Tabla de Contenidos
pOH на разтвор се определя като отрицателна стойност от логаритъм при основа 10 на моларната концентрация на хидроксидни йони, присъстващи в споменатия разтвор , тоест:
Точно както pH е мярка за киселинността на разтвора, pOH е мярка за неговата основност.
Понякога е объркващо защо pOH съществува и защо се използва, ако pH скалата предоставя същата информация като pOH, макар и индиректно. С други думи, няма информация, която pOH може да ни даде, която вече да не ни дава рН на разтвор.
Въпреки това, има много ситуации, в които е по-лесно да се изчисли pOH, отколкото да се изчисли pH. Един пример възниква, когато приготвяме разтвори на силни или слаби основи, а друг още по-известен е, когато приготвяме буферни разтвори от слаба основа и сол на нейната спрегната киселина.
Като цяло, винаги когато сме в присъствието на основен разтвор, изчисляването на pOH може да се извърши по начин, аналогичен на изчисляването на pH на киселинен разтвор, като просто се обменят хидрониеви йони навсякъде (H 3 O + ) чрез хидроксидни йони (OH . ), рН чрез pOH, силна или слаба киселина чрез силна или слаба основа и константата на киселинност (K a ) чрез константата на основност (K b ).
В следващите раздели ще проучим процеса за изчисляване на pOH в различни ситуации и от различни типове данни. Въпреки това, първо ще направим кратък преглед на основните концепции, свързани с киселинно-алкалния баланс във воден разтвор.
Йонният баланс на водата
Киселинността или основността на водния разтвор се определя от два фактора: киселината или основата, действаща като разтворено вещество, и водата, действаща като разтворител. Водата представлява най-важната част от концепцията за киселинност и основност и всъщност определя какво имаме предвид под киселинен, основен и неутрален разтвор.
В същото време водата е тази, която определя както pH, така и pOH скалите и прави това благодарение на киселинно-алкалния баланс, който постоянно се среща във всяка проба от вода, в която една водна молекула действа като киселина. докато друга действа като основа:
Тъй като водата сама се протонира и хидролизира, тази реакция се нарича реакция на автопротолиза на водата. Алтернативно, това уравнение може да бъде написано в опростена форма като проста дисоциация:
Тази реакция е обратима реакция , която бързо достига равновесие. Следователно тя е свързана с равновесна константа, която се нарича константа на йонния продукт на водата или K W и която се дава от
Вземайки отрицателния логаритъм на основа 10 от двете страни на това уравнение, прилагайки някои свойства на логаритмите и използвайки дефинициите за pH и pOH, това уравнение става:
Стехиометрично, в чиста вода (която се счита за неутрална) концентрациите на протони (или хидрониеви йони) и хидроксид са равни една на друга и са на стойност 10 -7 М. В кисел разтвор има по-висока концентрация на хидрониеви йони, и в В основен разтвор има по-висока концентрация на хидроксидни йони. Въз основа на тези данни можем да стигнем до следните заключения относно киселинността и основността на даден разтвор:
- Неутралният разтвор има както pH, така и pOH 7.
- Киселинният разтвор има pH<7 и pOH>7 .
- Базичният разтвор има pH>7 и pOH<7 .
Концепцията за киселини и основи
За да изчислим pOH на всеки разтвор, първо трябва да определим какъв тип разтворени вещества съдържа. Като цяло ще правим разлика между три вида разтворени вещества:
- Киселинни разтворени вещества или просто киселини.
- Основни разтворени вещества или основи.
- неутрални разтворени вещества
За простота ще използваме концепцията на Брьонстед и Лоури за киселини и основи, според която киселина е всяко вещество, способно да отдаде протон на друго, а основа е всяко вещество, способно да приеме протон. От друга страна, разтвореното вещество ще бъде неутрално, когато не е в състояние да направи нито едно от двете неща.
киселинно-алкален баланс
Когато говорим за киселини и основи, също е необходимо да се прави разлика между два класа киселини и два класа основи. И двете могат да бъдат както силни киселини или основи, така и слаби киселини или основи. Разликата между двете е, че във втория случай има обратима реакция или киселинно-алкално равновесие, докато в случая на силни киселини и основи се приема, че те се дисоциират или реагират напълно (равновесие не се установява).
Това е от голямо значение, тъй като при изчисляване на рОН на разтвор, ако става дума за слаби киселини или основи, трябва да решим химично равновесие, докато, ако са силни, не го правим.
