15.9: Mieszanki Kwasów

Wartość pH roztworu zawierającego kwas można określić na podstawie jego stałej dysocjacji kwasu i początkowego stężenia. Jeżeli roztwór zawiera dwa różne kwasy, wówczas jego pH można określić za pomocą jednej z kilku metod, w zależności od względnej mocy kwasów i stałych ich dysocjacji.

Mieszanka mocnego kwasu i słabego kwasu

W mieszaninie mocnego kwasu i słabego kwasu, mocny kwas dysocjuje całkowicie i staje się źródłem prawie wszystkich jonów hydroniowych obecnych w roztworze. Słaby kwas wykazuje natomiast częściową dysocjację i wytwarza znikome stężenie jonów hydroniowych. Wysokie stężenie jonów hydroniowych wytwarzanych przez mocny kwas dodatkowo zmniejsza dysocjację słabego kwasu. Dzieje się tak, ponieważ zgodnie z zasadą Le Chateliera, „Kiedy układ chemiczny będący w równowadze zostaje zakłócony, przesuwa się w kierunku, który minimalizuje zaburzenie”. Nadmiar jonów hydroniowych wytwarzanych przez mocny kwas zakłóca równowagę i dlatego reakcja będzie przebiegać w odwrotnym kierunku, aż do ustalenia równowagi. Prowadzi to do zmniejszenia dysocjacji słabego kwasu. Z powodu tego spadku pH mieszaniny mocnego i słabego kwasu można obliczyć na podstawie stężenia samego mocnego kwasu. Na przykład pH mieszaniny o równym stężeniu kwasu chlorowodorowego (HCl), mocnego kwasu i kwasu mrówkowego (HCHO2), słabego kwasu, można określić na podstawie stężenia samego HCl. Jeżeli stężenie HCl w mieszaninie wynosi 0,0020 M, jej pH można obliczyć w następujący sposób.

W tym przypadku stężenie jonów hydroniowych wytwarzanych przez HCHO2 i autojonizacja wody są znikome i dlatego można je pominąć.

Mieszanina dwóch słabych kwasów o różnych stałych dysocjacji

W mieszaninie dwóch słabych kwasów o pH mieszaniny będzie decydował silniejszy kwas, jeśli jego stała dysocjacji jest znacznie wyższa niż słabszego kwasu. Na przykład w mieszaninie o równym stężeniu kwasu azotawego (HNO2) i kwasu podchlorawego (HClO) HNO2 będzie głównym wyznacznikiem pH mieszaniny, ponieważ jego Ka (4,6 × 10-4) jest około 10 000 razy większe wyższy niż Ka (2,9 × 10-8) HClO. Zgodnie z zasadą Le Chateliera, HClO wykazuje zmniejszoną dysocjację w obecności HNO2.

W mieszaninie mocnego kwasu i słabego kwasu mocny kwas dysocjuje całkowicie i znacznie zwiększa stężenie jonów hydroniowych, podczas gdy słaby kwas dysocjuje tylko częściowo. Podobnie w mieszaninie dwóch słabych kwasów kwas, kwas, który jest stosunkowo silniejszy, wytwarza więcej jonów hydroniowych niż słabszy kwas.

W obu przypadkach dysocjacja słabszego kwasu jest tłumiona, gdy znajduje się w obecności silniejszego kwasu. Zasada Le Châteliera wyjaśnia, że tworzenie jonów hydroniowych przez silniejszy kwas przesuwa równowagę w kierunku reagentów, zmniejszając w ten sposób dysocjację słabego kwasu.

Tak więc pH mieszaniny kwasów zależy głównie od stężenia silniejszego kwasu. Na przykład w mieszaninie zawierającej 0,15 molowego kwasu solnego i 0,30 molowego kwasu cyjanowodorowego, kwas solny - mocny kwas - wytwarza stężenie jonów hydroniowych 0,15 mola.

Natomiast kwas cyjanowodorowy – słaby kwas – dysocjuje tylko częściowo. Stężenie jonów hydroniowych wytwarzanych przez kwas cyjanowodorowy można obliczyć na podstawie jego stałej dysocjacji _kwasu, Ka, i tabeli ICE.

Początkowe stężenie jonów hydroniowych jest równe początkowemu stężeniu kwasu solnego, 0,15 mola, a początkowe stężenie jonów cyjankowych wynosi zero. Zmiana stężenia jonów hydroniowych i jonów cyjankowych jest oznaczona przez x.

Ponieważ x jest stosunkowo małą liczbą, 0,30 minus x można przybliżyć do 0,30, a 0,15 plus x można przybliżyć do 0,15 przy użyciu reguły 5%.

K_a dla kwasu cyjanowodorowego wynosi 4,9 × 10⁻¹⁰ i jest równe stężeniu jonów hydroniowych pomnożonemu stężeniu jonów cyjanku podzielonemu przez stężenie kwasu cyjanowodorowego.

Podstawienie wartości z tabeli ICE do wyrażenia K_a daje stężenie jonów hydroniowych wytwarzanych przez kwas cyjanowodorowy, które jest znikome w porównaniu ze stężeniem jonów hydroniowych wytwarzanych przez kwas solny.

pH można obliczyć, biorąc ujemny logarytm stężenia jonów hydroniowych: 0,15 mola. Dlatego pH mieszaniny zależy wyłącznie od stężenia kwasu solnego, mocnego kwasu.

Podobnie pH mieszaniny dwóch słabych kwasów obecnych w równych ilościach będzie przede wszystkim determinowane przez stężenie stosunkowo silniejszego kwasu.

Na przykład w mieszaninie kwasu fluorowodorowego i kwasu cyjanowodorowego kwas fluorowodorowy będzie głównym wyznacznikiem pH mieszaniny, ponieważ ma K_a 3,5 × 10⁻⁴, czyli prawie milion razy więcej niż K_a kwasu cyjanowodorowego.