ריכוזי חומצה ובסיס

חומצות ובסיסים

חומצת ארניוס מייצרת יוני מימן כאשר היא מומסת במים:

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

כאן, HA היא החומצה הלא מנותקת, H⁺ היא קטיון המימן, ו-A^- היא האניון המומס - הנקרא הבסיס המצומד. בסיס ארניוס מייצר יוני הידרוקסיד כאשר הם מומסים במים:

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

כאן, BOH הוא הבסיס הלא מנותק, OH- הוא יון הידרוקסיד, ו- B⁺ הוא הקטיון המומס - הנקרא חומצה מצומדת. בסיס מצומד נוצר כאשר חומצה מאבדת יון מימן ויש לה פוטנציאל להשיג מימן. הדבר נכון גם לגבי חומצה מצומדת, אשר נוצרת כאשר בסיס מאבד קבוצת הידרוקסיל ויש לו פוטנציאל להחזיר אותו. לכל חומצה יש בסיס מצומד, ולכל בסיס יש חומצה מצומדת.

pH

pH הוא מידת החומציות של התמיסה והוא מדד לכמות יוני המימן בתמיסה. סולם החומציות הוא לוגריתמי ונע בין 0 ל-14; תמיסות מימיות עם pH מתחת ל-7 מתוארות כחומציות, ותמיסות מימיות עם pH מעל 7 מתוארות כבסיסיות או בסיסיות. פתרונות ב- pH 7 נחשבים ניטרליים.

ה- pH של תמיסה שווה לבסיס הלוג השלילי עשר מריכוז יוני המימן בתמיסה.

מים מקיימים אינטראקציה חזקה עם יון המימן מכיוון שהמטען החיובי החזק שלהם מושך את הקוטב השלילי של מולקולות המים הסובבות אותו. למעשה, הם מתקשרים כל כך חזק שהם יוצרים קשר קוולנטי ואת קטיון H₃O⁺, שנקרא הידרוניום. המשוואה לעיל משוכתבת כדי לשקף זאת.

לשם הפשטות, נתייחס לריכוז יוני מימן במקום יוני הידרוניום כאשר נדון ב- pH. ככל שערך ה- pH של התמיסה נמוך יותר, כך קיימים יותר יוני מימן, ובהרחבה, כך התמיסה חומצית יותר. לדוגמה, ה- pH של 1 mM של חומצה גופרתית הוא 2.75, ואילו ה- pH של 1 mM של הידרוכלורית הוא 3.01. ריכוז יוני המימן בתמיסת החומצה הגופרתית מחושב כ- 1 × ^10-2.75, ואילו ריכוז יוני המימן בתמיסת החומצה ההידרוכלורית הוא 1 × ^10-3.01. לכן, יש יותר יוני מימן נוכחים חומצה גופרתית, וזה חומצי יותר. זכרו, למרות שה-pH של שתי תמיסות עשוי להשתנות בחצי ערך pH בלבד, בשל האופי הלוגריתמי של סולם ה-pH, כמות המימן משתנה מאוד.

חוזק חומצות ובסיסים

חוזקה של חומצה מושפע מהאלקטרושליליות של הבסיס המצומד ומהקוטביות של המימן החומצי. חוזק, אם כן, מתייחס לקלות שבה קטיון המימן (H⁺) מתנתק מהאניון. חומצות ובסיסים חזקים מתנתקים לחלוטין בתמיסות מימיות, בעוד שחומצות ובסיסים חלשים מתנתקים רק באופן חלקי לתוך היונים המצומדים שלהם.

קבוע הדיסוציאציה, K_a, מייצג את חוזק החומצה. K_a מחושב באמצעות ריכוזי החומצה הלא מנותקת HA, וריכוזי קטיוני המימן והבסיס המצומד, A^-. ערכי K_a גבוהים יותר מייצגים חומצות חזקות יותר, בעוד שערכי K_a קטנים יותר מייצגים חומצות חלשות יותר.

K_a הוא קטן מאוד מבחינה מספרית, והוא מדווח לעתים קרובות בצורה של pK_a, שהוא בסיס היומן השלילי עשר של K_a. ערכי_{pK a} נמוכים יותר מתאימים לחומצה חזקה יותר, בעוד שערכי pK_a גבוהים יותר מתאימים לחומצה חלשה יותר.

חומצות מסוימות מנתקות רק יון מימן אחד ולכן יש להן pK_{אחד ערך}. חומצות אלה נקראות מונופרוטיות. עם זאת, חומצות מסוימות יכולות לנתק יותר מיון מימן אחד והן נקראות פוליפרוטיות. לחומצות אלה יש pK_{ערך עבור} כל דיסוציאציה של יון מימן.

pK_a יכול לשמש גם לחישוב שיווי משקל pH של תגובת בסיס חומצה, כפי שמוצג במשוואת הנדרסון-האסלבלך.

