அயனிச் சமநிலை: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

அயனிச் சமநிலை பற்றி

நடுத்தரம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

அசிட்டிக் அமிலம் நீரில் கரையும்போது அதன் ஒரு சிறு பகுதி மட்டுமே H⁺, CH₃COO⁻ அயனிகளாகப் பிரிகிறது. மீதி மூலக்கூறுகளாகவே இருக்கிறது; இரண்டு வடிவங்களும் சமநிலையில் உள்ளன. 11 ஆம் வகுப்பில் படித்த சமநிலைக் கருத்துகளை அமிலம், காரம், உப்பு ஆகியவற்றின் இத்தகைய கரைசல்களுக்கு இந்தப் பாடம் பயன்படுத்துகிறது. இங்கு அயனிகளின் செறிவுகளே கரைசல் எப்படி நடந்துகொள்கிறது என்பதைத் தீர்மானிக்கின்றன.

அமிலம், காரம் பற்றிய மூன்று வரையறைகளுடன் பாடம் தொடங்குகிறது; ஒவ்வொன்றும் முந்தையதை விட அகலமானது. பிறகு மிகச் சிறிதளவு அயனியாகும் நீரைப் பற்றிப் பேசி, அதைக் கொண்டு pH ஐ வரையறுக்கிறது. வலிமை குறைந்த அமிலங்களும் காரங்களும் முழுமையாக அயனியாவதில்லை; எனவே அவற்றுக்கு K_a அல்லது K_b என்ற பிரிகை மாறிலி தேவை. ஆஸ்ட்வால்டு நீர்த்தல் விதி அந்த மாறிலியைப் பிரிகை வீதத்துடன் இணைக்கிறது.

இந்த அலகில் கணக்குகள் அதிகம். வலிமை குறைந்த அமிலத்தின் pH, ஹென்டர்சன் சமன்பாட்டிலிருந்து தாங்கல் கரைசலின் pH, நீராற்பகுப்படைந்த உப்பின் pH, இரண்டு கரைசல்களைக் கலக்கும்போது வீழ்படிவு உருவாகுமா என்பவை கேட்கப்படும். மடக்கைகளிலும், Ag₂CrO₄ போன்ற உப்புகளுக்கு K_sp எழுதுவதிலும் பழகிவிட்டால் இவற்றில் பெரும்பாலானவை வழக்கமான கணக்குகளாகிவிடும்.

நீங்கள் கற்பவை

• மூன்று அமில-காரக் கொள்கைகளை விளக்கி, இணை அமில-கார இணைகளைக் கண்டறிதல்.
• வலிமை மிகுந்த மற்றும் வலிமை குறைந்த அமிலங்கள், காரங்களின் pH, pOH ஐக் கணக்கிடுதல்.
• ஆஸ்ட்வால்டு நீர்த்தல் விதியை வருவித்து வலிமை குறைந்த மின்பகுளிகளுக்குப் பயன்படுத்துதல்.
• அமில, காரத் தாங்கல் கரைசல்களில் தாங்கல் செயலை விளக்கி, தாங்கல் கரைசலின் pH ஐக் கணக்கிடுதல்.
• வெவ்வேறு வகை உப்புக் கரைசல்களின் நீராற்பகுப்பு மாறிலியையும் pH ஐயும் கண்டுபிடித்தல்.
• அயனிப் பெருக்கத்தைக் கரைதிறன் பெருக்கத்துடன் ஒப்பிட்டு வீழ்படிவு உருவாகுமா என்று கணித்தல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• வேதிச் சமநிலை, சமநிலை மாறிலி, லீ சாட்லியர் கொள்கை.
• மோலாரிட்டியும் பிற செறிவு அளவுகளும்.
• மடக்கைகளும் அறிவியல் குறியீட்டு முறையும்.

