Koncentracija vodikovih iona govori nam koliko je bilo koja otopina kisela ili bazična. Više vodikovih iona? Kiselije. Manje vodikovih iona? Osnovnije. Prilično jednostavno, zar ne? Pogledajmo kako definirati i izračunati koncentraciju vodikovih iona. Prvo ćete vidjeti kako u vodi dobivate vodikove i hidroksidne ione.
Samojonizacija vode
Voda se samoionizira u maloj mjeri:
Ovo je pojednostavljenje, jer slobodni ioni vodika zapravo ne postoje u otopini. Ovako zapravo izgleda:
Kroz vodikovu vezu, vodikov ion se povezuje s molekulom vode da stvori H3O+, ili hidronija. Dakle, kada izračunavate koncentraciju vodikovih iona, također računate koncentraciju hidronijevih iona.
Za vodu vodeni ionski proizvod ili Kw govori nam o koncentraciji H+ ili H3O+ i koncentracija OH- ili hidroksidni ioni.
Na 25 Celzijevih stupnjeva, eksperimentalno utvrđena vrijednost KW je 1,0 x 10-14 M2.
Pogledajmo kako možete koristiti svoje znanje o disocijaciji i KW za izračunavanje koncentracije vodikovih iona bilo za jake kiseline ili baze.
Izračunavanje koncentracije vodikovih jona iz molarnosti jake kiseline
Jaka kiselina povećava koncentraciju vodikovih iona u odnosu na prisutne hidroksidne ione.
Primjer je HCl:
Budući da je HCl jaka kiselina, potpuno disocira u vodi. Dakle, recimo da imate 1,5M otopine HCl. Kolika je koncentracija vodikovih iona?
Pa, ovo je prilično jednostavno i ne zahtijeva čak ni matematiku! Budući da kiselina potpuno disocira, koncentracija vodikovih iona jednaka je molarnosti otopine. U ovom slučaju to znači koncentraciju vodikovih iona ili [H+], iznosi 1,5M.
Jaka baza, s druge strane, ima više hidroksidnih iona od vodikovih iona. Recimo da imate 0,1M otopinu NaOH. Kolika je koncentracija H+ u ovom slučaju? Sada ćete trebati upotrijebiti svoje znanje o KW.
Znate da je, budući da ova jaka baza potpuno disocira, koncentracija hidroksida ili OH- jednaka molarnosti otopine. [OH-] = 0,1 M.
Tako,
Rješavajući za [H +] dobivate:
Ovo ima smisla! Budući da je to osnovno rješenje, ima mnogo više hidroksidnih iona nego vodikovih iona.
Izračunavanje koncentracije vodikovih iona iz pH
Sada je stalno bavljenje znanstvenim zapisima kako bi se raspravljalo o koncentraciji vodikovih iona malo nezgodno. Umjesto toga, znanstvenici koriste pH ljestvicu.
Evo definicije pH:
pH je negativni log koncentracije vodika. Slovo p doslovno znači negativni zapisnik.
Dakle, s obzirom na pH vrijednost 5,5, možete pronaći koncentraciju vodikovih iona:
Ronjenje negativnim i uzimanje inverznog dnevnika daje vam:
Rješavajući, dobivate:
Koncentracija vodikovih iona u otopini s pH = 5,5 je 3,2 * 10-6M. Eto, zato je razgovor o pH puno lakši od cijelog dugog broja koji ste dobili za odgovor! PH od 5,5 govori vam o kiselosti, a molarnost možete izračunati ako vam je potrebna.
Što znače vrijednosti pKa?
Iako je izračunavanje koncentracije vodikovih iona jakih kiselina dovoljno jednostavno jer se disociraju potpuno u otopini, izračunavanje koncentracije vodikovih iona u slabim kiselinama je samo malo lukaviji. Te se kiseline u vodi ne ioniziraju u potpunosti. Svaka kiselina ima tendenciju gubitka vodikovog iona u vodenoj otopini. Vjerojatnije je da će jača kiselina izgubiti vodikov ion od slabe kiseline.
Konstante ravnoteže za reakcije ionizacije nazivaju se konstantama disocijacije kiseline (Ka). Jače kiseline imaju veći Ka dok slabije kiseline imaju niži Ka. Kao i kod koncentracije vodikovih iona, gdje ste prešli na pH umjesto na samo H, znanstvenici koriste pKa kako bi se naznačilo koliko je kiselina jaka ili slaba. S većom tendencijom gubitka protona, kiselina je jača, pa tako i pKa je manja.
Savjeti
Što je veća vrijednost pKa, to je kiselina slabija; što je niža vrijednost pKa to je kiselina jača.