Изчисляване на pOH на разтвори на силни киселини и основи
Нека започнем с най-простия случай, който съответства на изчисляването на pOH на разтвори на силни киселини и основи. За да поддържаме последователен начин за решаване на проблемите, ще използваме ICE таблица (начални концентрации, промяна и концентрации при равновесие) във всички случаи на киселини и основи, за да покажем ясно как се променят концентрациите на различни йони, когато се дисоциират или хидролизират съответните разтворени вещества.
Случай 1: Силни киселини
За да изчислим pOH на разтвор на силна киселина, започваме от моларната концентрация на киселината и уравнението за нейната дисоциация. С първоначалната концентрация на киселината концентрацията на протони или хидрониеви йони в разтвора се изчислява чрез стехиометрия. С тази концентрация се определя pH и след това това се използва за изчисляване на pOH с помощта на предишното уравнение.
Пример 1: Определяне на рОН на 10-4 моларен разтвор на солна киселина.
Солната киселина или HCl е силна киселина и нейната реакция на дисоциация се дава от:
Таблицата ICE за HCl в този случай ще бъде:
| НС1 | H2O _ _ | H3O + _ _ | Cl – | |
| начални концентрации | 10 -4M _ | — | 0 | 0 |
| промяна | –10 -4M _ | — | +10 -4M _ | +10 -4M _ |
| Съсредоточете се върху баланса | 0 | — | 10 -4M _ | 10 -4M _ |
Както може да се види, започва от нулева концентрация на хидрониеви и хлоридни йони. Целият НС1 след това се дисоциира напълно, след което се образуват 10 -4 М както хидрониеви йони, така и хлоридни йони, така че при равновесие не остава HCl и концентрацията на хидрониеви йони е 10 -4 m.
Използване на определението за pH:
Накрая pOH се изчислява чрез изваждане на pH от 14:
Както се очаква, pOH на разтвора е по-голямо от 7, което е в съответствие с факта, че разтвореното вещество е киселина.
Случай 2: Силни основи
В случай на силни основи, процесът е малко по-директен, тъй като основата, когато се разтвори, директно генерира хидроксидни йони. Те се определят чрез стехиометрия с помощта на ICE таблица и накрая формулата се прилага за директно изчисляване на pOH.
Пример 2: Определяне на рОН на 10-3 моларен разтвор на натриев хидроксид.
Натриевият хидроксид или NaOH е силна основа и нейната реакция на дисоциация се дава от:
ICE таблицата за NaOH в този случай е:
| NaOH | Не + | о- _ | |
| начални концентрации | 10 -3M _ | 0 | 0 |
| промяна | –10 -3M _ | +10 -3M _ | +10 -3M _ |
| Съсредоточете се върху баланса | 0 | 10 -3M _ | 10 -3M _ |
Отново започва от нулева концентрация на натриеви и хидроксидни йони. Тогава целият NaOH се дисоциира напълно, тъй като е силна основа, след което се образуват 10 -3 М както натриеви йони, така и хидроксидни йони, така че след достигане на равновесие не остава NaOH и концентрацията на хидроксидни йони е 10 – 3 М.
Сега, използвайки дефиницията на pOH:
В този случай pOH е по-малко от 7, съгласен с факта, че е основа.
Случай 3: Слаби киселини
Общият процес за изчисляване на pOH на разтвор на слаба киселина следва същите стъпки, както в случая на силни киселини, с тази разлика, че не можем да получим концентрацията на хидроний директно от таблицата ICE, тъй като не знаем каква част от киселината дисоциира преди да се достигне равновесие.
Въз основа на горното, в процедурата трябва да се включи допълнителна стъпка, която се състои в решаване на равновесието за намиране на крайната концентрация на хидрониеви йони. Това се прави с помощта на константата на дисоциация на слабата киселина.
Пример 3: Определете pOH на 10-4 моларен разтвор на оцетна киселина, като знаете, че той има константа на киселинна дисоциация 1,75,10-5.
Оцетната киселина е слаба органична киселина и нейната реакция на дисоциация се определя от следното химично равновесие:
Следващата ICE таблица свързва началните концентрации с крайните. В този случай, тъй като не знаем предварително колко киселина действително се дисоциира, тогава промяната в нейната концентрация трябва да се изрази като неизвестно (x).
| hac | H2O _ _ | H3O + _ _ | AC – | |
| начални концентрации | 10 -4M _ | — | 0 | 0 |
| промяна | -Х | — | +X | +X |
| Съсредоточете се върху баланса | 10 -4 –X | — | х | х |
За да се намери неизвестното, X, е достатъчно да се използва връзката между концентрациите на всички видове в равновесие, която се дава от константата на киселинността:
Това уравнение може да бъде пренаписано като:
което е квадратно уравнение, което може лесно да се реши с помощта на квадратната формула или с помощта на научен калкулатор със съответната функция. Решението на това уравнение, след заместване на стойността на киселинната константа, е:
Сега, използвайки тази концентрация на хидрониеви йони, изчисляваме рН и с него рОН, както направихме преди.
