pOH-beregning – rask gjennomgang

pOH av en løsning er definert som det negative av base 10-logaritmen til den molare konsentrasjonen av hydroksidioner som er tilstede i nevnte løsning, det vil si:

Akkurat som pH er et mål på surheten til en løsning, er pOH et mål på dens basicitet.

Noen ganger er det forvirrende hvorfor pOH eksisterer og hvorfor det brukes, hvis pH-skalaen gir samme informasjon som pOH, om enn indirekte. Det er med andre ord ingen informasjon som pOH kan gi oss som ikke allerede gir oss pH til en løsning.

Imidlertid er det mange situasjoner hvor det er lettere å beregne pOH enn å beregne pH. Et eksempel oppstår når vi tilbereder løsninger av sterke eller svake baser, og et annet som er enda mer beryktet er når vi tilbereder bufferløsninger fra en svak base og et salt av dens konjugerte syre.

Generelt, når vi er i nærvær av en basisk løsning, kan beregningen av pOH utføres på en måte som er analog med beregningen av pH til en sur løsning, ved ganske enkelt å utveksle hydroniumioner overalt (H 3 O ₊ ) ^ved å hydroksydioner (OH ^. ), pH ved pOH, en sterk eller svak syre med en sterk eller svak base og surhetskonstanten (Ka ₎ ved basicitetskonstanten (K _b ).

I de følgende avsnittene vil vi utforske prosessen for å beregne pOH i forskjellige situasjoner og fra forskjellige typer data. Imidlertid vil vi først gjøre en kort gjennomgang av de grunnleggende konseptene knyttet til syre-basebalanse i vandig løsning.

Ionebalansen til vann

Surheten eller basiciteten til en vandig løsning bestemmes av to faktorer: syren eller basen som fungerer som det oppløste stoffet, og vannet som fungerer som løsningsmidlet. Vann representerer den viktigste delen av begrepet surhet og basiskhet og bestemmer faktisk hva vi mener med en sur, basisk og nøytral løsning.

Samtidig er vann det som definerer både pH- og pOH-skalaen, og det gjør det takket være en syre-base-balanse som hele tiden oppstår i enhver prøve av vann, der et vannmolekyl fungerer som syre mens et annet virker. som base:

Siden vannet protonerer og hydrolyserer seg selv, kalles denne reaksjonen autoprotolysereaksjonen til vann. Alternativt kan denne ligningen skrives i forenklet form som en enkel dissosiasjon:

Denne reaksjonen er en reversibel reaksjon som raskt når likevekt. Den har derfor assosiert med en likevektskonstant som kalles konstanten til det ioniske produktet av vann, eller K _W , og som er gitt av

Ved å ta den negative logaritmen til base 10 på begge sider av denne ligningen, bruke noen egenskaper til logaritmer og bruke definisjonene av pH og pOH, blir denne ligningen:

Ved støkiometri, i rent vann (som regnes som nøytralt) er konsentrasjonene av protoner (eller hydroniumioner) og hydroksyd lik hverandre og er verdt 10 -7 M. ^I en sur løsning er det en høyere konsentrasjon av hydroniumioner, og i I en basisk løsning er det en høyere konsentrasjon av hydroksidioner. Basert på disse dataene kan vi komme til følgende konklusjoner angående surheten og basiciteten til en løsning:

• En nøytral løsning har både en pH og en pOH på 7.
• En sur løsning har en pH<7 og en pOH>7.
• En basisk løsning har en pH>7 og en pOH <7.

Konseptet med syrer og baser

For å beregne pOH av en løsning, må vi først bestemme hvilken type oppløste stoffer den inneholder. Generelt vil vi skille mellom tre typer oppløste stoffer:

• Sure oppløste stoffer, eller ganske enkelt syrer.
• Grunnleggende oppløste stoffer eller baser.
• nøytrale oppløste stoffer

For enkelhets skyld vil vi bruke Brønsted og Lowrys begrep om syrer og baser, hvor en syre er et hvilket som helst stoff som er i stand til å donere et proton til et annet, og en base er et hvilket som helst stoff som er i stand til å akseptere et proton. På den annen side vil et løst stoff være nøytralt når det ikke er i stand til å gjøre noen av de to tingene.

syre-base balanse

Når man snakker om syrer og baser, er det også nødvendig å skille mellom to klasser av syrer og to klasser av baser. Begge kan enten være sterke syrer eller baser eller svake syrer eller baser. Forskjellen mellom de to er at i det andre tilfellet er en reversibel reaksjon eller syre-base-likevekt involvert, mens det ved sterke syrer og baser antas at de dissosieres eller reagerer fullstendig (en likevekt er ikke etablert).