அயனிச் சமநிலை — விரிவான விளக்கம்

அமிலங்கள், காரங்கள், தாங்கல் கரைசல்கள், கரைதிறன் பெருக்கம்

அமில-காரக் கொள்கைகள்

நீரில் H⁺ அயனிகளைத் தருவது அமிலம், OH⁻ அயனிகளைத் தருவது காரம் என்று அர்ரீனியஸ் வரையறுத்தார். இது நீர்க்கரைசலில் மட்டுமே பொருந்தும். லௌரியும் பிரான்ஸ்டட்டும் அமிலத்தைப் புரோட்டான் வழங்கி என்றும் காரத்தைப் புரோட்டான் ஏற்பி என்றும் அழைத்தனர். HCl நீருக்கு ஒரு புரோட்டானைக் கொடுக்கும்போது Cl⁻ என்பது HCl இன் இணை காரம்; H₃O⁺ என்பது நீரின் இணை அமிலம். லூயி இன்னும் ஒரு படி மேலே சென்றார்: அமிலம் ஒரு எலக்ட்ரான் இரட்டையை ஏற்கிறது; காரம் ஒன்றைக் கொடுக்கிறது. BF₃, AlCl₃ ஆகியவற்றிடம் கொடுக்க புரோட்டான் இல்லை என்றாலும் அவை லூயி அமிலங்கள்.

நீரின் அயனிப் பெருக்கமும் pH உம்

நீர் சிறிதளவு அயனியாகிறது: H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻. இரண்டு அயனிச் செறிவுகளின் பெருக்கற்பலன் நீரின் அயனிப் பெருக்கம், \(K_{w}\); 298 K இல் இது 1.0 × 10^-14. இந்தச் செறிவுகள் மிகச் சிறியவை என்பதால் pH = −log[H₃O⁺] என்பதைப் பயன்படுத்துகிறோம். 298 K இல் pH + pOH = 14; நடுநிலைக் கரைசலின் pH 7. \(K_{w}\) வெப்பநிலையுடன் அதிகரிப்பதால், அதிக வெப்பநிலையில் தூய நீர் நடுநிலையாகவே இருந்தாலும் அதன் pH 7 க்குக் கீழே இருக்கும்.

வலிமை குறைந்த மின்பகுளிகளும் ஆஸ்ட்வால்டு நீர்த்தல் விதியும்

C செறிவும் α பிரிகை வீதமும் கொண்ட வலிமை குறைந்த அமிலம் HA க்கு K_a = α²C/(1 − α). α சிறியது என்பதால் K_a ≈ α²C; எனவே α = √(K_a/C). இதுவே ஆஸ்ட்வால்டு நீர்த்தல் விதி: நீர்த்தும்போது C குறைகிறது, α அதிகரிக்கிறது. இது அசிட்டிக் அமிலம் போன்ற வலிமை குறைந்த அமிலங்களுக்கும் அம்மோனியா போன்ற வலிமை குறைந்த காரங்களுக்கும் பொருந்தும்; வலிமை மிகுந்த மின்பகுளிகளுக்குப் பொருந்தாது.

பொது அயனி விளைவும் தாங்கல் கரைசல்களும்

அசிட்டிக் அமிலத்துடன் சோடியம் அசிட்டேட்டைச் சேர்த்தால் அசிட்டேட் அயனிச் செறிவு அதிகரித்து, அசிட்டிக் அமிலத்தின் பிரிகை பின்னோக்கித் தள்ளப்படுகிறது. இந்த ஒடுக்கமே பொது அயனி விளைவு (Common ion effect). தாங்கல் கரைசல் வேலை செய்வதற்கு இதுவே காரணம். சிறிதளவு அமிலம் அல்லது காரம் சேர்க்கும்போது pH மாறுவதைத் தாங்கல் கரைசல் (Buffer) எதிர்க்கிறது. அமிலத் தாங்கல் கரைசல் என்பது வலிமை குறைந்த அமிலமும் அதன் உப்பும் (CH₃COOH + CH₃COONa). காரத் தாங்கல் கரைசல் என்பது வலிமை குறைந்த காரமும் அதன் உப்பும் (NH₄OH + NH₄Cl). இதன் pH ஹென்டர்சன்–ஹேசல்பால்க் சமன்பாட்டிலிருந்து கண்டுபிடிக்கப்படுகிறது: pH = pK_a + log([salt]/[acid]). இரத்தம் தாங்கல் அமைப்புகளால் pH 7.4 அருகே வைக்கப்படுகிறது.

