pOH-laskenta – Pikakatsaus

Liuoksen pOH määritellään mainitussa liuoksessa olevien hydroksidi-ionien moolipitoisuuden 10 emäksen logaritmin negatiivisena arvona , eli:

Aivan kuten pH on liuoksen happamuuden mitta, pOH on sen emäksisyyden mitta.

Joskus on hämmentävää, miksi pOH on olemassa ja miksi sitä käytetään, jos pH-asteikko antaa saman tiedon kuin pOH, vaikkakin epäsuorasti. Toisin sanoen ei ole olemassa mitään tietoa, jota pOH voi antaa meille, joka ei jo anna meille liuoksen pH:ta.

On kuitenkin monia tilanteita, joissa on helpompi laskea pOH kuin laskea pH. Esimerkki tapahtuu, kun valmistamme liuoksia vahvoista tai heikoista emäksistä, ja toinen vielä pahamaineisempi on, kun valmistetaan puskuriliuoksia heikosta emäksestä ja sen konjugaattihapon suolasta.

Yleensä aina kun olemme emäksisen liuoksen läsnä ollessa, pOH:n laskenta voidaan suorittaa analogisella tavalla happaman liuoksen pH:n laskemiseen, yksinkertaisesti vaihtamalla hydroniumioneja kaikkialla (H ₃ O ⁺ ) hydroksidi-ionit (OH ^. ), pH pOH:lla, vahva tai heikko happo vahvalla tai heikolla emäksellä ja happamuusvakio (K _a ) emäksisyysvakiolla (K _b ).

Seuraavissa osioissa tutkimme pOH:n laskentaprosessia eri tilanteissa ja erityyppisistä tiedoista. Ensin kuitenkin teemme lyhyen katsauksen peruskäsitteisiin, jotka liittyvät happo-emästasapainoon vesiliuoksessa.

Veden ionitasapaino

Vesiliuoksen happamuuden tai emäksisyyden määrää kaksi tekijää: happo tai emäs, joka toimii liuenneena aineena, ja vesi, joka toimii liuottimena. Vesi edustaa happamuuden ja emäksisyyden käsitteen tärkeintä osaa ja itse asiassa määrää, mitä tarkoitamme happamalla, emäksisellä ja neutraalilla liuoksella.

Samanaikaisesti vesi määrittää sekä pH- että pOH-asteikon, ja se tekee tämän happo-emästasapainon ansiosta, joka esiintyy jatkuvasti missä tahansa vesinäytteessä, jossa vesimolekyyli toimii happona, kun taas toinen toimii pohjana:

Koska vesi protonoituu ja hydrolysoi itseään, tätä reaktiota kutsutaan veden autoprotolyysireaktioksi. Vaihtoehtoisesti tämä yhtälö voidaan kirjoittaa yksinkertaistetussa muodossa yksinkertaisena dissosiaationa:

Tämä reaktio on palautuva reaktio , joka saavuttaa nopeasti tasapainon. Siksi se on liittänyt tasapainovakion, jota kutsutaan veden ionituotteen vakioksi eli K _W , ja jonka antaa

Ottamalla emäksen 10 negatiivinen logaritmi tämän yhtälön molemmilta puolilta, soveltamalla joitain logaritmien ominaisuuksia ja käyttämällä pH:n ja pOH:n määritelmiä, tästä yhtälöstä tulee:

Stökiometrisesti puhtaassa vedessä (jota pidetään neutraalina) protonien (tai hydroniumionien) ja hydroksidin pitoisuudet ovat keskenään yhtä suuret ja arvoltaan 10 -7 M. Happamassa liuoksessa hydroniumionien pitoisuus on ^suurempi , ja emäksisessä liuoksessa on suurempi hydroksidi-ionien pitoisuus. Näiden tietojen perusteella voimme tehdä seuraavat johtopäätökset liuoksen happamuudesta ja emäksisyydestä:

• Neutraalilla liuoksella on sekä pH että pOH 7.
• Happaman liuoksen pH on < 7 ja pOH > 7.
• Emäksisellä liuoksella on pH>7 ja pOH<7 .