Dette er av stor betydning siden vi, når vi beregner pOH til en løsning, hvis det handler om svake syrer eller baser, må løse en kjemisk likevekt, mens hvis de er sterke, så gjør vi det ikke.

Beregning av pOH av løsninger av sterke syrer og baser

La oss starte med det enkleste tilfellet som tilsvarer beregningen av pOH av løsninger av sterke syrer og baser. For å opprettholde en konsistent måte å løse problemer på, vil vi bruke en ICE-tabell (initial konsentrasjoner, endring og konsentrasjoner ved likevekt) i alle tilfeller av syrer og baser, for å tydelig vise hvordan konsentrasjonene av forskjellige ioner endres når de dissosierer eller hydrolyserer de respektive oppløste stoffer.

Tilfelle 1: Sterke syrer

For å beregne pOH til en løsning av en sterk syre, tar vi utgangspunkt i den molare konsentrasjonen av syren og ligningen for dens dissosiasjon. Med den opprinnelige konsentrasjonen av syren beregnes konsentrasjonen av protoner eller hydroniumioner i løsningen ved støkiometri. Med denne konsentrasjonen bestemmes pH og deretter brukes denne til å beregne pOH ved hjelp av forrige ligning.

Eksempel 1: Bestem pOH til en 10-4 molar saltsyreløsning.

Saltsyre, eller HCl, er en sterk syre og dissosiasjonsreaksjonen er gitt av:

ICE-tabellen for HCl vil i dette tilfellet være:

Som man kan se, starter den fra en null konsentrasjon av hydronium og kloridioner. Alt av HCl er deretter fullstendig dissosiert, hvoretter det dannes ^10-4 M av både hydroniumioner og kloridioner, slik at det ved likevekt ikke er igjen HCl og hydroniumionkonsentrasjonen er 10-4 ^m .

Ved å bruke definisjonen av pH:

Til slutt beregnes pOH ved å trekke pH fra 14:

Som forventet er pOH i løsningen større enn 7, noe som stemmer overens med det faktum at det oppløste stoffet er en syre.

Tilfelle 2: Sterke baser

Når det gjelder sterke baser, er prosessen litt mer direkte, siden basen, når den er oppløst, genererer hydroksidioner direkte. Disse bestemmes ved støkiometri ved hjelp av en ICE-tabell, og til slutt brukes formelen for å beregne pOH direkte.

Eksempel 2: Bestem pOH til en 10-3 molar natriumhydroksidløsning.

Natriumhydroksid, eller NaOH, er en sterk base og dissosiasjonsreaksjonen er gitt av:

ICE-tabellen for NaOH, i dette tilfellet er:

Igjen starter det fra en null konsentrasjon av natrium- og hydroksidioner. Da er all NaOH fullstendig dissosiert ettersom det er en sterk base, hvoretter det dannes 10 ^-3 M av både natriumioner og hydroksydioner, slik at når likevekt er nådd, gjenstår ingen NaOH og konsentrasjonen av hydroksydioner er 10 ^{– 3} M.

Bruk nå definisjonen av pOH:

I dette tilfellet er pOH mindre enn 7, noe som stemmer med det faktum at det er en base.

Tilfelle 3: Svake syrer

Den generelle prosessen for å beregne pOH av en svak syreløsning følger de samme trinnene som for sterke syrer, med den forskjellen at vi ikke kan få hydroniumkonsentrasjonen direkte fra ICE-tabellen, siden vi ikke vet hvilken brøkdel av syren dissosieres før likevekt er nådd.

Basert på ovenstående må et ekstra trinn inkluderes i prosedyren som består i å løse likevekten for å finne den endelige konsentrasjonen av hydroniumioner. Dette gjøres ved å bruke dissosiasjonskonstanten til den svake syren.

Eksempel 3: Bestem pOH til en 10-4 molar eddiksyreløsning vel vitende om at den har en syredissosiasjonskonstant på 1.75.10-5.

Eddiksyre er en svak organisk syre og dens dissosiasjonsreaksjon er gitt av følgende kjemiske likevekt:

Følgende ICE-tabell relaterer de initiale konsentrasjonene til de endelige. I dette tilfellet, siden vi ikke vet på forhånd hvor mye syre som faktisk dissosieres, må endringen i konsentrasjonen uttrykkes som en ukjent (x).

