільно писати багато 0 після десяткової. Про це дуже важко говорити теж! Таким чином, ми також будемо виражати числа, як 0,0001 як 10 ^-4. Логарифм - це зворотна функція показника. Тому:

$\ log_ {10} ({0.0001}) =-4$
$\ log_ {10} ({10} ^ {-4}) =-4$

Отже, як ми визначаємо розчин, який є pH 2? Ну, ми вже вирішили, що цей розчин нижче рН 7 - робить його кислотою. Але що це означає з точки зору концентрації іонів Н ⁺?
Давайте розберемо це алгебраїчно:

$рН =-\ log_ {10}\ чорний {H} ^+\ брекка$ Давайте перенесемо (-) на іншу сторону
$-рН =\ log_ {10}\ чорний {H} ^+\ брекка$ Тепер повернемо Log → base 10
$10^ {-pH} =\ чорний {H} ^+\ брекла$ Підключіть рН → молярна концентрація [H ⁺]

Як ми зараз бачимо, розчин pH 2 є кислим, оскільки молярна концентрація [H ⁺] становить 10 ^-2 моль/л або 0,01 М

Дисоціація іонів: Це число мало!

Це не маленька кількість. Пам'ятайте, що моль - це 6.022 Х 10 ²³. Це дуже велика кількість! Подумайте про це! Розчин рН 4 є кислим, але якщо ми включаємо формулу, то розуміємо, що це дорівнює 0,0001M H ⁺ — менше рН 2 при 0,01 М!

Але давайте порівняємо його з вмістом [H ⁺] H ₂ O. Тепер я буду звучати божевільніше! Воду можна вважати, що знаходиться в рівновазі, де деякі молекули іонізуючі та деіонізуючі. Ми можемо висловити це двома способами:

Н ₂ О Н ⁺ ОН ^—
2Н ₂ О Н ₃ О ⁺ ОН ^—

Так в будь-якій заданій точці літр Н ₂ О при нейтральному pH (7) має 10 ^-7 моль іонів Н ⁺. До речі, він також має 10 ^-7 молів OH ^- в розчині. Другий вираз вказує на утворення іона гідронію (H ₃ O ⁺) замість вільного протона в розчині. Тож щось, що є pH 2, є сильнішою кислотою, ніж рН 4, чи не так? Ні. Це якраз вказує на кількість вільних протонів у розчині. Він більш кислий, але кислотна сила означає щось інше. Коли ми говоримо про сильних кислотах, це означає, що швидше за все пожертвувати протон в розчин, оскільки він швидше іонізується. Давайте розглянемо наступне:

HA H ⁺ (aq) + A ^— (aq) Де HA - кислота, що дисоціює в розчині

Якщо ця дисоціація дуже висока, то ми говоримо, що це сильна кислота. Аналогічно, така сполука, як NaOH, легко дисоціює повністю в розчині і забезпечує OH ^- іони, які можуть легко видалити H ⁺ з розчину - міцну основу! Ми говоримо про дисоціацію з точки зору показників, і ми виражаємо це як константа дисоціації кислоти, K _a. Це обчислюється за допомогою концентрацій [H ⁺] (протон), [A ^—] (кон'югатна основа) та [HA] (недисоційована) при рівновазі:

$K_ {a} =\ розрив {[{H} ^+] [{A} ^-]} {[{ГА}]}$

Так само, як і порядки, які ми маємо при обговоренні рН, швидкості дисоціації зручніше повідомляти за логарифмічною шкалою.

${p} К_ {a} = -\ log_ {10} {K_ {a}}$

Подумайте про це так, якщо концентрація дисоційованих іонів дуже висока, чисельник в швидкості дуже високий → К _а великий. Іншими словами, при рівновазі реакція дисоціації виглядає більш односпрямованою, ніж двонаправленої, оскільки з'єднання легко іонізується:

ГА → Н ⁺ (aq) + А ^— (aq)

У цій шкалі ми називаємо що-небудь з pK _a < -2 як сильну кислоту, оскільки вона буде легко дисоціювати в розчині. Ця форма константи дисоціації надзвичайно корисна при оцінці рН буферизованих розчинів і для знаходження рівноважного рН кислотно-лужної реакції (між протоном і сполученим підставою). Ми можемо оцінити рН, використовуючи рівняння Гендерсона-Хассельбальха:

${pH} = {p} K_ {a} +\ log_ {10}\ лівий (\ розрив {[{A} ^-]} {[{HA}]}\ праворуч)$

Буферні рішення

Буфер - це те, що чинить опір змінам. Буферний розчин - це той, який складається зі слабкої кислоти або слабкої основи, яка буде контролювати рН розчину. Уявіть собі буфер, який буде резервуаром наявних іонів H+ або OH-. Якщо буферний розчин має рН 2, додавання до нього основного розчину не призведе до різкої зміни рН, оскільки резервуар H+ буде безперервно нейтралізувати основу. Зрештою, це сховище або резервуар H+ буде виснажений. Коли це станеться, рН раптово зміниться. Діапазон, в якому додається кислота або основа без значної зміни рН, називається буферной зоною або буферною здатністю. Коли цей магазин H+ або буферної ємності витрачається, ми досягли точки еквівалентності, яка описує точку, в якій основа повністю нейтралізувала слабку кислоту.

Титрування кислоти основою Розчин має хорошу буферну здатність між рН 3 і рН 5

Моделювання кислот і основ

Натисніть тут, щоб запустити моделювання на кислотах і основах

моделювання рН

Шкала рН

Натисніть тут, щоб запустити моделювання на шкалах рН

Скористайтеся таблицею нижче, щоб вказати, чи є елемент кислотою чи основою, і який ви прогнозуєте рН. Ми можемо визначити їх у класі за допомогою вимірювання.

Рішення	Кислота або основа	Прогнозований рН	Фактичний рН
Кава
Кола
Дистильована Н ₂ О
Миючий засіб
Відбілювач
Яблучний сік
антацидний розчин