Οξέα και βάσεις — Ιδιότητες, pH και αντιδράσεις

Ένα οξύ δίνει ένα πρωτόνιο ή αυξάνει το υδρωνίδιο στο νερό. Μια βάση δέχεται ένα πρωτόνιο ή αυξάνει το υδροξείδιο στο νερό. Αυτή είναι η βασική ιδέα πίσω από το pH, την εξουδετέρωση και τα περισσότερα αρχικά προβλήματα οξέων-βάσεων.

Αν θυμάσαι ένα μόνο κριτήριο, χρησιμοποίησε αυτό: στις δοσμένες συνθήκες, το είδος αποβάλλει $H^+$ ή προσλαμβάνει $H^+$; Στο νερό, η ίδια ιδέα εμφανίζεται ως χαμηλότερο pH για όξινα διαλύματα και υψηλότερο pH για βασικά διαλύματα.

Τι Είναι Οξύ Και Τι Είναι Βάση;

Δύο ορισμοί έχουν τη μεγαλύτερη σημασία στην εισαγωγική χημεία.

Ο ορισμός Arrhenius είναι ο απλούστερος για τη χημεία σε υδατικά διαλύματα. Ένα οξύ αυξάνει το $[H_3O^+]$ στο νερό και μια βάση αυξάνει το $[OH^-]$ στο νερό. Αυτή είναι η πιο πρακτική εικόνα όταν η ερώτηση αφορά το pH ή μια τυπική αντίδραση εξουδετέρωσης.

Ο ορισμός Bronsted-Lowry είναι ευρύτερος. Ένα οξύ δίνει ένα πρωτόνιο, $H^+$, και μια βάση δέχεται ένα πρωτόνιο. Αυτό εξηγεί γιατί πολλές αντιδράσεις οξέων-βάσεων κατανοούνται καλύτερα ως αντιδράσεις μεταφοράς πρωτονίου.

Κανένας από τους δύο ορισμούς δεν είναι λανθασμένος. Χρησιμοποίησε την προσέγγιση Arrhenius όταν το πρόβλημα αφορά ξεκάθαρα υδατικά διαλύματα και pH. Χρησιμοποίησε την προσέγγιση Bronsted-Lowry όταν χρειάζεται να παρακολουθήσεις ποια ουσία δίνει το πρωτόνιο και ποια το δέχεται.

Πώς Σχετίζεται Το pH Με Τα Οξέα Και Τις Βάσεις

Στα υδατικά διαλύματα, το pH είναι μια πρακτική κλίμακα για την οξύτητα και τη βασικότητα. Χαμηλότερο pH σημαίνει μεγαλύτερη συγκέντρωση υδρωνίου, άρα το διάλυμα είναι πιο όξινο. Υψηλότερο pH σημαίνει μικρότερη συγκέντρωση υδρωνίου, άρα το διάλυμα είναι πιο βασικό.

Για αραιά υδατικά διαλύματα κοντά στους $25^\circ \mathrm{C}$, ο συνηθισμένος σχολικός κανόνας είναι:

• pH κάτω από $7$: όξινο
• pH περίπου $7$: ουδέτερο
• pH πάνω από $7$: βασικό

Αυτός ο κανόνας ισχύει υπό προϋποθέσεις. Το ουδέτερο δεν είναι πάντα ακριβώς pH $7$, και πολύ συμπυκνωμένα διαλύματα μπορεί να βρίσκονται έξω από το συνηθισμένο σχολικό εύρος $0$ έως $14$.

Τι Συμβαίνει Σε Μια Αντίδραση Οξέος-Βάσης

Μια αντίδραση οξέος-βάσης μεταφέρει ένα πρωτόνιο από το οξύ στη βάση. Σε πολλά υδατικά παραδείγματα, αυτό εμφανίζεται ως εξουδετέρωση.

Για ένα ισχυρό οξύ και μια ισχυρή βάση στο νερό, η καθαρή ιοντική εξίσωση είναι:

$$H_3O^+ + OH^- \rightarrow 2H_2O$$

Αυτή η εξίσωση δείχνει τη βασική μεταβολή. Το υδρωνίδιο και το υδροξείδιο ενώνονται για να σχηματίσουν νερό, οπότε το διάλυμα γίνεται λιγότερο όξινο και λιγότερο βασικό από πριν.

Λυμένο Παράδειγμα: Αντίδραση HCl Με NaOH

Υπόθεσε ότι αναμειγνύεις $25.0 \, \mathrm{mL}$ από $0.10 \, \mathrm{M}$ HCl με $25.0 \, \mathrm{mL}$ από $0.10 \, \mathrm{M}$ NaOH.