Happojen ja emästen käsite

Minkä tahansa liuoksen pOH:n laskemiseksi meidän on ensin määritettävä, minkä tyyppisiä liuenneita aineita se sisältää. Yleensä erotamme kolmen tyyppiset liuenneet aineet:

• Happamat liuenneet aineet tai yksinkertaisesti hapot.
• Emäksiset liuenneet aineet tai emäkset.
• neutraalit liuenneet aineet

Käytämme yksinkertaisuuden vuoksi Brønstedin ja Lowryn happo- ja emäskonseptia, jonka mukaan happo on mikä tahansa aine, joka pystyy luovuttamaan protonin toiselle, ja emäs mikä tahansa aine, joka pystyy vastaanottamaan protonin. Toisaalta liuennut aine on neutraali, kun se ei pysty tekemään kumpaakaan näistä kahdesta asiasta.

happo-emäs tasapaino

Kun puhutaan hapoista ja emäksistä, on myös tarpeen erottaa kaksi happoluokkaa ja kaksi emäsluokkaa. Molemmat voivat olla joko vahvoja happoja tai emäksiä tai heikkoja happoja tai emäksiä. Ero näiden kahden välillä on se, että toisessa tapauksessa kyseessä on palautuva reaktio tai happo-emäs-tasapaino, kun taas vahvojen happojen ja emästen tapauksessa oletetaan, että ne hajoavat tai reagoivat täydellisesti (tasapainoa ei saada aikaan).

Tällä on suuri merkitys, koska liuoksen pOH:ta laskettaessa, jos kyse on heikkoista hapoista tai emäksistä, meidän on ratkaistava kemiallinen tasapaino, kun taas, jos ne ovat vahvoja, emme.

Vahvojen happojen ja emästen liuosten pOH:n laskeminen

Aloitetaan yksinkertaisimmasta tapauksesta, joka vastaa vahvojen happojen ja emästen liuosten pOH:n laskemista. Säilyttääksemme johdonmukaisen tavan ratkaista ongelmia, käytämme ICE-taulukkoa (alkupitoisuudet, muutos ja pitoisuudet tasapainossa) kaikissa happojen ja emästen tapauksissa näyttääksemme selkeästi, kuinka eri ionien pitoisuudet muuttuvat, kun ne hajoavat tai hydrolysoivat vastaavia liuenneet aineet.

Tapaus 1: Vahvat hapot

Vahvan hapon liuoksen pOH:n laskemiseksi aloitamme hapon moolipitoisuudesta ja sen dissosiaatioyhtälöstä. Hapon alkupitoisuudella lasketaan protonien tai hydronium-ionien pitoisuus liuoksessa stoikiometrisesti. Tällä konsentraatiolla määritetään pH ja sen jälkeen lasketaan pOH edellisen yhtälön avulla.

Esimerkki 1: Määritä 10-4-molaarisen kloorivetyhappoliuoksen pOH.

Kloorivetyhappo tai HCl on vahva happo ja sen dissosiaatioreaktio saadaan:

ICE-taulukko HCl:lle olisi tässä tapauksessa:

Kuten voidaan nähdä, se alkaa hydronium- ja kloridi-ionien nollapitoisuudesta. Sitten kaikki HCl dissosioituu täydellisesti, minkä jälkeen muodostuu 10-4 ^M sekä hydronium-ioneja että kloridi-ioneja, niin että tasapainotilassa ei jää jäljelle HCl:a ja hydroniumionipitoisuus on 10-4 ^m .

Käyttämällä pH:n määritelmää:

Lopuksi pOH lasketaan vähentämällä pH arvosta 14:

Kuten odotettiin, liuoksen pOH on suurempi kuin 7, mikä on yhdenmukainen sen tosiasian kanssa, että liuennut aine on happo.

