Πώς να υπολογίσετε τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου

Η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου μας λέει πόσο όξινο ή βασικό είναι οποιοδήποτε δεδομένο διάλυμα. Περισσότερα ιόντα υδρογόνου; Πιο όξινο. Λιγότερα ιόντα υδρογόνου; Πιο βασικό. Πολύ απλό, σωστά; Ας ρίξουμε μια ματιά στον τρόπο ορισμού και υπολογισμού της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου. Αρχικά, θα δείτε πώς λαμβάνετε ιόντα υδρογόνου και ιόντα υδροξειδίου στο νερό.

Self-Ionization of Water

Το νερό αυτοιονίζεται σε μικρό βαθμό:

Αυτό είναι μια απλοποίηση, καθώς τα ελεύθερα ιόντα υδρογόνου δεν υπάρχουν στην πραγματικότητα σε διάλυμα. Στην πραγματικότητα μοιάζει με αυτό:

Μέσω του δεσμού υδρογόνου, το ιόν υδρογόνου συνδέεται με ένα μόριο νερού για να δημιουργήσει H₃ O ή υδρόνιο . Επομένως, όταν υπολογίζετε τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου, υπολογίζετε επίσης τη συγκέντρωση ιόντων υδρονίου.

Για το νερό, το προϊόν ιόντων νερού ή K_w μας λέει τη συγκέντρωση του H ή του H₃ Ο και η συγκέντρωση ιόντων ΟΗ ή υδροξειδίου.

Στους 25 βαθμούς Κελσίου, η πειραματικά προσδιορισμένη τιμή του K_W είναι 1,0 x 10 M.

Ας ρίξουμε μια ματιά στο πώς μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις γνώσεις σας για τη διάσταση και το K_W για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου είτε για ισχυρά οξέα είτε για βάσεις.

Υπολογισμός της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου από τη μοριακότητα ενός ισχυρού οξέος

Ένα ισχυρό οξύ αυξάνει τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου έναντι των ιόντων υδροξειδίου που υπάρχουν.

Ένα παράδειγμα είναι το HCl:

Δεδομένου ότι το HCl είναι ένα ισχυρό οξύ, διασπάται πλήρως στο νερό. Λοιπόν, ας πούμε ότι έχετε ένα διάλυμα HCl 1,5M. Ποια είναι η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου;

Λοιπόν, αυτό είναι πολύ απλό και δεν απαιτεί καν μαθηματικά! Εφόσον το οξύ διασπάται πλήρως, η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου είναι ίδια με τη μοριακότητα του διαλύματος. Σε αυτήν την περίπτωση, αυτό σημαίνει ότι η συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου, ή [H], είναι 1,5M.

Μια ισχυρή βάση, από την άλλη πλευρά, έχει περισσότερα ιόντα υδροξειδίου από ιόντα υδρογόνου. Ας πούμε ότι έχετε ένα διάλυμα NaOH 0,1M. Ποια είναι η συγκέντρωση του Η σε αυτή την περίπτωση; Τώρα, θα χρειαστεί να χρησιμοποιήσετε τις γνώσεις σας για το K_W .

Γνωρίζετε ότι εφόσον αυτή η ισχυρή βάση διασπάται πλήρως, η συγκέντρωση του υδροξειδίου ή OH- είναι ίση με τη μοριακότητα του διαλύματος. [OH-] =0,1 M.

Λοιπόν,

Λύνοντας για [H+] παίρνετε:

Αυτό βγάζει νόημα! Δεδομένου ότι είναι ένα βασικό διάλυμα, υπάρχουν πολύ περισσότερα ιόντα υδροξειδίου από ιόντα υδρογόνου.

Υπολογισμός της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου από το pH

Τώρα, το να ασχολούμαστε συνεχώς με την επιστημονική σημείωση για να συζητάμε τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου είναι λίγο περίπλοκο. Αντίθετα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την κλίμακα pH.

Εδώ είναι ο ορισμός του pH:

Το pH είναι το αρνητικό log της συγκέντρωσης του υδρογόνου. Το γράμμα p σημαίνει κυριολεκτικά αρνητικό αρχείο καταγραφής.

Έτσι, με μια τιμή pH 5,5, μπορείτε να βρείτε τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου:

Η κατάδυση κατά αρνητικό και η λήψη του αντίστροφου ημερολογίου σας δίνει:

Λύνοντας, λαμβάνετε:

Η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου ενός διαλύματος με pH =5,5 είναι 3,2*10Μ. Βλέπετε, αυτός είναι ο λόγος που το να μιλάς για pH είναι πολύ πιο εύκολο από τον μεγάλο αριθμό που πήρες για μια απάντηση! Ένα pH 5,5 σας λέει για την οξύτητα και μπορείτε να υπολογίσετε τη μοριακότητα εάν το χρειάζεστε.

Τι σημαίνουν οι τιμές pKa;

Ενώ ο υπολογισμός της συγκέντρωσης των ιόντων υδρογόνου των ισχυρών οξέων είναι αρκετά εύκολος, καθώς διασπώνται πλήρως στο διάλυμα, ο υπολογισμός της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου σε αδύναμα οξέα είναι λίγο πιο δύσκολος. Αυτά τα οξέα δεν ιονίζονται πλήρως στο νερό. Κάθε οξύ έχει την τάση να χάνει ένα ιόν υδρογόνου σε ένα υδατικό διάλυμα. Ένα ισχυρότερο οξύ είναι πιο πιθανό να χάσει το ιόν υδρογόνου του από ένα ασθενές οξύ.

Οι σταθερές ισορροπίας για τις αντιδράσεις ιονισμού ονομάζονται σταθερές διάστασης οξέος (K_a ). Τα ισχυρότερα οξέα έχουν υψηλότερο K_a ενώ τα ασθενέστερα οξέα έχουν χαμηλότερο K_a . Τώρα, όπως και με τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου, όπου κάνατε τη μετάβαση στο pH αντί για μόνο H, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν pK_a για να δείξει πόσο ισχυρό ή αδύναμο είναι ένα οξύ. Με μεγαλύτερη τάση να χάνει ένα πρωτόνιο, το οξύ είναι ισχυρότερο και έτσι το pK_a είναι μικρότερο.

Συμβουλές

• Όσο υψηλότερη είναι η τιμή pKa, τόσο ασθενέστερο είναι το οξύ. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή pKa τόσο ισχυρότερο είναι το οξύ.