تركيزات الحمض والقاعدة

حمض أرهينيوس هو مادة تنتج أيونات الهيدروجين عندما تذوب في الماء ، بينما تنتج القاعدة أيونات الهيدروكسيد. تتفاعل أيونات الهيدروجين على الفور مع الماء لتكوين أيونات الهيدرونيوم ، ولكن من أجل البساطة ، سنستمر في التفكير فيها على أنها أيونات هيدروجين. اعتمادا على كمية أيونات الهيدروجين أو أيونات الهيدروكسيد في المحلول ، تعتبر حمضية أو قاعدية.

نقيس كمية الحموضة أو القاعدة باستخدام الأس الهيدروجيني ، والذي يتم حسابه على أنه السجل السلبي لتركيز أيونات الهيدروجين. إذن ، فإن قيم الأس الهيدروجيني أقل من 7 حمضية ، وقيم الأس الهيدروجيني أعلى من 7 أساسية. الرقم الهيدروجيني 7 محايد.

تتم مقارنة الأحماض والقواعد أيضا بناء على قوتها ، والتي تختلف عن درجة الحموضة. ترتبط قوة الحمض بمدى سهولة انفصال أيون الهيدروجين عن الأنيون ، المسمى القاعدة المترافقة. نفس الفكرة تتبع لقاعدة في إشارة إلى أيون الهيدروكسيد وحمضه المترافق. يمكننا تعيين قيمة لتلك القوة باستخدام ثابت تفكك الحمض ، أو K _a .

يتم تعريف K_a باستخدام تركيزات الحمض غير المنفصل وأيونات الهيدروجين المنفصلة والقاعدة المترافقة. قد ترى هذه العلاقة غالبا ممثلة على أنها pK_a، وهي ببساطة السجل السالب ل K_a. كلما كان pK _a أصغر ، كان الحمض أقوى.

بعض الأحماض ، مثل حمض الهيدروكلوريك ، أحادية البروتين ، مما يعني أنها يمكن أن تفصل أيون هيدروجين واحد فقط. يمكن للأحماض البولي بروتيك ، مثل حمض الفوسفوريك ، أن تفصل العديد من أيونات الهيدروجين. كل تفكك له pK الخاص به_a.

لذا ، كيف يمكننا تحديد pK _a ؟ تتمثل إحدى الطرق في إجراء معايرة بالتحليل الحجمي الحمضي. يتم إجراء المعايرة بالتحليل الحجمي عن طريق إضافة محلول بتركيز معروف ببطء إلى محلول غير معروف التركيز مع مراقبة التفاعل بينهما. في هذه الحالة ، يتفاعل الحمض مع القاعدة في تفاعل تحييد لتكوين ملح وماء.

إذن، إذا أردنا قياس تركيز أيونات الهيدروجين في حمض، فيمكننا ببساطة المعايرة بقاعدة قوية بتركيز أيونات هيدروكسيد معروف حتى يتم تحييد الحمض. لإجراء المعايرة بالتحليل الحجمي بدقة، يجب توحيد القاعدة — مما يعني أنك تعرف تركيز أيونات الهيدروكسيد بالضبط. هذا ليس دائما مباشرا.

على سبيل المثال ، هيدروكسيد الصوديوم ، الذي ستستخدمه في تجربتك ، استرطابي للغاية ، مما يعني أنه يمتص الماء من الغلاف الجوي. يحدث هذا لهيدروكسيد الصوديوم كمحلول صلب وفي محلول. لذلك ، قد يكون التركيز الحقيقي لمحلول هيدروكسيد الصوديوم أقل مما تتوقع.

لتحديد التركيز الدقيق ل NaOH ، يجب علينا أولا إجراء معايرة بالتحليل الحجمي الحمضي القاعدي. للقيام بذلك ، يجب عليك استخدام القاعدة لمعايرة حمض بتركيز معروف. فثالات هيدروجين البوتاسيوم ، KHP ، هو حمض غير استرطابي ، لذلك يمكننا حساب تركيزه بدقة من كتلته.

يمكننا أن نرى متى تكتمل المعايرة بالتحليل الحجمي — أي أن الحمض معادل — باستخدام مؤشر الأس الهيدروجيني مثل الفينول فثالين. الفينول فثالين محايد وعديم اللون بين حوالي الرقم الهيدروجيني 0 ودرجة الحموضة 8.

مع زيادة الأس الهيدروجيني ، ينفصل أيونات الهيدروجين. هذا الشكل الأنيوني وردي. لذلك ، عندما نبدأ في المعايرة بالتحليل الحجمي ، يكون محلول KHP حمضيا والفينول فثالين عديم اللون. عندما نضيف هيدروكسيد الصوديوم ويتم تحييد أيونات الهيدروجين ، يزداد الرقم الهيدروجيني.

في هذا التفاعل ، يكون المحلول محايدا عندما يتم خلط كميات متساوية من الحمض والقاعدة معا. بعد ذلك ، فإن إضافة المزيد من هيدروكسيد الصوديوم يجعل الرقم الهيدروجيني أساسيا ويتحول المحلول إلى اللون الوردي. يشار إلى هذا باسم نقطة النهاية. إذا عرفنا مولات KHP وحجم هيدروكسيد الصوديوم المستخدم لتحييدها، فيمكننا حساب التركيز الدقيق للقاعدة.

بمجرد أن يكون لدينا قاعدة موحدة ، يمكننا تحديد pK _a للحمض عن طريق معايرة تركيز معروف من الحمض بقاعدتنا المعيارية أثناء مراقبة الأس الهيدروجيني. يسمى مخطط الأس الهيدروجيني مقابل حجم القاعدة المضافة بمنحنى المعايرة بالتحليل الحجمي. عادة ما يتبع المنحنى شكل S أو شكل سيني ، حيث تشير نقطة الانعطاف للجزء الأكثر انحدارا من المنحنى إلى نقطة تكافؤ.

هنا ، مولات أيونات الهيدروكسيد وأيونات الهيدروجين المنفصلة متساوية. مثل pK_a ، سنرى نقطة تكافؤ واحدة لكل أيون هيدروجين منفصل. إذن، يحتوي حمض أحادي البروتيك على نقطة تكافؤ واحدة فقط، وحمض ثلاثي البروتيك له ثلاث نقطات.

عندما نقوم بإجراء المعايرة بالتحليل الحجمي ، سنعرف أننا تجاوزنا نقطة التكافؤ عندما يتحول مؤشر الأس الهيدروجيني بالكاد من عديم اللون إلى اللون الوردي. وهذا ما يسمى نقطة نهاية المعايرة بالتحليل الحجمي. كما هو الحال عندما نقوم بتوحيد القاعدة ، يحدث هذا عندما يحتوي المحلول على فائض ضئيل من أيونات الهيدروكسيد وبالتالي يكون أساسيا قليلا.

تحدث نقطة انعطاف أخرى في التمثيل البياني في منتصف الطريق إلى نقطة التكافؤ. هنا ، تركيزات الأحماض المنفصلة وغير المنفصلة متساوية. وبالتالي ، فإن الرقم الهيدروجيني في هذه المرحلة يساوي pK _a . إذن، إذا أجرينا المعايرة بالتحليل الحجمي وحددنا حجم نقطة التكافؤ، فيمكننا حساب pK_a في صورة الأس الهيدروجيني عند نصف هذا الحجم.

في هذا المختبر ، ستقوم أولا بتوحيد قاعدتك ثم إجراء معايرة بالتحليل الحجمي باستخدام تلك القاعدة القياسية لتحديد اثنين من pK_a من حمض متعدد البروتيك.