Stężenie jonów wodorowych mówi nam, jak kwaśny lub zasadowy jest dany roztwór. Więcej jonów wodorowych? Bardziej kwaśny. Mniej jonów wodorowych? Bardziej podstawowe. Całkiem proste, prawda? Przyjrzyjmy się, jak zdefiniować i obliczyć stężenie jonów wodorowych. Najpierw zobaczysz, jak w wodzie powstają jony wodorowe i wodorotlenowe.
Samojonizacja wody
Woda ulega samojonizacji w niewielkim stopniu:
Jest to uproszczenie, ponieważ wolne jony wodorowe w rzeczywistości nie istnieją w roztworze. Tak to właściwie wygląda:
Poprzez wiązania wodorowe jon wodorowy łączy się z cząsteczką wody, tworząc H3O+, lub hydronium. Tak więc, gdy obliczasz stężenie jonów wodorowych, obliczasz również stężenie jonów hydroniowych.
W przypadku wody produkt jonów wody lub Kw mówi nam o stężeniu H+ lub H3O+ i stężenie OH- lub jony wodorotlenkowe.
W temperaturze 25 stopni Celsjusza eksperymentalnie wyznaczona wartość KW to 1,0 x 10-14 M2.
Przyjrzyjmy się, jak możesz wykorzystać swoją wiedzę o dysocjacji i KW aby obliczyć stężenie jonów wodorowych dla mocnych kwasów lub zasad.
Obliczanie stężenia jonów wodorowych na podstawie molarności silnego kwasu
Silny kwas zwiększa stężenie jonów wodorowych w stosunku do obecnych jonów wodorotlenowych.
Przykładem jest HCl:
Ponieważ HCl jest silnym kwasem, całkowicie dysocjuje w wodzie. Załóżmy więc, że masz 1,5M roztwór HCl. Jakie jest stężenie jonów wodorowych?
Cóż, to jest całkiem proste i nie wymaga nawet matematyki! Ponieważ kwas dysocjuje całkowicie, stężenie jonów wodorowych jest takie samo jak molarność roztworu. W tym przypadku oznacza to stężenie jonów wodorowych, czyli [H+], wynosi 1,5 mln.
Z drugiej strony mocna zasada zawiera więcej jonów wodorotlenowych niż jonów wodorowych. Powiedzmy, że masz 0,1M roztwór NaOH. Jakie jest stężenie H+ w tym przypadku? Teraz będziesz musiał wykorzystać swoją wiedzę o KW.
Wiesz, że skoro ta silna zasada całkowicie dysocjuje, stężenie wodorotlenku lub OH- jest równe molarności roztworu. [OH-] = 0,1 M.
Więc,
Rozwiązując dla [H+] otrzymujesz:
To ma sens! Ponieważ jest to roztwór zasadowy, jest o wiele więcej jonów wodorotlenowych niż jonów wodorowych.
Obliczanie stężenia jonów wodorowych na podstawie pH
Teraz zajmowanie się notacją naukową przez cały czas w celu omówienia stężenia jonów wodorowych jest trochę kłopotliwe. Zamiast tego naukowcy używają skali pH.
Oto definicja pH:
pH to ujemny logarytm stężenia wodoru. Litera p dosłownie oznacza log ujemny.
Tak więc przy wartości pH 5,5 można znaleźć stężenie jonów wodorowych:
Nurkowanie przez ujemną i biorąc odwrotny log daje:
Rozwiązując, otrzymujesz:
Stężenie jonów wodorowych w roztworze o pH = 5,5 wynosi 3,2*10-6M. Widzisz, właśnie dlatego mówienie o pH jest o wiele łatwiejsze niż cała długa liczba, którą dostałeś jako odpowiedź! pH 5,5 mówi ci o kwasowości, a jeśli potrzebujesz, możesz obliczyć molarność.
Co oznaczają wartości pKa?
Obliczenie stężenia jonów wodorowych mocnych kwasów jest dość łatwe, ponieważ ulegają one dysocjacji całkowicie w roztworze, obliczenie stężenia jonów wodorowych w słabych kwasach to tylko trochę trudniejsze. Kwasy te nie jonizują się całkowicie w wodzie. Każdy kwas ma tendencję do utraty jonu wodorowego w roztworze wodnym. Silniejszy kwas jest bardziej podatny na utratę jonów wodorowych niż słaby kwas.
Stałe równowagi dla reakcji jonizacji nazywają się stałymi dysocjacji kwasu (Kza). Silniejsze kwasy mają wyższą Kza natomiast słabsze kwasy mają niższą Kza. Teraz, podobnie jak w przypadku koncentracji jonów wodorowych, gdzie zmieniłeś pH zamiast samego H, naukowcy używają pKza aby wskazać, jak silny lub słaby jest kwas. Przy większej tendencji do utraty protonu kwas jest silniejszy, a więc pKza jest mniejszy.
Wskazówki
Im wyższa wartość pKa, tym słabszy kwas; im niższa wartość pKa, tym silniejszy kwas.