For å finne det ukjente, X, er det nok å bruke forholdet mellom konsentrasjonene av alle arter ved likevekt, som er gitt av surhetskonstanten:

Denne ligningen kan skrives om som:

som er en andregradsligning som enkelt kan løses ved hjelp av kvadratisk formel eller ved hjelp av en vitenskapelig kalkulator med passende funksjon. Løsningen av denne ligningen, etter å ha erstattet verdien av surhetskonstanten, er:

Nå, ved å bruke denne konsentrasjonen av hydroniumioner, beregner vi pH og med dette pOH, som vi gjorde før.

Til slutt beregnes pOH ved å trekke pH fra 14:

Merk i dette tilfellet at pOH er mindre surt enn i tilfellet med HCl, selv om begge syrene er i samme konsentrasjon. Dette er fordi dette er en svak syre mens den andre var en sterk.

Case 4: Svake fundamenter

Beregningen av pOH for svake baser kombinerer det som brukes i tilfelle av sterke baser og svake syrer, nemlig en kjemisk likevekt må løses som i den andre, men OH-konsentrasjonen oppnås direkte – og regn deretter ut pOH ^som i den første.

^{Eksempel 4: Bestem pOH til en 10 -2} molar anilinløsning vel vitende om at den har en basicitetskonstant på 7.4.10 ^-10 .

Igjen starter vi fra basedissosiasjonsreaksjonen, men i dette tilfellet er det en svak base, så følgende likevekt etableres:

For enkelhets skyld er anilin representert som en generisk base B. ICE-tabellen er fylt ut analogt med forrige tilfelle:

Igjen, den ukjente X finnes ved hjelp av basicitetskonstanten:

Som før kan denne ligningen skrives om som en kvadratisk ligning:

hvis løsning er:

Med denne konsentrasjonen kan vi direkte beregne pOH:

Dette er en alkalisk eller basisk pOH-verdi, som er å forvente med tanke på at dette er en anilinløsning som er en base. Det kan imidlertid bemerkes at til tross for at anilinet i denne løsningen er 100 ganger mer konsentrert enn natriumhydroksidet i den tidligere basiske løsningen, er konsentrasjonen av hydroksidioner 365 ganger mindre, noe som er en konsekvens av at det er en betydelig svak base.

Tilfelle 5: Beregning av pOH til et buffersystem eller pH-bufferløsning

Bufferløsninger er blandinger av en svak syre og et salt av dens konjugatbase eller av en svak base med et salt av dens konjugatsyre. I begge tilfeller kan pH og pOH beregnes ved å bruke Henderson-Hasselbalch-ligningen. Denne ligningen har to former avhengig av om det er en svak syre og dens konjugerte base eller en svak base og dens konjugerte syre:

Svak syre/konjugert base buffersystem:

Svak base/konjugert syrebuffersystem:

hvor pKa og pKb er henholdsvis den negative base ti logaritmene av surhets- og basicitetskonstanten.

Eksempel 5: Bestem pOH til en bufferløsning som inneholder 0,5 M eddiksyre og 0,3 M natriumacetat, vel vitende om at surhetskonstanten til eddiksyre er 1.75.10 ^-5 .

Dette systemet tilsvarer en svak syrebuffer med et salt av dens konjugerte base, så i dette tilfellet brukes den første formen av Henderson-Hasselbalch-ligningen for å beregne pH og først da beregnes pOH. De analytiske konsentrasjonene av syren og saltet (C- _syre og C- _salt ) kan tas som gode tilnærminger til de respektive konsentrasjonene av disse artene ved likevekt:

Eksempel 6: Bestem pOH til en bufferløsning som inneholder 0,3 M ammoniakk og 0,5 M ammoniumklorid, vel vitende om at basicitetskonstanten til ammoniakk er 1.8.10 ^-5 .

Dette er det motsatte tilfellet til det forrige. Denne bufferen tilsvarer en svak base med et salt av dens konjugerte syre. Ved å bruke den andre formen av Henderson-Hasselbalch-ligningen, kan pOH bestemmes direkte:

Referanser

korrosjonspedia. (2018, 5. november). pOH. Hentet fra https://www.corrosionpedia.com/definition/895/poh

Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11. utgave). London, England: Pearson Education.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Kjemi (10. utgave). New York City, NY: MCGRAW-HILL.

Covington, AK (1985, 1. januar). Definisjon av pH-skalaer, standard referanseverdier, måling av pH og relatert terminologi (Recommendations 1984). Hentet fra https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/pac198557030531/html

Helmenstine, A. (2021, 5. august). Hva er pOH? Definisjon og beregning. Hentet fra https://sciencenotes.org/what-is-poh-definition-and-calculation/