14.2 pH og pOH
Námsmarkmið
Að loknum þessum hluta getur þú:
- útskýra hvernig vatnslausnir eru flokkaðar sem súrar, basískar eða hlutlausar
- tjá styrk oxóníum- og hýdroxíðjóna á pH- og pOH-kvörðum
- reikna tengsl milli pH og pOH
Eins og áður hefur komið fram eru oxóníum- og hýdroxíðjónir til staðar bæði í hreinu vatni og í öllum vatnslausnum. Styrkur þeirra er í öfugu hlutfalli hvor við annan, eins og jónafeldisfasti vatns, K_w, segir til um. Styrkur þessara jóna í lausn ræður oft miklu um eiginleika lausnarinnar og efnafræðilega hegðun annarra uppleystra efna í henni. Því hefur verið þróaður sérstakur orðaforði til að lýsa þessum styrkjum með afstæðum hætti. Lausn er hlutlaus ef hún inniheldur jafnan styrk oxóníum- og hýdroxíðjóna; súr ef hún inniheldur meiri styrk oxóníumjóna en hýdroxíðjóna; og basísk ef hún inniheldur minni styrk oxóníumjóna en hýdroxíðjóna.
Algeng leið til að tjá stærðir sem geta spannað margar stærðargráður er að nota lograkvarða. Einn slíkur kvarði, sem er mikið notaður fyrir efnastyrk og jafnvægisfasta, byggist á p-fallinu. Það er skilgreint eins og hér er sýnt, þar sem X er stærðin sem um ræðir og log er logri með grunntöluna 10:
pH-gildi lausnar, sýrustigið, er því skilgreint eins og hér er sýnt, þar sem [H₃O⁺] er mólstyrkur oxóníumjóna í lausninni:
Ef þessari jöfnu er umraðað til að einangra mólstyrk oxóníumjóna fæst jafngild stæða:
Á sama hátt má tákna mólstyrk hýdroxíðjóna með p-falli, pOH:
eða
Að lokum er auðvelt að leiða sambandið milli þessara tveggja jónastyrkja, þegar þeir eru táknaðir sem p-föll, út frá K_w-stæðunni:
Við 25 °C er K_w = 1,0 × 10⁻¹⁴ og því gildir:
Eins og sýnt var í Dæmi 14.1 er mólstyrkur oxóníumjóna í hreinu vatni (eða hvaða hlutlausu lausn sem er) 1,0 × 10⁻⁷ M við 25 °C. pH og pOH hlutlausrar lausnar við þetta hitastig eru því:
Við þetta hitastig eru súrar lausnir þær sem hafa mólstyrk oxóníumjóna meiri en 1,0 × 10⁻⁷ M og mólstyrk hýdroxíðjóna minni en 1,0 × 10⁻⁷ M (sem samsvarar pH-gildum undir 7,00 og pOH-gildum yfir 7,00). Basískar lausnir hafa mólstyrk oxóníumjóna minni en 1,0 × 10⁻⁷ M og mólstyrk hýdroxíðjóna meiri en 1,0 × 10⁻⁷ M (sem samsvarar pH-gildum yfir 7,00 og pOH-gildum undir 7,00).
Þar sem sjálfjónunarfastinn K_w er háður hitastigi verða tengsl pH-gilda við flokkunina súr, hlutlaus og basísk önnur við hitastig sem víkja frá 25 °C. Til dæmis sýndi æfingin „Prófaðu þig“ sem fylgdi Dæmi 14.1 að mólstyrkur oxóníumjóna í hreinu vatni við 80 °C er 4,9 × 10⁻⁷ M, sem samsvarar pH- og pOH-gildunum:
Við þetta hitastig hafa hlutlausar lausnir því pH = pOH = 6,31, súrar lausnir hafa pH lægra en 6,31 og pOH hærra en 6,31, en basískar lausnir hafa pH hærra en 6,31 og pOH lægra en 6,31. Þessi aðgreining getur skipt máli þegar rannsökuð eru ferli sem eiga sér stað við önnur hitastig, til dæmis ensímhvörf í jafnheitum lífverum við um 36-40 °C. Nema annað sé tekið fram er gert ráð fyrir að pH-gildi miðist við 25 °C (Tafla 14.1).
| Flokkun | Hlutfallslegur jónastyrkur | pH við 25 °C |
|---|---|---|
| súr | [H₃O⁺] > [OH⁻] | pH < 7 |
| hlutlaus | [H₃O⁺] = [OH⁻] | pH = 7 |
| basísk | [H₃O⁺] < [OH⁻] | pH > 7 |
Mynd 14.2 sýnir sambandið milli [H₃O⁺], [OH⁻], pH og pOH fyrir lausnir sem flokkast sem súrar, basískar og hlutlausar.
Dæmi 14.4
Útreikningur á pH út frá [H₃O⁺]
Hvert er pH-gildi magasýru, HCl-lausnar með oxóníumjónastyrkinn 1,2 × 10⁻³ M?
Lausn
(Notkun logra er útskýrð í viðauka B. Þegar tekinn er logri af gildi skal halda jafn mörgum aukastöfum í niðurstöðunni og markverðu tölustafirnir eru í gildinu.)
Prófaðu þig
Vatn sem kemst í snertingu við loft inniheldur kolsýru, H₂CO₃, vegna hvarfs koltvíoxíðs við vatn:
Loftmettað vatn hefur oxóníumjónastyrk, af völdum uppleysts CO₂, sem er 2,0 × 10⁻⁶ M, um það bil 20 sinnum meiri en í hreinu vatni. Reiknaðu pH-gildi lausnarinnar við 25 °C.
Svar:
5,70
Dæmi 14.5
Útreikningur á oxóníumjónastyrk út frá pH-gildi
Reiknaðu oxóníumjónastyrk blóðs sem hefur pH-gildið 7,3.
Lausn
(Á reiknivél skal taka andlogra, eða „öfugan“ logra, af −7,3, eða reikna 10^(−7,3).)
Prófaðu þig
Reiknaðu styrk oxóníumjóna í lausn með pH-gildið −1,07.
Svar:
12 M
Dæmi 14.6
Útreikningur á pOH
Hver eru pOH og pH í 0,0125 M lausn af kalíumhýdroxíði, KOH?
Lausn
Kalíumhýdroxíð er mjög leysanlegt jónasamband og klofnar að fullu þegar það leysist upp í þynntri lausn, þannig að [OH⁻] = 0,0125 M:
Finna má pH út frá pOH:
Prófaðu þig
Styrkur oxóníumjóna í ediki er um það bil 4 × 10⁻³ M. Hver eru samsvarandi gildi pOH og pH?
Svar:
pOH = 11,6, pH = 2,4
Sýrustig lausnar er venjulega metið með tilraunum með því að mæla pH-gildi hennar. pOH-gildi lausnar er yfirleitt ekki mælt, þar sem auðvelt er að reikna það út frá pH-gildi sem ákvarðað er með tilraunum. Hægt er að mæla pH-gildi lausnar beint með pH-mæli (Mynd 14.4).
Einnig er hægt að meta pH-gildi lausnar sjónrænt með lituðum litvísum (Mynd 14.5). Sýru-basajafnvægin sem gera kleift að nota þessi litvísilitarefni til pH-mælinga eru útskýrð síðar í þessum kafla.