משוואת הנדרסון-האסלבלך משמשת לחישוב pH, כאשר הריכוזים של הבסיס המצומד והחומצה החלשה ידועים, או לחישוב pK_a אם ה-pH והריכוזים ידועים.

טיטרציה

תגובות חומצה-בסיס נחקרות כמותית באמצעות טיטרציה. בניסוי טיטרציה, תמיסה של ריכוז ידוע, הנקראת תמיסה סטנדרטית, משמשת לקביעת הריכוז של תמיסה אחרת. עבור טיטרציות בסיס חומצה, תמיסה סטנדרטית של בסיס מתווספת לאט לחומצה בריכוז לא ידוע (או שהחומצה מתווספת לבסיס). תגובת חומצה-בסיס היא תגובת נטרול, היוצרת מלח ומים. כאשר השומות של יוני המימן בחומצה שוות לשומות של יוני הידרוקסיל שנוספו מהבסיס, התמיסה מגיעה ל- pH ניטרלי.

כדי לבצע טיטרציה של בסיס חומצה, הבסיס הסטנדרטי מתווסף לאט לבקבוק ערבוב של החומצה הלא ידועה באמצעות בורט, המאפשר מדידת נפח והוספה טיפתית של בסיס. ה- pH של התמיסה מנוטר מקרוב לאורך הטיטרציה באמצעות מחוון pH שנוסף לחומצה. בדרך כלל, פנולפטלין משמש כמו הפתרון נשאר חסר צבע עד שהוא הופך בסיסי, הופך ורוד בהיר.

כאשר הטיטרציה מתקרבת לנקודת השקילות, כלומר כאשר השומות של יוני מימן שוות לשומות של יוני הידרוקסיל שנוספו, מחוון ה- pH משנה את צבעו באופן זמני עקב עודף יוני הידרוקסיל. כאשר הבקבוק מסתחרר, הצבע החומצי של מחוון ה- pH חוזר. הטיטרציה הושלמה והגיעה לנקודת הסיום שלה כאשר עודף זעיר של יוני הידרוקסיל משנה את המחוון לצמיתות לצבעו הבסיסי.

עקומת הטיטרציה היא תרשים של ה- pH של פתרון לעומת נפח הבסיס הסטנדרטי שנוסף. נקודת השקילות ממוקמת בנקודת הנטייה של העקומה, והיא מחושבת כנגזרת השנייה של עקומת הטיטרציה.

אם חומצה היא פוליפרוטית, יהיו לה מספר נקודות שקילות, אחת לכל דיסוציאציה של יון מימן. ה- pH בנקודת האמצע לנקודת השקילות עבור חומצות מונופרוטיות, או בין נקודות שקילות במקרה של חומצות פוליפרוטיות, שווה ל- pK_a של החומצה.

הפניות

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). כימיה ותגובתיות כימית. בלמונט, קליפורניה: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. זילברברג, מ. (2009). כימיה: הטבע המולקולרי של חומר ושינוי. בוסטון, מסצ'וסטס: מקגרו-היל.
3. Harris, D.C. (2015). אנליזה כימית כמותית. ניו יורק, ניו יורק: W.H. Freeman and Company.

חומצת ארניוס היא חומר המייצר יוני מימן כאשר הוא מתמוסס במים, בעוד שבסיס מייצר יוני הידרוקסיד. יוני מימן מגיבים מיד עם מים ליצירת יוני הידרוניום, אך לשם הפשטות, נמשיך לחשוב עליהם כעל יוני מימן. תלוי בכמות יוני המימן או יוני ההידרוקסיד בתמיסה, הוא נחשב חומצי או בסיסי.

אנו מודדים את כמות החומציות או הבסיסיות באמצעות pH, המחושב כלוג השלילי של ריכוז יוני המימן. לכן, ערכי pH מתחת ל-7 הם חומציים, וערכי pH מעל 7 הם בסיסיים. pH 7 הוא ניטרלי.

חומצות ובסיסים מושווים גם על סמך חוזקם, השונה מה-pH שלהם. חוזקה של חומצה קשור לכמה בקלות יון המימן מתנתק מהאניון, הנקרא הבסיס המצומד. אותו רעיון נובע מבסיס בהתייחס ליון ההידרוקסיד והחומצה המצומדת שלו. אנו יכולים להקצות ערך לחוזק זה באמצעות קבוע דיסוציאציה של חומצה, או K_a.

K_a מוגדר באמצעות הריכוזים של החומצה הלא-דיסוציאטית ויוני המימן המנותקים והבסיס המצומד. לעתים קרובות ניתן לראות את הקשר הזה מיוצג כ-pK_a, שהוא פשוט היומן השלילי של K_a. ככל שה-pK_a קטן יותר, כך החומצה חזקה יותר.