Накрая pOH се изчислява чрез изваждане на pH от 14:
Забележете в този случай, че pOH е по-малко киселинна, отколкото в случая на HCl, въпреки че и двете киселини са с еднаква концентрация. Това е така, защото това е слаба киселина, докато другата е силна.
Случай 4: Слаби основи
Изчисляването на pOH на слаби основи съчетава това, което се прилага в случай на силни основи и слаби киселини, а именно трябва да се установи химично равновесие, както във второто, но концентрацията на OH се получава директно – и след това се изчислява pOH, както в първият.
Пример 4: Определете pOH на 10 -2 моларен анилинов разтвор, като знаете, че той има константа на основност 7.4.10 -10 .
Отново започваме от реакцията на основна дисоциация, но в този случай това е слаба основа, така че се установява следното равновесие:
За простота анилинът е представен като обща основа B. Таблицата ICE се попълва аналогично на предишния случай:
| б. | H2O _ _ | BH + | о- _ | |
| начални концентрации | 10 -2M _ | — | 0 | 0 |
| промяна | -Х | — | +X | +X |
| Съсредоточете се върху баланса | 10 -2 –X | — | х | х |
Отново неизвестното X се намира с помощта на константата на основност:
Както преди, това уравнение може да бъде пренаписано като квадратно уравнение:
чието решение е:
С тази концентрация можем директно да изчислим pOH:
Това е алкална или основна стойност на pOH, което може да се очаква, като се има предвид, че това е анилинов разтвор, който е основа. Въпреки това може да се отбележи, че въпреки факта, че анилинът в този разтвор е 100 пъти по-концентриран от натриевия хидроксид в предишния основен разтвор, концентрацията на хидроксидните йони е 365 пъти по-малка, което е следствие от факта, че това е доста слаба база.
Случай 5: Изчисляване на pOH на буферна система или pH буферен разтвор
Буферните разтвори са смеси от слаба киселина и сол на нейната спрегната основа или на слаба основа със сол на нейната спрегната киселина. И в двата случая pH и pOH могат да бъдат изчислени с помощта на уравнението на Henderson-Hasselbalch. Това уравнение има две форми в зависимост от това дали е слаба киселина и нейната спрегната основа или слаба основа и нейната спрегната киселина:
Буферна система със слаба киселина/конюгирана основа:
Буферна система със слаба основа/конюгирана киселина:
където pKa и pKb са съответно отрицателните основни десет логаритъма на константата на киселинност и основност.
Пример 5: Определете рОН на буферен разтвор, съдържащ 0,5 М оцетна киселина и 0,3 М натриев ацетат, като знаете, че киселинната константа на оцетната киселина е 1,75,10 -5 .
Тази система съответства на буфер със слаба киселина със сол на неговата конюгирана основа, така че в този случай първата форма на уравнението на Хендерсън-Хаселбалх се използва за изчисляване на рН и едва след това се изчислява рОН. Аналитичните концентрации на киселината и солта (C киселина и C сол ) могат да се приемат като добри приближения на съответните концентрации на тези видове при равновесие:
Пример 6: Определете рОН на буферен разтвор, съдържащ 0,3 М амоняк и 0,5 М амониев хлорид, като знаете, че основната константа на амоняка е 1.8.10 -5 .
Това е обратният случай на предишния. Този буфер съответства на слаба основа със сол на нейната спрегната киселина. Използвайки втората форма на уравнението на Хендерсън-Хаселбалх, pOH може да бъде директно определено:
Препратки
corrosionpedia. (2018, 5 ноември). рН. Извлечено от https://www.corrosionpedia.com/definition/895/poh
Браун, Т. (2021). Химия: Централната наука (11-то издание). Лондон, Англия: Pearson Education.
Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: MCGRAW-HILL.
Covington, AK (1985, 1 януари). Дефиниция на pH скали, стандартни референтни стойности, измерване на pH и свързана терминология (Препоръки 1984). Извлечено от https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/pac198557030531/html
Хелменстин, А. (2021 г., 5 август). Какво е pOH? Определение и изчисляване. Извлечено от https://sciencenotes.org/what-is-poh-definition-and-calculation/