உப்பு நீராற்பகுப்பும் கரைதிறன் பெருக்கமும்

உப்பு நீராற்பகுப்பில் ஒரு உப்பின் அயனிகள் நீருடன் வினைபுரிகின்றன. வலிமை மிகுந்த அமிலமும் வலிமை குறைந்த காரமும் சேர்ந்த உப்பு (NH₄Cl) அமிலக் கரைசலைத் தருகிறது. வலிமை குறைந்த அமிலமும் வலிமை மிகுந்த காரமும் சேர்ந்த உப்பு (CH₃COONa) காரக் கரைசலைத் தருகிறது. வலிமை மிகுந்த அமிலமும் வலிமை மிகுந்த காரமும் சேர்ந்த உப்பு (NaCl) நீராற்பகுப்பு அடைவதில்லை. AgCl போன்ற குறைவாகக் கரையும் உப்புக்கு, தெவிட்டிய நிலையில் கரைதிறன் பெருக்கம் \(K_{sp}\) = [Ag⁺][Cl⁻]. ஒரு கரைசலில் அயனிப் பெருக்கம் \(K_{sp}\) ஐ விட அதிகமானால் வீழ்படிவு உருவாகிறது. உப்புப் பகுப்பாய்வில் நேர் அயனித் தொகுதிகளைப் பிரிக்க இந்த விதி பயன்படுகிறது.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• இணை இணையின் உறுப்புகளைக் குழப்புவது. H2O, OH− இல் உள்ளது போல, இணை அமிலத்தில் அதன் இணை காரத்தை விட எப்போதும் ஒரு புரோட்டான் அதிகம்.
• எல்லாச் செறிவுகளிலும் முழுமையாக அயனியாகும் HCl போன்ற வலிமை மிகுந்த மின்பகுளிகளுக்கு ஆஸ்ட்வால்டு நீர்த்தல் விதியைப் பயன்படுத்துவது.
• எல்லா வெப்பநிலைகளிலும் pH 7 நடுநிலை என்று நினைப்பது. \(K_{w}\) = 1.0 × 10-14 ஆக உள்ள 298 K இல் மட்டுமே அது உண்மை.
• எல்லா உப்புக் கரைசல்களும் நடுநிலையானவை என்று நினைப்பது. நீராற்பகுப்பின் காரணமாக NH4Cl அமிலத்தன்மையும் CH3COONa காரத்தன்மையும் கொண்டவை.
• Ksp ஐயே கரைதிறனாக எடுத்துக்கொள்வது. AgCl க்கு Ksp = s2; ஆனால் Ag2CrO4 போன்ற உப்புக்கு Ksp = 4s3.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

தாங்கல் கரைசல் தன் pH ஐ எப்படி ஏறக்குறைய மாறாமல் வைத்திருக்கிறது?

தாங்கல் கரைசலில் ஒரு அமிலப் பகுதியும் ஒரு காரப் பகுதியும் உள்ளன. அசிட்டிக் அமிலம்/சோடியம் அசிட்டேட் தாங்கல் கரைசலில், சேர்க்கப்படும் H+ ஐ அசிட்டேட் அயனிகள் எடுத்துக்கொண்டு அசிட்டிக் அமிலமாகின்றன; சேர்க்கப்படும் OH− ஐ அசிட்டிக் அமிலம் நடுநிலையாக்குகிறது. சேர்க்கப்பட்ட அயனிகள் pH ஐ அதிகம் மாற்றும் முன்பே நீக்கப்படுகின்றன. அம்மோனியா/அம்மோனியம் குளோரைடு தாங்கல் கரைசல் காரப் பக்கத்தில் இதே வழியில் செயல்படுகிறது.

