تركيزات الحمض والقاعدة

الأحماض والقواعد

ينتج حمض أرهينيوس أيونات الهيدروجين عندما يذوب في الماء:

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

هنا ، HA هو الحمض غير المنفصل ، H ⁺ هو كاتيون الهيدروجين ، و A ^- هو الأنيون المذاب - يسمى القاعدة المترافقة. تنتج قاعدة أرهينيوس أيونات الهيدروكسيد عند إذابتها في الماء:

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

هنا ، BOH هو القاعدة غير المنفصلة ، OH ^- هو أيون الهيدروكسيد ، و B ⁺ هو الكاتيون المذاب - يسمى الحمض المترافق. تتشكل القاعدة المترافقة عندما يفقد الحمض أيون الهيدروجين ولديه القدرة على الحصول على الهيدروجين. وينطبق الشيء نفسه على الحمض المترافق ، الذي يتكون عندما تفقد القاعدة مجموعة هيدروكسيل ولديها القدرة على استعادتها. كل حمض له قاعدة مترافقة ، وكل قاعدة لها حمض مترافق.

pH

الأس الهيدروجيني هو درجة حموضة المحلول وهو مقياس لكمية أيونات الهيدروجين في المحلول. مقياس الأس الهيدروجيني لوغاريتمي ويمتد من 0 إلى 14. توصف المحاليل المائية ذات الرقم الهيدروجيني أقل من 7 بأنها حمضية ، وتوصف المحاليل المائية ذات الرقم الهيدروجيني أعلى من 7 بأنها قلوية أو قاعدية. تعتبر المحاليل عند درجة الحموضة 7 محايدة.

الأس الهيدروجيني للمحلول يساوي اللوغاريتمية الأساسية السالبة عشرة من تركيز أيونات الهيدروجين في المحلول.

يتفاعل الماء بقوة مع أيون الهيدروجين لأن شحنته الموجبة القوية تجذب القطب السالب لجزيئات الماء المحيطة. في الواقع ، تتفاعل بقوة لدرجة أنها تشكل رابطة تساهمية و H₃ O ⁺ ، يسمى الهيدرونيوم. تمت إعادة كتابة المعادلة أعلاه لتعكس ذلك.

للتبسيط ، سنشير إلى تركيز أيونات الهيدروجين بدلا من أيونات الهيدرونيوم عند مناقشة الأس الهيدروجيني. كلما انخفضت قيمة الأس الهيدروجيني للمحلول ، زاد عدد أيونات الهيدروجين الموجودة ، وبالتالي ، زادت حمضية المحلول. على سبيل المثال ، الرقم الهيدروجيني ل 1 ملي مولار من حمض الكبريتيك هو 2.75 ، بينما الرقم الهيدروجيني 1 ملي مولار من الهيدروكلوريك هو 3.01. يتم حساب تركيز أيونات الهيدروجين في محلول حامض الكبريتيك على أنه 1 × 10 ^-2.75 ، في حين أن تركيز أيونات الهيدروجين في محلول حمض الهيدروكلوريك هو 1 × 10 ^-3.01 . وبالتالي ، هناك المزيد من أيونات الهيدروجين الموجودة في حامض الكبريتيك ، وهي أكثر حمضية. تذكر أنه على الرغم من أن الرقم الهيدروجيني لمحلولين قد يختلف بأقل من نصف قيمة الأس الهيدروجيني ، نظرا للطبيعة اللوغاريتمية لمقياس الأس الهيدروجيني ، فإن كمية الهيدروجين تختلف اختلافا كبيرا.

قوة الأحماض والقواعد

تتأثر قوة الحمض بالكهربية للقاعدة المترافقة وقطبية الهيدروجين الحمضي. لذلك ، تشير القوة إلى مدى سهولة انفصال كاتيون الهيدروجين (H ⁺ ) عن الأنيون. تنفصل الأحماض والقواعد القوية تماما في المحاليل المائية ، في حين أن الأحماض والقواعد الضعيفة تنفصل جزئيا فقط في أيوناتها المترافقة.

يمثل ثابت التفكك ، K _a ، قوة الحمض. يتم حساب K_a باستخدام تركيزات حمض HA غير المنفصل ، وتركيزات كاتيونات الهيدروجين والقاعدة المترافقة ، A ^- . تمثل قيم K_{a الأعلى} أحماض أقوى ، بينما تمثل قيم K_a الأصغر أحماضا أضعف.

K_a صغير جدا من الناحية العددية ، وغالبا ما يتم الإبلاغ عنه في شكل pK_a ، وهو الأساس اللوغاريتمي السالب عشرة ل K_a. تتوافق قيم pK _a السفلية مع حمض أقوى ، بينما تتوافق قيم pK _a الأعلى مع حمض أضعف.

