पीओएच गणना – त्वरित समीक्षा

किसी विलयन के pOH को उक्त विलयन में मौजूद हाइड्रॉक्साइड आयनों के मोलर सांद्रण के आधार 10 लघुगणक के ऋणात्मक के रूप में परिभाषित किया जाता है , अर्थात:

जिस प्रकार pH किसी विलयन की अम्लता का माप है, उसी प्रकार pOH इसकी क्षारकता का माप है।

कभी-कभी यह भ्रमित करने वाला होता है कि पीओएच क्यों मौजूद है और इसका उपयोग क्यों किया जाता है, यदि पीएच स्केल पीओएच के समान जानकारी प्रदान करता है, यद्यपि अप्रत्यक्ष रूप से। दूसरे शब्दों में, ऐसी कोई जानकारी नहीं है जो पीओएच हमें दे सकती है जो हमें पहले से ही समाधान का पीएच नहीं देती है।

हालाँकि, ऐसी कई स्थितियाँ हैं जहाँ pH की गणना करने की तुलना में pOH की गणना करना आसान है। एक उदाहरण तब होता है जब हम मजबूत या कमजोर आधारों के समाधान तैयार करते हैं, और एक और अधिक कुख्यात तब होता है जब एक कमजोर आधार और उसके संयुग्मित एसिड के नमक से बफर समाधान तैयार करते हैं।

सामान्य तौर पर, जब भी हम एक बुनियादी समाधान की उपस्थिति में होते हैं, तो पीओएच की गणना अम्लीय समाधान के पीएच की गणना के समान तरीके से की जा सकती है, केवल हर जगह हाइड्रोनियम आयनों का आदान-प्रदान (एच 3 _ओ + ⁾ द्वारा हाइड्रॉक्साइड आयन (OH ^. ), pH द्वारा pOH, प्रबल या दुर्बल अम्ल द्वारा प्रबल या दुर्बल क्षार और अम्लता स्थिरांक (K _a ) द्वारा क्षारकता स्थिरांक (K _b ) द्वारा।

निम्नलिखित अनुभागों में, हम विभिन्न स्थितियों में और विभिन्न प्रकार के डेटा से pOH की गणना करने की प्रक्रिया का पता लगाएंगे। हालाँकि, पहले हम जलीय घोल में अम्ल-क्षार संतुलन से संबंधित मूलभूत अवधारणाओं की संक्षिप्त समीक्षा करेंगे।

पानी का आयनिक संतुलन

एक जलीय घोल की अम्लता या क्षारीयता दो कारकों द्वारा निर्धारित की जाती है: अम्ल या क्षार विलेय के रूप में कार्य करता है, और जल विलायक के रूप में कार्य करता है। जल अम्लता और क्षारकता की अवधारणा के सबसे महत्वपूर्ण भाग का प्रतिनिधित्व करता है और वास्तव में, यह निर्धारित करता है कि हम एक अम्लीय, बुनियादी और तटस्थ समाधान से क्या मतलब रखते हैं।

साथ ही, पानी वह है जो पीएच और पीओएच दोनों पैमानों को परिभाषित करता है, और यह ऐसा एसिड-बेस बैलेंस के लिए धन्यवाद करता है जो लगातार पानी के किसी भी नमूने में होता है, जिसमें एक पानी का अणु एसिड के रूप में कार्य करता है। जबकि दूसरा कार्य करता है आधार के रूप में:

चूँकि पानी खुद को प्रोटोनेट और हाइड्रोलाइज़ कर रहा है, इस प्रतिक्रिया को पानी की ऑटोप्रोटोलिसिस प्रतिक्रिया कहा जाता है। वैकल्पिक रूप से, इस समीकरण को सरल पृथक्करण के रूप में सरलीकृत रूप में लिखा जा सकता है:

यह प्रतिक्रिया एक प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया है जो तेजी से संतुलन तक पहुंचती है। इसलिए, इसमें एक संतुलन स्थिरांक जुड़ा हुआ है जिसे पानी के आयनिक उत्पाद का स्थिरांक या KW कहा जाता है _, और जो इसके द्वारा दिया जाता है

इस समीकरण के दोनों ओर आधार 10 का ऋणात्मक लघुगणक लेकर, लघुगणक के कुछ गुणों को लागू करते हुए, और pH और pOH की परिभाषाओं का प्रयोग करते हुए, यह समीकरण बन जाता है:

स्टोइकियोमेट्री द्वारा, शुद्ध पानी में (जिसे तटस्थ माना जाता है) प्रोटॉन (या हाइड्रोनियम आयनों) और हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता एक दूसरे के बराबर होती है और 10 -7 एम के बराबर होती है। एक अम्लीय समाधान ^में , हाइड्रोनियम आयनों की उच्च सांद्रता होती है, और एक बुनियादी समाधान में हाइड्रॉक्साइड आयनों की उच्च सांद्रता होती है। इन आंकड़ों के आधार पर, हम किसी विलयन की अम्लता और क्षारकता के बारे में निम्नलिखित निष्कर्ष पर पहुँच सकते हैं:

