15.7
תרכובות מסוימות מייצרות יוני הידרוקסיד כשהן מומסות על ידי תגובה כימית עם מולקולות מים. בכל המקרים, תרכובות אלו מגיבות רק באופן חלקי ולכן מסווגות כבסיס…
בסיס חלש, כמו אמוניה, הוא בסיס ברונסטד שמקבל פרוטון ממים כדי לייצר יון הידרוקסיד. בסיס חלש מגיב באופן חלקי עם מים בהתאם לקבוע פירוק הבסיס, Kb, שהוא 10⁻⁵×1.76 עבור אמוניה. ניתן לבטא את ה-Kb באמוניה כמכפלה של ריכוז יוני אמוניום וריכוז יוני הידרוקסיד המחולקת בריכוז האמוניה בשיווי משקל.
Kb יכול לסייע לקבוע את ריכוז יוני ההידרוקסיד בתמיסת בסיס חלש ובהתאם לכך לקבוע את ערכי pOH ו-pH. ריכוז יוני הידרוקסיד ו-pH של תמיסת אמוניה 0.23 מולר יכול להימצא על ידי שימוש בקבוע פירוק הבסיס ועל ידי הכנה של טבלת ICE הכוללת את הריכוזים ההתחלתיים וריכוזי שיווי המשקל של אמוניה, יוני אמוניום ויוני הידרוקסיד. הצבת ריכוזי שיווי המשקל בביטוי עבור Kb, Kb שווה x כפול x חלקי 0.23 פחות x.
בעוד בסיס חלש מקיים פירוק חלקי, 0.23 פחות x יכול להיחשב לכ-0.23 בקירוב. כשפותרים את המשוואה, עולה כי x שווה 2 כפול 10 בחזקת מינוס 3 מולר. הקירוב ש0.23 פחות x שווה ל-0.23 תקף כאן, מכיוון שריכוז יוני ההידרוקסיד הוא רק 0.86%מ-0.23 מולר.
על מנת לחשב את ה-pH של תמיסה זו, ראשית מצאו את ה-pOH על ידי הלוג השלילי של ריכוז יוני ההידרוקסיד, השווה 2.70. ה-pH יכול להיקבע על ידי שימוש בנוסחה:pH pOH 14 ומחושב כ-11.30. ניתן לחשב Kb של תמיסת בסיס חלש אם ה-pH של תמיסת הבסיס החלש ידוע.
מתילאמין הוא בסיס חלש שמתפרק במים באופן חלקי ליוני מתילאמוניום וליוני הידרוקסיד. ניתן לבטא את הKb של מתילאמין כריכוז יוני מתילאמיניום כפול ריכוז יוני הידרוקסיד חלקי ריכוז המתילאמין בשיווי משקל. על מנת לחשב את ה-Kb של תמיסת מתילאמין 0.040 מולר עם pH של 11.6, ראשית יש לחשב את ה-pOH בתמיסה ולאחר מכן את ריכוז יוני ההידרוקסיד בה.
כשה-pH הוא 11.60, ה-pOH הוא 2.40 וריכוז יוני ההידרוקסיד הוא 4.0 כפול 10 בחזקת מינוס 3. ניתן לבנות טבלת ICE באמצעות הריכוזים ההתחלתיים ובזמן שיווי משקל של המתילאמין, מתילאמוניום והידרוקסיד. הצבת ריכוזי שיווי המשקל בביטוי עבור Kb נותנת את ערך ה-Kb, שהוא 4.4 כפול 10 בחזקת מינוס 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.