Tapaus 2: Vahvat pohjat

Vahvojen emästen tapauksessa prosessi on hieman suorempi, koska emäs muodostaa liuotessaan suoraan hydroksidi-ioneja. Nämä määritetään stoikiometrisesti ICE-taulukon avulla, ja lopuksi kaavaa sovelletaan pOH:n laskemiseen suoraan.

Esimerkki 2: Määritä 10-3-molaarisen natriumhydroksidiliuoksen pOH.

Natriumhydroksidi eli NaOH on vahva emäs ja sen dissosiaatioreaktio saadaan:

NaOH:n ICE-taulukko tässä tapauksessa on:

Jälleen se alkaa natrium- ja hydroksidi-ionien nollapitoisuudesta. Sitten kaikki NaOH dissosioituu täysin, koska se on vahva emäs, minkä jälkeen muodostuu 10 ^-3 M sekä natriumioneja että hydroksidi-ioneja, niin että kun tasapaino on saavutettu, NaOH:ta ei jää jäljelle ja hydroksidi-ionien pitoisuus on 10 ^{– 3} M.

Nyt käyttämällä pOH:n määritelmää:

Tässä tapauksessa pOH on alle 7, mikä on samaa mieltä siitä tosiasiasta, että se on emäs.

Tapaus 3: Heikot hapot

Yleinen menetelmä heikon hapon liuoksen pOH:n laskemiseksi noudattaa samoja vaiheita kuin vahvojen happojen tapauksessa sillä erolla, että emme voi saada hydroniumpitoisuutta suoraan ICE-taulukosta, koska emme tiedä, mikä hapon osuus hajoaa ennen kuin tasapaino saavutetaan.

Edellä esitetyn perusteella menettelyyn on sisällytettävä lisävaihe, joka koostuu tasapainotilan ratkaisemisesta hydronium-ionien lopullisen pitoisuuden löytämiseksi. Tämä tehdään käyttämällä heikon hapon dissosiaatiovakiota.

Esimerkki 3: Määritä 10-4-molaarisen etikkahappoliuoksen pOH tietäen, että sen happodissosiaatiovakio on 1,75,10-5.

Etikkahappo on heikko orgaaninen happo ja sen dissosiaatioreaktio saadaan seuraavasta kemiallisesta tasapainosta:

Seuraava ICE-taulukko yhdistää alkupitoisuudet lopullisiin pitoisuuksiin. Tässä tapauksessa, koska emme tiedä etukäteen, kuinka paljon happoa todellisuudessa dissosioituu, sen pitoisuuden muutos on ilmaistava tuntemattomana (x).

Tuntemattoman X:n löytämiseksi riittää, kun käytetään kaikkien lajien pitoisuuksien välistä suhdetta tasapainossa, joka saadaan happamuusvakiolla:

Tämä yhtälö voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:

joka on toisen asteen yhtälö, joka voidaan helposti ratkaista käyttämällä toisen asteen kaavaa tai käyttämällä tieteellistä laskinta, jossa on sopiva funktio. Tämän yhtälön ratkaisu happamuusvakion arvon korvaamisen jälkeen on:

Nyt käyttämällä tätä hydroniumionipitoisuutta laskemme pH:n ja tämän pOH:n, kuten teimme aiemmin.

Lopuksi pOH lasketaan vähentämällä pH arvosta 14:

Huomaa tässä tapauksessa, että pOH on vähemmän hapan kuin HCl:n tapauksessa, vaikka molemmat hapot ovat samassa pitoisuudessa. Tämä johtuu siitä, että tämä on heikko happo, kun taas toinen oli vahva.

Tapaus 4: Heikko perusta

Heikkojen emästen pOH:n laskennassa yhdistyy se, mitä käytetään vahvojen emästen ja heikkojen happojen tapauksessa, eli kemiallinen tasapaino on ratkaistava kuten toisessa, mutta OH-pitoisuus saadaan suoraan – ja laske sitten ^pOH kuten ensimmäinen.

^{Esimerkki 4: Määritä 10 -2-} molaarisen aniliiniliuoksen pOH tietäen, että sen emäksisyysvakio on 7,4,10 ^-10 .

