Kako izračunati koncentracijo vodikovih ionov

Koncentracija vodikovih ionov nam pove, kako kisla ali bazična je katera koli raztopina. Več vodikovih ionov? Bolj kislo. Manj vodikovih ionov? Bolj osnovno. Precej preprosto, kajne? Oglejmo si, kako določiti in izračunati koncentracijo vodikovih ionov. Najprej boste videli, kako v vodi dobite vodikove ione in hidroksidne ione.

Voda se samoionizira v majhni meri:

To je poenostavitev, saj prosti vodikovi ioni v raztopini dejansko ne obstajajo. Takole dejansko izgleda:

Skozi vodikovo vez se vodikov ion poveže z molekulo vode, da ustvari H₃O⁺, ali hidronija. Tako pri izračunu koncentracije vodikovih ionov računate tudi koncentracijo hidronijevih ionov.

Za vodo izdelek z vodnimi ioni ali K_w nam pove koncentracijo H⁺ ali H₃O⁺ in koncentracija OH^- ali hidroksidni ioni.

Pri 25 stopinjah Celzija je bila eksperimentalno določena vrednost K_W je 1,0 x 10^-14 M².

Oglejmo si, kako lahko uporabite svoje znanje o disociaciji in K_W za izračun koncentracije vodikovih ionov za močne kisline ali baze.

Močna kislina poveča koncentracijo vodikovih ionov nad prisotnimi hidroksidnimi ioni.

Primer je HCl:

Ker je HCl močna kislina, popolnoma disociira v vodi. Recimo, da imate 1,5M raztopino HCl. Kolikšna je koncentracija vodikovih ionov?

No, to je precej preprosto in ne zahteva niti matematike! Ker kislina popolnoma disociira, je koncentracija vodikovih ionov enaka molarnosti raztopine. V tem primeru to pomeni koncentracijo vodikovih ionov ali [H⁺], je 1,5M.

Močna baza pa ima več hidroksidnih ionov kot vodikovih ionov. Recimo, da imate 0,1M raztopino NaOH. Kolikšna je koncentracija H⁺ v tem primeru? Zdaj boste morali uporabiti svoje znanje K_W.

Veste, da ker je ta močna baza popolnoma disociira, je koncentracija hidroksida ali OH- enaka molarnosti raztopine. [OH-] = 0,1 M.

Torej,

Rešitev za [H +] dobite:

To je smiselno! Ker gre za osnovno raztopino, je hidroksidnih ionov veliko več kot vodikovih ionov.

Zdaj je ves čas ukvarjanja z znanstvenimi zapisi, da bi razpravljali o koncentraciji vodikovih ionov, nekoliko okorno. Namesto tega znanstveniki uporabljajo lestvico pH.

Tu je definicija pH:

pH je negativni log koncentracije vodika. Črka p dobesedno pomeni negativni dnevnik.

Torej, glede na vrednost pH 5,5 lahko najdete koncentracijo vodikovih ionov:

Potapljanje z negativnim in ob vzvratnem dnevniku vam da:

Rešitev dobite:

Koncentracija vodikovih ionov v raztopini s pH = 5,5 je 3,2 * 10^-6M. Glej, zato je govoriti o pH veliko lažje kot celotno številko, ki jo dobiš za odgovor! PH 5,5 vam pove o kislosti in molarnost lahko izračunate, če jo potrebujete.

Medtem ko je izračun koncentracije vodikovih ionov močnih kislin dovolj preprost, saj ločijo popolnoma v raztopini je izračun koncentracije vodikovih ionov v šibkih kislinah le malo bolj zapleteno. Te kisline se v vodi ne ionizirajo popolnoma. Vsaka kislina ima tendenco, da v vodni raztopini izgubi vodikov ion. Močnejša kislina bolj verjetno izgubi vodikov ion kot šibka kislina.

Konstante ravnotežja za ionizacijske reakcije imenujemo kislinske disociacijske konstante (K_a). Močnejše kisline imajo višji K_a medtem ko imajo šibkejše kisline nižji K_a. Tako kot pri koncentraciji vodikovih ionov, kjer ste prešli na pH namesto na samo H, znanstveniki uporabljajo pK_a da označite, kako močna ali šibka je kislina. Z večjo težnjo k izgubi protona je kislina močnejša in s tem pK_a je manjša.

• Višja kot je vrednost pKa, šibkejša je kislina; nižja kot je vrednost pKa, močnejša je kislina.