تفصل بعض الأحماض أيون هيدروجين واحد فقط وبالتالي لها قيمة pK _a . تسمى هذه الأحماض أحادية البروتين. ومع ذلك ، يمكن لبعض الأحماض أن تفصل أكثر من أيون هيدروجين واحد وتسمى polyprotic. هذه الأحماض لها قيمة pK _a لكل تفكك أيون الهيدروجين.

pK_a يمكن استخدامها أيضا لحساب الرقم الهيدروجيني المتوازني لتفاعل الحمض القاعدي، كما هو موضح في معادلة هندرسون-هاسيلبالش.

تستخدم معادلة هندرسون-هاسيلبالش لحساب الأس الهيدروجيني ، عندما تكون تركيزات القاعدة المترافقة والحمض الضعيف معروفة ، أو لحساب pK _a إذا كانت الأس الهيدروجيني والتركيزات معروفة.

معايرة بالتحليل الحجمي

تتم دراسة التفاعلات الحمضية القاعدية كميا باستخدام المعايرة بالتحليل الحجمي. في تجربة المعايرة بالتحليل الحجمي، يتم استخدام محلول بتركيز معروف، يسمى المحلول القياسي، لتحديد تركيز محلول آخر. بالنسبة للمعايرة بالتحليل الحجمي الحمضي القاعدي ، يضاف محلول قياسي من القاعدة ببطء إلى حمض غير معروف التركيز (أو يضاف الحمض إلى القاعدة). التفاعل الحمضي القاعدي هو تفاعل تحييد ، والذي يشكل الملح والماء. عندما تكون مولات أيونات الهيدروجين في الحمض مساوية لمولات أيونات الهيدروكسيل المضافة من القاعدة ، يصل المحلول إلى درجة حموضة محايدة.

لإجراء معايرة بالتحليل الحجمي الحمضي القاعدي ، تتم إضافة القاعدة القياسية ببطء إلى قارورة تحريك من الحمض غير المعروف باستخدام سحاحة ، مما يتيح قياس الحجم والإضافة المتساقطة للقاعدة. تتم مراقبة درجة الحموضة في المحلول عن كثب طوال فترة المعايرة باستخدام مؤشر الأس الهيدروجيني المضاف إلى الحمض. عادة ، يتم استخدام الفينول فثالين حيث يظل المحلول عديم اللون حتى يصبح أساسيا ، ويتحول إلى اللون الوردي الفاتح.

عندما تقترب المعايرة بالتحليل الحجمي من نقطة التكافؤ ، وهي عندما تساوي مولات أيونات الهيدروجين مولات أيونات الهيدروكسيل المضافة ، يتغير لون مؤشر الأس الهيدروجيني مؤقتا بسبب زيادة أيونات الهيدروكسيل. عندما يتم تدوير القارورة ، يعود اللون الحمضي لمؤشر الأس الهيدروجيني. اكتملت المعايرة بالتحليل الحجمي ووصلت إلى نقطة النهاية عندما يغير فائض ضئيل من أيونات الهيدروكسيل المؤشر بشكل دائم إلى لونه الأساسي.

منحنى المعايرة بالتحليل الحجمي هو مخطط لدرجة الحوضة في محلول مقابل حجم القاعدة المعيارية المضافة. تقع نقطة التكافؤ عند نقطة انعطاف المنحنى، ويتم حسابها على أنها المشتق الثاني لمنحنى المعايرة بالتحليل الحجمي.

إذا كان الحمض متعدد البروتين ، فسيكون له نقاط تكافؤ متعددة ، واحدة لكل تفكك أيون الهيدروجين. الأس الهيدروجيني عند نقطة المنتصف إلى نقطة التكافؤ للأحماض أحادية البروتيك ، أو بين نقاط التكافؤ في حالة الأحماض متعددة البروتيك ، يساوي pK _a من الحمض.

المراجع

1. كوتز ، جي سي ، تريتشيل جونيور ، بي إم ، تاونسند ، جي آر (2012). الكيمياء والتفاعل الكيميائي. بلمونت ، كاليفورنيا: بروكس / كول ، Cengage Learning.
2. سيلبربيرج ، ماجستير (2009). الكيمياء: الطبيعة الجزيئية للمادة والتغيير. بوسطن ، ماساتشوستس: ماكجرو هيل.
3. هاريس ، العاصمة (2015). التحليل الكيميائي الكمي. نيويورك ، نيويورك: دبليو إتش فريمان وشركاه.

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.