الأحماض والقواعد والمحاليل المنظمة في كيمياء A Level: الأس الهيدروجيني وKa ومنحنيات المعايرة

موقع الأحماض والمحاليل المنظمة في كل منهج

الأفكار الأساسية

pH = -log10[H+] و[H+] = 10^(-pH). للحمض القوي أحادي البروتون [H+] يساوي تركيز الحمض. وللقاعدة القوية استخدم Kw = [H+][OH-] = 1.00 × 10^-14 عند 298 K لإيجاد [H+] ثم pH.

للحمض الضعيف HA ⇌ H+ + A- يكون Ka = [H+][A-]/[HA]. نفترض أن [H+] = [A-] وأن [HA] عند الاتزان يساوي تقريبًا التركيز الابتدائي، فيكون [H+] = sqrt(Ka × [HA]). وpKa = -log Ka، وكلما صغر pKa كان الحمض أقوى.

المحلول المنظم يحتوي حمضًا ضعيفًا وقاعدته المرافقة بكميات كبيرة. أيونات H+ المضافة تتفاعل مع A- مكوّنة HA، وأيونات OH- المضافة تتفاعل مع HA مكوّنة A- وماء، فلا يتغير [H+] إلا قليلًا. وpH المحلول المنظم من [H+] = Ka × [HA]/[A-]، وعند نصف التعادل يكون [HA] = [A-] فيكون pH = pKa.

مثال محلول ١: pH لحمض الإيثانويك 0.100 mol dm^-3 (Ka = 1.74 × 10^-5)

1. Ka = [H+]^2/[CH3COOH] مع افتراض [CH3COOH] ≈ 0.100.
2. [H+]^2 = 1.74 × 10^-6.
3. [H+] = 1.32 × 10^-3 mol dm^-3.
4. pH = 2.88.
5. تحقق من الافتراض: تأين نحو 1.3% فقط من الحمض، فالتقريب مقبول.

مثال محلول ٢: pH لمحلول منظم

1. محلول فيه 0.10 mol dm^-3 حمض إيثانويك و0.20 mol dm^-3 إيثانوات الصوديوم، وKa = 1.74 × 10^-5.
2. [H+] = 1.74 × 10^-5 × 0.10/0.20 = 8.7 × 10^-6.
3. pH = 5.06.
4. منطقي: القاعدة المرافقة أكثر من الحمض، فـ pH أعلى من pKa (4.76).

مثال محلول ٣: pH لهيدروكسيد الصوديوم 0.050 mol dm^-3 عند 298 K

1. قاعدة قوية، إذن [OH-] = 0.050.
2. [H+] = 1.00 × 10^-14 ÷ 0.050 = 2.0 × 10^-13.
3. pH = 12.70.

أخطاء شائعة تُفقد الدرجات

• استخدام طريقة الحمض القوي للحمض الضعيف.
• إهمال أن الحمض ثنائي البروتون قد يُعامل على أنه يعطي 2 مول من H+ إذا نص السؤال على ذلك.
• عدم ذكر افتراضي الحمض الضعيف عند الطلب.
• حساب pH القاعدة القوية مباشرة من [OH-] فيخرج pOH.
• شرح المحلول المنظم دون معادلات، والمنهجان يطلبان المعادلات.
• اختيار كاشف لا يقع مدى تغير لونه في الجزء الرأسي من منحنى المعايرة.

أسلوب الإجابة في الامتحان ودور المدرس

اكتب التعبير أولًا ثم عوّض ثم أعطِ pH لمنزلتين عشريتين. وأتقن مفتاحي log و10^x في الآلة الحاسبة، فمعظم الأخطاء هنا ضغطات مفاتيح لا كيمياء. وفي شرح المحلول المنظم اذكر المادتين واكتب المعادلتين ثم وضح أن النسبة [HA]/[A-] بالكاد تتغير لأن كليهما موجود بكمية كبيرة.

في الحصة الفردية يحل المدرس مع الطالب مجموعة متنوعة من مسائل pH، ويقرر الطالب أولًا نوع كل مسألة (حمض قوي، حمض ضعيف، قاعدة قوية، محلول منظم، بعد الخلط)، لأن اختيار الطريقة هو المهارة الحقيقية، ويتحقق المدرس من استخدام الآلة الحاسبة ويبني مع الطالب ورقة طرق من صفحة واحدة.

اختبر نفسك

• pH لحمض HCl تركيزه 0.0100 mol dm^-3. (الجواب: 2.00)
• [H+] لمحلول pH له 3.40. (الجواب: 3.98 × 10^-4 mol dm^-3)
• ما pH عند نصف تعادل حمض ضعيف pKa له 4.20؟ (الجواب: 4.20)
• أي أيون في الدم يعمل منظمًا مع حمض الكربونيك؟ (الجواب: HCO3-)
• لماذا pH الحمض الضعيف أعلى من القوي بالتركيز نفسه؟ (الجواب: يتأين جزئيًا فقط فيكون [H+] أقل)