חומצות מסוימות, כמו חומצה הידרוכלורית, הן מונופרוטיות, כלומר הן יכולות להפריד רק יון מימן אחד. חומצות פוליפרוטיות, כמו חומצה זרחתית, יכולות להפריד כמה יוני מימן. לכל דיסוציאציה יש pK_a משלה.

אז איך אנחנו יכולים לקבוע pK_a? דרך אחת היא לבצע טיטרציה על בסיס חומצה. טיטרציה מתבצעת על ידי הוספה איטית של תמיסה בריכוז ידוע לתמיסה בריכוז לא ידוע תוך התבוננות בתגובה ביניהם. במקרה זה, החומצה מגיבה עם הבסיס בתגובת נטרול ליצירת מלח ומים.

לכן, אם אנו רוצים למדוד את ריכוז יוני המימן בחומצה, אנו יכולים פשוט לטטר עם בסיס חזק עם ריכוז יוני הידרוקסיד ידוע עד שהחומצה מנוטרלת. כדי לבצע טיטרציה בצורה מדויקת, הבסיס צריך להיות סטנדרטי - כלומר אתה יודע את ריכוז יוני ההידרוקסיד המדויק. זה לא תמיד פשוט.

לדוגמה, NaOH, שבו תשתמשו בניסוי שלכם, הוא היגרוסקופי מאוד, כלומר הוא סופג מים מהאטמוספרה. זה קורה ל-NaOH גם כמוצק וגם בתמיסה. לכן, הריכוז האמיתי של תמיסת NaOH עשוי להיות נמוך ממה שהיית מצפה.

כדי לקבוע את הריכוז המדויק של NaOH, עלינו לבצע תחילה טיטרציה של חומצה-בסיס. לשם כך עליך להשתמש בבסיס כדי לטטר חומצה בריכוז ידוע. אשלגן מימן פתלט, KHP, היא חומצה לא היגרוסקופית, כך שנוכל לחשב במדויק את ריכוזה מהמסה שלה.

אנו יכולים לראות מתי הטיטרציה הושלמה - כלומר שהחומצה מנוטרלת - על ידי שימוש במדד pH כמו פנולפתלין. פנולפתלין הוא ניטרלי וחסר צבע בין pH 0 ל-pH 8.

ככל שה-pH עולה, שני יוני מימן מתנתקים. צורה אניונית זו היא ורודה. לכן, כאשר אנו מתחילים את הטיטרציה, תמיסת ה-KHP היא חומצית והפנולפתלין חסר צבע. ככל שאנו מוסיפים NaOH ויוני המימן מנוטרלים, ה-pH עולה.

בתגובה זו, התמיסה ניטרלית כאשר מעורבבים יחד כמויות שוות של חומצה ובסיס. לאחר מכן, תוספת של עוד קצת NaOH הופכת את ה-pH לבסיסי והתמיסה הופכת לוורודה. פעולה זו נקראת נקודת הקצה. אם אנו יודעים את השומות של KHP ואת נפח ה- NaOH המשמש לנטרולו, נוכל לחשב את הריכוז המדויק של הבסיס.

ברגע שיש לנו בסיס סטנדרטי, אנו יכולים לקבוע את ה-pK_a של חומצה על ידי טיטרציה של ריכוז ידוע של החומצה עם הבסיס הסטנדרטי שלנו תוך ניטור ה-pH. העלילה של pH לעומת נפח הבסיס שנוסף נקראת עקומת טיטרציה. העקומה בדרך כלל עוקבת אחר צורה S או סיגמואידית, כאשר נקודת ההטיה של החלק התלול ביותר של העקומה מציינת נקודת אקוויוולנטיות.

כאן, השומות של יוני הידרוקסיד ויוני מימן מנותקים שוות. בדומה ל-pK_a, נראה נקודת שקילות אחת לכל יון מימן מנותק. אז, לחומצה מונופרוטית יש רק נקודת שקילות אחת, ולחומצה טריפרוטית יש שלוש.

כאשר נבצע את הטיטרציה, נדע שעברנו את נקודת השקילות כאשר מחוון ה-pH בקושי הופך מחסר צבע לוורוד. זה נקרא נקודת קצה של טיטרציה. כמו כאשר אנו מתקנים את הבסיס, זה כאשר בתמיסה יש עודף קטן של יוני הידרוקסיד ולכן היא מעט בסיסית.

נקודת מפנה נוספת בגרף מתרחשת באמצע הדרך לנקודת האקוויוולנטיות. כאן, ריכוזי החומצות המנותקות והלא מנותקות שווים. לפיכך, ה-pH בנקודה זו שווה ל-pK_a. לכן, אם נבצע טיטרציה ונקבע את נפח נקודת האקוויוולנטיות, נוכל לחשב את pK_a כ-pH במחצית הנפח הזה.

במעבדה זו, תחילה תתקנן את הבסיס שלך ולאחר מכן תבצע טיטרציה באמצעות הבסיס הסטנדרטי הזה כדי לקבוע שני pK_a של חומצה פוליפרוטית.