Jälleen lähdetään emäksen dissosiaatioreaktiosta, mutta tässä tapauksessa se on heikko emäs, joten seuraava tasapaino syntyy:

Yksinkertaisuuden vuoksi aniliini esitetään yleisenä emäksenä B. ICE-taulukko täytetään edellisen tapauksen tapaan:

Jälleen tuntematon X löydetään emäksisyysvakion avulla:

Kuten aiemmin, tämä yhtälö voidaan kirjoittaa uudelleen toisen asteen yhtälöksi:

jonka ratkaisu on:

Tällä konsentraatiolla voimme suoraan laskea pOH:n:

Tämä on emäksinen tai emäksinen pOH-arvo, joka on odotettavissa, kun otetaan huomioon, että kyseessä on aniliiniliuos, joka on emäs. Voidaan kuitenkin todeta, että huolimatta siitä, että tämän liuoksen aniliini on 100 kertaa väkevämpi kuin edellisen emäksisen liuoksen natriumhydroksidi, hydroksidi-ionien pitoisuus on 365 kertaa pienempi, mikä johtuu siitä, että se on huomattavan heikko pohja.

Tapaus 5: Puskurijärjestelmän tai pH-puskuriliuoksen pOH:n laskenta

Puskuriliuokset ovat heikon hapon ja sen konjugaattiemäksen suolan tai heikon emäksen ja sen konjugaattihapon suolan seoksia. Molemmissa tapauksissa pH ja pOH voidaan laskea käyttämällä Henderson-Hasselbalchin yhtälöä. Tällä yhtälöllä on kaksi muotoa riippuen siitä, onko se heikko happo ja sen konjugaattiemäs vai heikko emäs ja sen konjugaattihappo:

Heikko happo/konjugaattiemäspuskurijärjestelmä:

Heikko emäs/konjugaattihappopuskurijärjestelmä:

jossa pKa ja pKb ovat vastaavasti happamuus- ja emäksisyysvakion negatiiviset kymmenen logaritmia.

Esimerkki 5: Määritä 0,5 M etikkahappoa ja 0,3 M natriumasetaattia sisältävän puskuriliuoksen pOH tietäen, että etikkahapon happamuusvakio on 1,75,10 ^-5 .

Tämä järjestelmä vastaa heikkoa happopuskuria sen konjugaattiemäksen suolalla, joten tässä tapauksessa käytetään Henderson-Hasselbalchin yhtälön ensimmäistä muotoa pH:n laskemiseen ja vasta sitten lasketaan pOH. Hapon ja suolan (C- _happo ja C- _suola ) analyyttiset pitoisuudet voidaan pitää hyvinä likiarvoina näiden lajien vastaavista pitoisuuksista tasapainotilassa:

Esimerkki 6: Määritä 0,3 M ammoniakkia ja 0,5 M ammoniumkloridia sisältävän puskuriliuoksen pOH tietäen, että ammoniakin emäksisyysvakio on 1,8,10 ^-5 .

Tämä on päinvastainen tapaus kuin edellinen. Tämä puskuri vastaa heikkoa emästä ja sen konjugaattihapon suolaa. Käyttämällä Henderson-Hasselbalchin yhtälön toista muotoa pOH voidaan määrittää suoraan:

Viitteet

korroosiopedia. (2018, 5. marraskuuta). pOH. Haettu osoitteesta https://www.corrosionpedia.com/definition/895/poh

Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11. painos). Lontoo, Englanti: Pearson Education.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS ja Herranz, ZR (2020). Kemia (10. painos). New York City, NY: MCGRAW-HILL.

Covington, AK (1985, 1. tammikuuta). pH-asteikkojen määrittely, standardiviitearvot, pH:n mittaus ja siihen liittyvä terminologia (Recommendations 1984). Haettu osoitteesta https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/pac198557030531/html

Helmenstine, A. (2021, 5. elokuuta). Mikä on pOH? Määritelmä ja laskeminen. Haettu osoitteesta https://sciencenotes.org/what-is-poh-definition-and-calculation/