• एक तटस्थ समाधान में 7 का पीएच और पीओएच दोनों होता है।
• एक एसिड समाधान में पीएच <7 और पीओएच> 7 होता है।
• एक बुनियादी समाधान में पीएच> 7 और पीओएच <7 होता है।

अम्ल और क्षार की अवधारणा

किसी भी समाधान के पीओएच की गणना करने के लिए, हमें पहले यह निर्धारित करना होगा कि इसमें किस प्रकार के विलेय शामिल हैं। सामान्य तौर पर, हम तीन प्रकार के विलेय के बीच अंतर करेंगे:

• अम्लीय विलेय, या केवल अम्ल।
• मूल विलेय या आधार।
• तटस्थ विलेय

सादगी के लिए, हम ब्रोंस्टेड और लोरी की अम्ल और क्षार की अवधारणा का उपयोग करेंगे, जिसके अनुसार अम्ल कोई भी ऐसा पदार्थ है जो किसी दूसरे को प्रोटॉन देने में सक्षम है, और क्षार कोई भी पदार्थ है जो एक प्रोटॉन को स्वीकार करने में सक्षम है। दूसरी ओर, एक विलेय तब उदासीन होगा जब वह दोनों में से कोई भी काम करने में सक्षम नहीं होगा।

एसिड बेस संतुलन

अम्ल और क्षार की बात करते समय, अम्ल के दो वर्ग और क्षार के दो वर्ग के बीच अंतर करना भी आवश्यक है। दोनों या तो प्रबल अम्ल या क्षार या दुर्बल अम्ल या क्षार हो सकते हैं। दोनों के बीच का अंतर यह है कि, दूसरे मामले में, एक उत्क्रमणीय प्रतिक्रिया या अम्ल-क्षार संतुलन शामिल होता है, जबकि मजबूत अम्ल और क्षार के मामले में यह माना जाता है कि वे पूरी तरह से अलग हो जाते हैं या प्रतिक्रिया करते हैं (एक संतुलन स्थापित नहीं होता है)।

यह बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि किसी विलयन के pOH की गणना करते समय, यदि यह कमजोर अम्ल या क्षार के बारे में है, तो हमें एक रासायनिक संतुलन को हल करना चाहिए, जबकि, यदि वे मजबूत हैं, तो हम नहीं करते हैं।

प्रबल अम्लों और क्षारों के विलयनों के pOH की गणना

आइए सबसे सरल मामले से शुरू करें जो मजबूत अम्ल और क्षार के समाधान के pOH की गणना से मेल खाता है। समस्याओं को हल करने का एक सुसंगत तरीका बनाए रखने के लिए, हम अम्ल और क्षार के सभी मामलों में एक ICE तालिका (प्रारंभिक सांद्रता, परिवर्तन और संतुलन पर सांद्रता) का उपयोग करेंगे, यह स्पष्ट रूप से दिखाने के लिए कि अलग-अलग आयनों की सांद्रता कैसे बदलती है जब वे अलग-अलग होते हैं या हाइड्रोलाइज़ करते हैं। विलेय।

केस 1: मजबूत एसिड

एक मजबूत एसिड के समाधान के पीओएच की गणना करने के लिए, हम एसिड की मोलर सांद्रता और इसके पृथक्करण के समीकरण से शुरू करते हैं। अम्ल की प्रारंभिक सांद्रता के साथ, घोल में प्रोटॉन या हाइड्रोनियम आयनों की सांद्रता की गणना स्टोइकोमेट्री द्वारा की जाती है। इस एकाग्रता के साथ पीएच निर्धारित किया जाता है और फिर इसका उपयोग पिछले समीकरण के माध्यम से पीओएच की गणना के लिए किया जाता है।

उदाहरण 1: 10-4 मोलर हाइड्रोक्लोरिक अम्ल विलयन का pOH ज्ञात कीजिए।

हाइड्रोक्लोरिक एसिड, या एचसीएल, एक मजबूत एसिड है और इसकी पृथक्करण प्रतिक्रिया द्वारा दी गई है:

इस मामले में एचसीएल के लिए आईसीई तालिका होगी:

जैसा कि देखा जा सकता है, यह हाइड्रोनियम और क्लोराइड आयनों की शून्य सांद्रता से शुरू होता है। इसके बाद सभी एचसीएल पूरी तरह से अलग हो जाते हैं जिसके बाद हाइड्रोनियम आयन और क्लोराइड आयन दोनों के 10 ^-4 एम बनते हैं, ताकि संतुलन पर, कोई एचसीएल नहीं रहता है और हाइड्रोनियम आयन एकाग्रता 10 ^-4 मीटर है।