லூயி அமிலத்துக்கும் பிரான்ஸ்டட் அமிலத்துக்கும் என்ன வேறுபாடு?

பிரான்ஸ்டட் அமிலம் HCl போன்ற புரோட்டான் வழங்கி. லூயி அமிலம் BF3, AlCl3 போன்ற எலக்ட்ரான் இரட்டை ஏற்பி. இரண்டு தொகுப்புகளும் ஓரளவு பொதுவானவை; ஆனால் ஒன்றல்ல. HCl தானே எலக்ட்ரான் இரட்டையை ஏற்பதில்லை; அது வெளியிடும் புரோட்டான்தான் லூயி அமிலம். மறுபக்கம், ஒவ்வொரு பிரான்ஸ்டட் காரமும் லூயி காரமும் ஆகும்; ஏனெனில் புரோட்டானை ஏற்பது என்பது அதற்கு ஒரு எலக்ட்ரான் இரட்டையைக் கொடுப்பதுதான்.

நீர்த்தும்போது பிரிகை வீதம் ஏன் அதிகரிக்கிறது?

நீர்த்தல் எல்லாப் பொருள்களின் செறிவையும் குறைக்கிறது. லீ சாட்லியர் கொள்கைப்படி HA ⇌ H+ + A− சமநிலை அதிகத் துகள்கள் உள்ள பக்கத்துக்கு, அதாவது அயனியான பக்கத்துக்கு, நகர்கிறது. கணித ரீதியாக α = √(Ka/C); எனவே C சிறியதானால் α பெரியதாகிறது.

நடுநிலைக் கரைசலின் pH 7 அல்லாமல் இருக்க முடியுமா?

ஆம். நடுநிலை என்றால் [H3O+] = [OH−]; pH = 7 அல்ல. நீர் அயனியாதல் வெப்பம் கொள் வினை; எனவே Kw வெப்பநிலையுடன் அதிகரிக்கிறது. 298 K க்கு மேல் இரண்டு அயனிச் செறிவுகளும் உயர்கின்றன; தூய நீரின் pH 7 க்குக் கீழே செல்கிறது, ஆனால் கரைசல் நடுநிலையாகவே இருக்கிறது.

பொது அயனி விளைவு எப்போது நிகழ்கிறது?

வலிமை குறைந்த மின்பகுளியுடன் ஒரு அயனியைப் பகிர்ந்துகொள்ளும் வலிமை மிகுந்த மின்பகுளியை அதன் கரைசலில் சேர்க்கும்போது இது நிகழ்கிறது. NH4OH உடன் NH4Cl சேர்த்தால் [NH4+] உயர்கிறது; சமநிலை பின்னோக்கி நகர்கிறது; NH4OH இன் பிரிகை குறைகிறது. உப்புப் பகுப்பாய்வின் III ஆம் தொகுதியில் [OH−] குறைவாக வைக்கப்படுவதற்கு இதுவே காரணம்.

எந்த உப்புகள் நீராற்பகுப்பு அடைகின்றன?

குறைந்தது ஒரு அயனியாவது வலிமை குறைந்த அமிலம் அல்லது வலிமை குறைந்த காரத்திலிருந்து வரும் உப்புகள். அந்த அயனி நீருடன் வினைபுரிந்து வலிமை குறைந்த மூலப்பொருளை மீண்டும் உருவாக்குகிறது; கூடுதல் H3O+ அல்லது OH− மிஞ்சுகிறது. NaCl போன்ற வலிமை மிகுந்த அமிலமும் வலிமை மிகுந்த காரமும் சேர்ந்த உப்புகள் நீராற்பகுப்பு அடைவதில்லை; நடுநிலைக் கரைசலைத் தருகின்றன.