15.9: תערובת של חומצות

The pH of a solution containing an acid can be determined using its acid dissociation constant and its initial concentration. If a solution contains two different acids, then its pH can be determined using one of several methods depending upon the relative strength of the acids and their dissociation constants.

A Mixture of a Strong Acid and a Weak Acid

In a mixture of a strong acid and a weak acid, the strong acid dissociates completely and becomes a source of almost all the hydronium ions present in the solution. In contrast, the weak acid shows partial dissociation and produces a negligible concentration of hydronium ions. The high concentration of hydronium ions produced by the strong acid further reduces the dissociation of the weak acid. This happens because, according to Le Chatelier’s principle – “When a chemical system at equilibrium is disturbed, the system shifts in a direction that minimizes the disturbance.” The excess hydronium ions produced by the strong acid disturbs the equilibrium, and thus the reaction will move in the reverse direction until the equilibrium is established. This leads to a decrease in the dissociation of the weak acid. Because of this decrease, a pH of a mixture of a strong and weak acid can be calculated from the concentration of the strong acid only. For example, the pH of a mixture with an equal concentration of hydrochloric acid (HCl), a strong acid, and formic acid (HCHO₂), a weak acid, can be determined from the concentration of HCl only. If the concentration of the HCl in the mixture is 0.0020 M, its pH can be calculated as follows.

Here, the concentration of hydronium ions produced by HCHO₂ and the autoionization of water is negligible and thus can be ignored.

A Mixture of Two Weak Acids with Different Dissociation Constants

In a mixture of two weak acids, the pH of a mixture will be determined by the stronger acid if its dissociation constant is significantly higher than the weaker acid. For example, in a mixture with an equal concentration of nitrous acid (HNO₂) and hypochlorous acid (HClO), the HNO₂ will be the main determinant of the pH of the mixture as its K_a (4.6 × 10⁻⁴) is approximately 10,000 times higher than the K_a (2.9 × 10⁻⁸) of HClO. According to Le Chatelier’s principle, HClO shows decreased dissociation in the presence of HNO₂.

בתערובת של חומצה חזקה וחומצה חלשה, החומצה החזקה מתפרקת לגמרי ומעלה במידה ניכרת את ריכוז יוני ההידרוניום, בעוד החומצה החלשה מתפרקת באופן חלקי. בדומה לכך, בתערובת של שתי חומצות חלשות, החומצה שהיא חזקה יותר באופן יחסי מפיקה יותר יוני הידרוניום מהחומצה החלשה יותר. בשני המקרים, פירוק החומצה החלשה יותר מדוכא כשהיא נמצאת בנוכחות של חומצה חזקה יותר.

עיקרון לה-שטלייה מסביר שהיווצרות יוני הידרוניום על ידי החומצה החזקה יותר משנה את שיווי המשקל לכיוון המגיבים, ובכך מקטין את פירוק החומצה החלשה. בהתאם לכך, ה-pH של תערובת חומצות נקבע בעיקר על ידי ריכוז החומצה החזקה יותר. לדוגמה, בתערובת הכוללת חומצה הידרוכלורית 0.15 מולר וחומצת מימן ציאנידי 0.30 מולר, חומצה הידרוכלורית, שהיא חומצה חזקה, מפיקה ריכוז יוני הידרוניום של 0.15 מולר.

לעומת זאת, חומצה המימן ציאנידי, שהיא חומצה חלשה, מתפרקת רק באופן חלקי. ניתן לחשב ריכוז יוני הידרוניום המופקים על ידי חומצת המימן ציאנידי באמצעות קבוע פירוק החומצה, Ka, וטבלת ICE. הריכוז ההתחלתי של יוני ההידרוניום שווה לריכוז ההתחלתי של חומצה הידרוכלורית, 0.15 מולר, והריכוז ההתחלתי של יוני ציאניד הוא אפס.

השינוי בריכוז של יוני הידרוניום ושל יוני ציאניד מסומן ב-x. בעוד x הוא מספר קטן יחסית, 0.30 פחות x הוא 0.30 בקירוב, ו-0.15 ועוד x הוא 0.15 בקירוב, לפי כלל ה-5%ה-Ka של חומצת מימן ציאנידי הוא 4.9 כפול 10 בחזקת מינוס 10 והוא שווה לריכוז יוני הידרוניום כפול ריכוז יוני הציאניד המחולקים בריכוז חומצה הידרוציאנית. הצבת הערכים מטבלת ה-ICE בביטוי עבר ה-Ka מניבה את ריכוז יוני ההידרוניום המופקים מחומצת מימן ציאנידי, שהוא זניח לעומת ריכוז יוני ההידרוניום המופקים מחומצה הידרוכלורית.

ניתן לחשב את ה-pH על בסיס הלוג השלילי של ריכוז יוני ההידרוניום, 0.15 מולר. לכן, ה-pH של התערובת נקבע על ידי ריכוז החומצה ההידרוכלורית, שהיא החומצה החזקה. בדומה לכך, ה-pH של תערובת של שתי חומצות חלשות הנוכחות בכמות שווה ייקבע בעיקר על ידי הריכוז של החומצה החזקה יותר באופן יחסי.

לדוגמה, בתערובת של חומצה הידרופלואורית וחומצת מימן ציאנידי, החומצה ההידרופלואורית תהיה הקובעת העיקרית של ה-pH של התערובת, משום שיש לה Ka של 3.5 כפול 10 בחזקת מינוס 4, שהוא כמעט פי מיליון יותר גבוה מערך Ka של חומצת מימן ציאנידי.