पीएच की परिभाषा का उपयोग करना:

अंत में, पीओएच की गणना पीएच को 14 से घटाकर की जाती है:

जैसा कि अपेक्षित था, विलयन का pOH 7 से अधिक है, जो इस तथ्य के अनुरूप है कि विलेय एक अम्ल है।

केस 2: मजबूत आधार

मजबूत आधारों के मामले में, प्रक्रिया थोड़ी अधिक प्रत्यक्ष होती है, क्योंकि आधार, जब भंग हो जाता है, सीधे हाइड्रॉक्साइड आयन उत्पन्न करता है। ये एक ICE टेबल की मदद से स्टोइकोमेट्री द्वारा निर्धारित किए जाते हैं, और अंत में सीधे pOH की गणना करने के लिए सूत्र लागू किया जाता है।

उदाहरण 2: 10-3 मोलर सोडियम हाइड्रॉक्साइड विलयन का pOH ज्ञात कीजिए।

सोडियम हाइड्रोक्साइड, या NaOH, एक मजबूत आधार है और इसकी हदबंदी प्रतिक्रिया द्वारा दी गई है:

इस मामले में NaOH के लिए ICE तालिका है:

फिर से, यह सोडियम और हाइड्रॉक्साइड आयनों की शून्य सांद्रता से शुरू होता है। तब सभी NaOH पूरी तरह से अलग हो जाते हैं क्योंकि यह एक मजबूत आधार है, जिसके बाद सोडियम आयनों और हाइड्रॉक्साइड आयनों के 10 ^{-3 M बनते हैं, ताकि एक बार संतुलन हो जाने पर, कोई NaOH शेष न रहे और हाइड्रॉक्साइड आयनों की सांद्रता 10 – 3} एम.

अब, pOH की परिभाषा का उपयोग करते हुए:

इस मामले में, पीओएच 7 से कम है, इस तथ्य से सहमत है कि यह एक आधार है।

केस 3: कमजोर अम्ल

कमजोर एसिड समाधान के पीओएच की गणना करने की सामान्य प्रक्रिया मजबूत एसिड के मामले में समान चरणों का पालन करती है, इस अंतर के साथ कि हाइड्रोनियम एकाग्रता सीधे आईसीई तालिका से प्राप्त नहीं की जा सकती है, क्योंकि हम नहीं जानते कि एसिड का कौन सा अंश संतुलन तक पहुँचने से पहले अलग हो जाता है।

उपरोक्त के आधार पर, उस प्रक्रिया में एक अतिरिक्त कदम शामिल किया जाना चाहिए जिसमें हाइड्रोनियम आयनों की अंतिम एकाग्रता को खोजने के लिए संतुलन को हल करना शामिल है। यह कमजोर अम्ल के पृथक्करण स्थिरांक का उपयोग करके किया जाता है।

उदाहरण 3: यह जानते हुए कि इसमें 1.75.10-5 का अम्ल पृथक्करण स्थिरांक है, 10-4 मोलर एसिटिक अम्ल विलयन का pOH निर्धारित करें।

एसिटिक एसिड एक कमजोर कार्बनिक अम्ल है और इसकी पृथक्करण प्रतिक्रिया निम्नलिखित रासायनिक संतुलन द्वारा दी जाती है:

निम्नलिखित आईसीई तालिका प्रारंभिक सांद्रता को अंतिम से संबंधित करती है। इस मामले में, चूँकि हम पहले से नहीं जानते हैं कि अम्ल वास्तव में कितना विघटित होता है, तो इसकी सांद्रता में परिवर्तन को एक अज्ञात (x) के रूप में व्यक्त किया जाना चाहिए।

अज्ञात, एक्स को खोजने के लिए, सभी प्रजातियों की सांद्रता के बीच संबंध का उपयोग करने के लिए पर्याप्त है, जो कि अम्लता स्थिरांक द्वारा दिया गया है:

इस समीकरण को फिर से लिखा जा सकता है:

जो एक द्विघात समीकरण है जिसे आसानी से द्विघात सूत्र का उपयोग करके या उचित कार्य के साथ वैज्ञानिक कैलकुलेटर का उपयोग करके हल किया जा सकता है। अम्लता स्थिरांक के मान को प्रतिस्थापित करने के बाद, इस समीकरण का हल है:

अब, हाइड्रोनियम आयनों की इस सांद्रता का उपयोग करके, हम pH और इसके साथ pOH की गणना करते हैं, जैसा कि हमने पहले किया था।

अंत में, पीओएच की गणना पीएच को 14 से घटाकर की जाती है:

इस मामले में ध्यान दें कि पीओएच एचसीएल के मामले की तुलना में कम अम्लीय है, भले ही दोनों एसिड एक ही एकाग्रता पर हों। ऐसा इसलिए क्योंकि यह एक दुर्बल अम्ल है जबकि दूसरा प्रबल अम्ल था।

केस 4: कमजोर नींव

कमजोर आधारों के पीओएच की गणना मजबूत आधारों और कमजोर एसिड के मामले में लागू होती है, अर्थात्, एक रासायनिक संतुलन को दूसरे के रूप में हल किया जाना चाहिए, लेकिन ओएच एकाग्रता सीधे प्राप्त की जाती है – और फिर पीओएच की ^गणना करें पहला।

^{उदाहरण 4: 10 -2} मोलर ऐनिलीन विलयन का pOH ज्ञात कीजिए , यह जानते हुए कि इसका क्षारकता स्थिरांक 7.4.10 ^-10 है ।

हम फिर से आधार पृथक्करण प्रतिक्रिया से शुरू करते हैं, लेकिन इस मामले में यह एक कमजोर आधार है इसलिए निम्नलिखित संतुलन स्थापित होता है:

सादगी के लिए, एनिलिन को एक सामान्य आधार बी के रूप में दर्शाया गया है। आईसीई तालिका पिछले मामले के समान रूप से भरी हुई है:

फिर से, अज्ञात एक्स मूलभूत स्थिरांक के माध्यम से पाया जाता है:

पहले की तरह, इस समीकरण को द्विघात समीकरण के रूप में फिर से लिखा जा सकता है:

जिसका समाधान है:

इस एकाग्रता से हम सीधे पीओएच की गणना कर सकते हैं:

यह एक क्षारीय या बुनियादी पीओएच मान है, जिसकी उम्मीद की जानी चाहिए क्योंकि यह एक अनिलिन समाधान है जो आधार है। हालांकि, यह ध्यान दिया जा सकता है कि इस तथ्य के बावजूद कि इस घोल में एनिलिन पिछले बुनियादी घोल में सोडियम हाइड्रॉक्साइड की तुलना में 100 गुना अधिक केंद्रित है, हाइड्रॉक्साइड आयनों की सांद्रता 365 गुना कम है, जो इस तथ्य का परिणाम है कि यह काफी कमजोर आधार है।

केस 5: बफर सिस्टम या पीएच बफर समाधान के पीओएच की गणना

बफर समाधान एक कमजोर एसिड और इसके संयुग्मित आधार के नमक या इसके संयुग्मित एसिड के नमक के साथ एक कमजोर आधार के मिश्रण होते हैं। दोनों ही मामलों में, पीएच और पीओएच की गणना हेंडरसन-हसलबल्च समीकरण का उपयोग करके की जा सकती है। इस समीकरण के दो रूप हैं जो इस बात पर निर्भर करता है कि यह एक कमजोर अम्ल है और इसका संयुग्म आधार है या एक कमजोर आधार और इसका संयुग्मित अम्ल है:

कमजोर एसिड / संयुग्म आधार बफर सिस्टम:

कमजोर आधार / संयुग्म एसिड बफर सिस्टम:

जहां पीकेए और पीकेबी क्रमश: ऋणात्मक आधार अम्लता और मूलता स्थिरांक के दस लघुगणक हैं।

उदाहरण 5: 0.5 एम एसिटिक एसिड और 0.3 एम सोडियम एसीटेट युक्त बफर समाधान का पीओएच निर्धारित करें, यह जानते हुए कि एसिटिक एसिड की अम्लता स्थिरांक 1.75.10 ^-5 है ।

यह प्रणाली अपने संयुग्म आधार के नमक के साथ एक कमजोर एसिड बफर से मेल खाती है, इसलिए इस मामले में पीएच की गणना करने के लिए हेंडरसन-हासेलबल्च समीकरण का पहला रूप उपयोग किया जाता है और उसके बाद ही पीओएच की गणना की जाती है। _{एसिड और नमक (सी एसिड} और सी _{साल्ट} ) की विश्लेषणात्मक सांद्रता को इन प्रजातियों की संबंधित सांद्रता के संतुलन के अच्छे अनुमान के रूप में लिया जा सकता है:

उदाहरण 6: यह जानते हुए कि अमोनिया का क्षारकता स्थिरांक 1.8.10 ^-5 है, 0.3 M अमोनिया और 0.5 M अमोनियम क्लोराइड युक्त बफर विलयन का pOH निर्धारित करें ।

यह पिछले वाले के विपरीत मामला है। यह बफर इसके संयुग्म एसिड के नमक के साथ कमजोर आधार से मेल खाता है। हेंडरसन-हसलबल्च समीकरण के दूसरे रूप का उपयोग करके, पीओएच सीधे निर्धारित किया जा सकता है:

संदर्भ

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