Σε αυτό το εισαγωγικό πλαίσιο, θεώρησε και τα δύο ως ισχυρούς ηλεκτρολύτες που παράγουν πλήρως όξινα ή βασικά είδη στο νερό. Τα mol του καθενός είναι

$$n = MV = 0.10 \times 0.0250 = 0.00250 \, \mathrm{mol}$$

Άρα το μείγμα ξεκινά με ίσα mol οξέος και βάσης.

Τα όξινα και βασικά είδη αντιδρούν σε αναλογία $1:1$. Επειδή οι ποσότητες είναι ίσες, δεν περισσεύει τίποτα από καμία πλευρά μετά την εξουδετέρωση. Αυτό που απομένει είναι κυρίως νερό μαζί με τα ιόντα-θεατές, $Na^+$ και $Cl^-$.

Υπό αυτές τις συνθήκες, το τελικό διάλυμα είναι περίπου ουδέτερο. Η βασική ιδέα δεν είναι μόνο ότι «το pH είναι περίπου $7$». Η βασική ιδέα είναι ότι το τελικό pH εξαρτάται από το τι απομένει μετά το στάδιο μεταφοράς πρωτονίου.

Αν η μία πλευρά ήταν σε περίσσεια, το τελικό διάλυμα δεν θα ήταν ουδέτερο. Αυτή η συνθήκη έχει μεγαλύτερη σημασία από τη λέξη «εξουδετέρωση» από μόνη της.

Συνηθισμένα Λάθη Στα Οξέα Και Τις Βάσεις

Σύγχυση Μεταξύ Ισχυρών Οξέων Και Χαμηλού pH Σε Κάθε Περίπτωση

Η ισχύς του οξέος και το pH σχετίζονται, αλλά δεν είναι το ίδιο πράγμα. Η ισχύς περιγράφει πόσο πλήρως ιοντίζεται ένα οξύ στις δοσμένες συνθήκες. Το pH εξαρτάται επίσης από τη συγκέντρωση.

Η Υπόθεση Ότι Κάθε Αντίδραση Οξέος-Βάσης Καταλήγει Σε pH 7

Αυτό ισχύει μόνο σε συγκεκριμένες περιπτώσεις, όπως σε ίσες ποσότητες ισχυρού οξέος και ισχυρής βάσης στο συνηθισμένο εισαγωγικό υδατικό πλαίσιο. Ασθενή οξέα, ασθενείς βάσεις ή άνισες ποσότητες αλλάζουν το αποτέλεσμα.

Αντιμετώπιση Του pH Ως Ιδιότητας Εκτός Νερού Χωρίς Να Δηλώνεται Το Σύστημα

Το pH χρησιμοποιείται κυρίως για υδατικά συστήματα. Αν το πλαίσιο δεν είναι υδατικό διάλυμα, χρειάζεται περισσότερη προσοχή για το αν το pH είναι καν η σωστή γλώσσα περιγραφής.

Η Ιδέα Ότι Οι Βάσεις Είναι Πάντα Ασφαλείς Επειδή Είναι «Λιγότερο Όξινες»

Οι βάσεις μπορούν επίσης να είναι πολύ δραστικές και διαβρωτικές. Το όξινο έναντι του βασικού δεν σημαίνει ακίνδυνο έναντι επικίνδυνου.

Πού Χρησιμοποιούνται Οι Ιδέες Οξέων-Βάσεων

Οι ιδέες οξέων-βάσεων εμφανίζονται κάθε φορά που χρειάζεται να σκεφτείς τη δραστικότητα στο νερό, το pH διαλύματος, την εξουδετέρωση, τις ογκομετρήσεις, τα ρυθμιστικά διαλύματα, τη χημεία του εδάφους, την πέψη, τα καθαριστικά προϊόντα ή τον έλεγχο βιομηχανικών διεργασιών.

Συνδέουν επίσης αρκετά θέματα χημείας που οι μαθητές συχνά μαθαίνουν χωριστά. Μόλις τα οξέα, οι βάσεις και η μεταφορά πρωτονίου αποκτήσουν συνοχή μεταξύ τους, το pH, τα ρυθμιστικά διαλύματα και οι καμπύλες ογκομέτρησης γίνονται πολύ πιο εύκολα στην κατανόηση.

Δοκίμασε Μια Παρόμοια Περίπτωση

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με άνισες ποσότητες, όπως $25.0 \, \mathrm{mL}$ από $0.10 \, \mathrm{M}$ HCl αναμεμειγμένα με $20.0 \, \mathrm{mL}$ από $0.10 \, \mathrm{M}$ NaOH. Πρώτα αποφάσισε ποιο αντιδρών περισσεύει και μετά πρόβλεψε αν το τελικό διάλυμα είναι όξινο ή βασικό πριν υπολογίσεις οτιδήποτε άλλο.