15.7
تنتج بعض المركبات أيونات الهيدروكسيد عند إذابتها بالتفاعل الكيميائي مع جزيئات الماء. في جميع الحالات ، تتفاعل هذه المركبات جزئيًا فقط وبالتالي تُصنف ع…
القاعدة الضعيفة،مثل الأمونيا،هي من قواعد برونستيد،التي تستقبل بروتونًا من الماء لتنتج أيون الهيدروكسيد. تتفاعل القواعد الضعيفة جزئيًا مع الماء،وفقًا لثابت التفكك الأساسي لها Kb،وهو 1.76 10⁻⁵ للأمونيا. يمكن التعبير عن Kb للأمونيا،على أنه تركيز أيونات الأمونيوم مضروبًا في تركيز أيونات الهيدروكسيد وقسمة الناتج على تركيز الأمونيا،عند حالة التوازن.
يمكن استخدام Kb لتحديد تركيز أيونات الهيدروكسيد في محلول قاعدي ضعيف،وبالتالي،تحديد قيمة pOH و pH في المحلول. يمكن تحديد تركيز أيونات الهيدروكسيد وقيمة pH لـ 0.23 مولار من الأمونيا،باستخدام ثابت التفكك القاعدي لها،وبإعداد جدول مراقبة التغير ICE و يشمل القيم الأولية وقيم حالة التوازن لأيونات الأمونيا،وأيونات الأمونيوم وأيونات الهيدروكسيد. باستبدال تركيزات حالة التوازن في معادلة Kb،فإن Kb تساوي x مضروبة في x ويقسم الناتج على 0.23 ناقص x.
بما أن القواعد الضعيفة تُظهر تفككًا جزئيًا،يمكن اعتبار 0.23 ناقص x على أنها تساوي تقريبًا 0.23. عند حل المعادلة،تكون x تساوي 2 10-³ مولار. التقريب القائل إن 0.23 ناقص x يساوي 0.23،صحيح هنا،لأن تركيز أيونات الهيدروكسيد يساوي فقط 0.86%من 0.23 مولار.
لحساب قيمة pH لهذا المحلول،نحدد أولًا قيمة pOH بأخذ اللوغاريتم السالب لتركيز أيونات الهيدروكسيد،الذي يساوي 2.70. يمكن تحديد قيمة pH باستخدام الصيغة:pH زائد pOH تساوي 14 وتُحسب لتكون 11.30. يمكن حساب قيمة Kb لمحلول قاعدي ضعيف،إذا كانت قيمة pH للمحلول القاعدي الضعيف معروفة.
الميثيل أمين قاعدة ضعيفة تتفكك جزئيًا في الماء إلى أيونات ميثيل أمونيوم وأيونات هيدروكسيد. يمكن التعبير عن Kb لميثيل أمين على أنها تساوي تركيز أيونات الميثيل أمونيوم مضروبة في تركيز أيونات الهيدروكسيد ويُقسم الناتج على تركيز الميثيل أمين،عند حالة التوازن. لحساب Kb لمحلول المثيل أمين الذي تركيزه 0.040 مولار وقيمة pH فيه 11.6،بداية يجب أن تُحسب قيمة pOH وبعدها يُحسب تركيز أيونات الهيدروكسيد.
بما أن pH يساوي 11.60،تكون قيمة pOH تساوي 2.40،ويكون تركيز الهيدروكسيد 4.0 10-³. يمكن بناء جدول مراقبة التغير من التركيز الأولي والتركيز في حالة التوازن لكل من الميثيل أمين،والميثيل أمونيوم،والهيدروكسيد. باستبدال قيم التركيز عند حالة التوازن في معادلة Kb،ليعطي قيمة Kb،وهي 4.4 10-⁴.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a weak base and how does it differ from a strong base?
A weak base is a Brønsted base that accepts a proton from water to produce hydroxide ions, but reacts only partially with water. Unlike strong bases that completely dissociate, weak bases establish an equilibrium between the molecular form and ionized products. Ammonia is a common example, with only about 1% of dissolved ammonia present as ammonium ions under typical conditions.
Q2: How is the base dissociation constant used to calculate hydroxide ion concentration?
The base dissociation constant (Kb) expresses the ratio of product concentrations to reactant concentration at equilibrium. For ammonia, Kb = 1.76 × 10⁻⁵. By constructing an ICE table with initial and equilibrium concentrations, you substitute values into the Kb expression to solve for hydroxide ion concentration, which then determines pOH and pH of the solution.
Q3: What is the ICE table method and why is it useful for weak base problems?
The ICE table tracks Initial, Change, and Equilibrium concentrations of all species in a weak base equilibrium. It organizes data systematically, showing how concentrations shift from initial values to equilibrium. This method simplifies substitution into the Kb expression and helps identify which concentrations to use when calculating hydroxide ion concentration and subsequent pH values.
Q4: How do you calculate pH from pOH in a weak base solution?
First, calculate pOH by taking the negative logarithm of hydroxide ion concentration. Then use the relationship pH + pOH = 14 to find pH. For example, a 0.23 M ammonia solution with hydroxide ion concentration of 2 × 10⁻³ M yields pOH of 2.70 and pH of 11.30, confirming the basic nature of the solution.
Q5: Can you determine Kb if you know the pH of a weak base solution?
Yes. Convert pH to pOH using pH + pOH = 14, then calculate hydroxide ion concentration from pOH. Construct an ICE table using the known initial concentration and calculated hydroxide ion concentration at equilibrium. Substitute these values into the Kb expression to solve for the base dissociation constant of the weak base.
Q6: Why is the approximation that x is negligible valid in weak base calculations?
Weak bases show partial dissociation, so the change in concentration (x) is typically very small compared to the initial concentration. The approximation is valid when x is less than 5% of the initial concentration. For ammonia, x = 2 × 10⁻³ M is only 0.86% of 0.23 M, justifying the simplification and making calculations manageable.
Q7: What are common applications of weak bases like ammonia?
Ammonia is produced globally in quantities exceeding 100 metric tons annually. It serves as an agricultural fertilizer, a raw material for chemical synthesis of other compounds, and an active ingredient in household cleaners. Its partial dissociation in water and resulting hydroxide ion production make it valuable across industrial, agricultural, and consumer applications.