15.11: Oznaczanie pH roztworów soli

Odczyn roztworu soli zależy od jej składników – anionów i kationów. Sole zawierające aniony o neutralnym pH i kationy wytwarzające jony hydroniowe tworzą roztwór o pH mniejszym niż 7. Na przykład w roztworze azotanu amonu (NH4NO3) jony NO3- nie reagują z wodą, podczas gdy jony NH4+ wytwarzają jony hydroniowe, w wyniku czego powstał kwaśny roztwór. Natomiast sole zawierające kationy o neutralnym pH i aniony wytwarzające jony wodorotlenkowe tworzą roztwór o pH większym niż 7. Na przykład w roztworze fluorku sodu (NaF) Na+ ma neutralne pH, ale F- wytwarza jony wodorotlenkowe i tworzy roztwór zasadowy. Przeciwjony mocnego kwasu lub zasady mają neutralne pH, a sole utworzone przez takie przeciwjony tworzą obojętny roztwór o pH równym 7. Na przykład w KBr kation K+ jest obojętny i nie wpływa na pH. Jon bromkowy jest sprzężoną zasadą mocnego kwasu, a zatem ma znikomą siłę zasady (brak zauważalnej jonizacji zasady). Rozwiązanie jest neutralne.

Niektóre sole zawierają zarówno kation kwasowy, jak i anion zasadowy. Ogólną kwasowość lub zasadowość roztworu określa się na podstawie względnej siły kationu i anionu, którą można porównać za pomocą Ka i Kb. Na przykład w NH4F jon NH4+ ma charakter kwasowy, a jon F− jest zasadowy (sprzężona zasada słabego kwasu HF). Porównując dwie stałe jonizacji: Ka NH4+ wynosi 5,6 × 10−10, a Kb F− wynosi 1,6 × 10−11, więc roztwór jest kwaśny, ponieważ Ka > Kb.

Obliczanie pH kwaśnego roztworu soli

Anilina to amina stosowana do produkcji barwników. Wydziela się go w postaci chlorku aniliny, [C6H5NH3+]Cl, soli otrzymywanej w reakcji słabej zasady aniliny i kwasu chlorowodorowego. Jakie jest pH 0,233 M roztworu chlorku aniliny?

Ka dla jonu anilinowego pochodzi od Kb dla jego koniugatu zasady, aniliny:

Na podstawie dostarczonych informacji przygotowywana jest tabela ICE dla tego systemu:

Podstawienie tych warunków stężenia równowagowego do wyrażenia Ka daje

Zakładając, że x << 0,233, równanie zostaje uproszczone i rozwiązane dla x:

Tabela ICE definiuje x jako molarność jonu hydroniowego, dlatego pH oblicza się jako

Hydroliza [Al(H2O)6]3+

Oblicz pH 0,10 M roztworu chlorku glinu, który rozpuszcza się całkowicie i daje w roztworze uwodniony jon glinu [Al(H2O)6]3+.

Równanie reakcji i Ka to:

Tabela ICE z podanymi informacjami to

Podstawiając wyrażenia dotyczące stężeń równowagowych do równania na stałą jonizacji otrzymuje się:

Zakładając x << 0,10 i rozwiązując uproszczone równanie otrzymujemy:

W tabeli ICE zdefiniowano x jako równe stężeniu jonów hydroniowych, dlatego obliczono pH na 2,92, a roztwór jest kwaśny.

Roztwory soli mogą być kwaśne, zasadowe lub obojętne. Poszczególne jony można zbadać, aby określić, czy pH jego roztworu będzie poniżej, powyżej lub równe siedmiu.

Sole zawierające kationy i aniony o neutralnym pH tworzą obojętne roztwory. Sole te składają się z przeciwjonów mocnego kwasu i mocnej zasady. Czysty wodny roztwór azotanu potasu będzie miał pH 7, ponieważ ani potas, ani azotan nie mają właściwości kwaśnych ani zasadowych.

Sole, które zawierają kation, który jest przeciwjonem słabej zasady i anion, który jest przeciwjonem mocnego kwasu, będą miały pH mniejsze niż 7. W roztworze bromku amonu jony bromkowe mają pH neutralne, podczas gdy jony amonowe są kwaśne i oddają protony cząsteczkom wody.

Sole zawierające kation, który jest przeciwjonem mocnej zasady i anion, który jest przeciwjonem słabego kwasu, będą miały pH większe niż 7. W roztworze octanu sodu jony sodu mają pH neutralne, podczas gdy jony octanowe są zasadowe i przyjmują protony z cząsteczek wody.

Niektóre sole zawierają kation i anion, które są przeciwjonami odpowiednio słabego kwasu i słabej zasady. Roztwór będzie kwaśny, jeśli K_a kationu jest większe niż K_b anionu; zasadowy, jeżeli K_b anionu jest większy niż K_a kationu; lub neutralny, jeśli K_a i K_b są równe.

W roztworze azotynu amonu K_a dla amonu jest wyższe niż K_b dla jonów azotynowych, dlatego roztwór będzie kwaśny.

Dokładne pH roztworu soli zawierającego jon kwasowy lub zasadowy można określić za pomocą stałej dysocjacji sprzężonego kwasu lub zasady tego jonu.

pH 0,35 M cyjanku sodu można oznaczyć, obliczając K_b cyjanku z K_a jego sprzężonego kwasu - kwasu cyjanowodorowego - i ustawiając tabelę ICE w celu określenia stężenia równowagowego.

Ponieważ kationy sodu nie reagują z wodą, nie wpływają na pH i można je pominąć. Natomiast jony cyjankowe przyjmują protony z cząsteczek wody i generują jony wodorotlenkowe.

K_b dla jonów cyjankowych można wyznaczyć za pomocą równania: K_a × K_b = K_W. Ponieważ K_a dla kwasu cyjanowodorowego wynosi 4,90 × 10⁻¹⁰, K_b dla jonów cyjankowych wynosi 2,04 × 10⁻⁵.

K_b jest równe stężeniu kwasu cyjanowodorowego pomnożonemu stężeniu jonów wodorotlenkowych podzielonemu przez stężenie jonów cyjanku.

Tabelę ICE można skonstruować w celu wyrażenia stężeń początkowych i równowagowych. Podstawiając stężenia równowagowe do wyrażenia, K_b równa się x razy x podzielone przez 0,35, co można później zweryfikować za pomocą reguły 5%.

Po rozwiązaniu równania x równa się 2,7 × 10⁻³ molowemu. Ponieważ x wynosi tylko 0,77% z 0,35 M, prawidłowe jest przybliżenie 0,35 minus x równe 0,35.

pH roztworu można obliczyć, przyjmując ujemny log 2,7 × 10⁻³ M, co równa się 2,57.

pH roztworu określa się za pomocą równania pH plus pOH jest równe 14, dlatego pH tego roztworu cyjanku sodu wynosi 11,43.