الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على حساب قيمة pH لمحلول حمضي أو قاعدي قوي من تركيزه، والتمييز بين الحمض القوي والضعيف.
شرح الدرس
يُعرَّف الرقم الهيدروجيني pH بالعلاقة: pH = -log[H⁺]، حيث [H⁺] تركيز أيونات الهيدروجين بالمول/لتر. وبالمثل، pOH = -log[OH⁻].
عند 25°م، ثابت تأين الماء Kw = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴، وبالتالي: pH + pOH = 14.
الحمض القوي (كحمض الهيدروكلوريك HCl) يتأين بالكامل تقريباً في الماء، فيكون [H⁺] مساوياً تقريباً لتركيز الحمض الأصلي مباشرة (لحمض أحادي القاعدة). أما الحمض الضعيف (كحمض الإيثانويك CH₃COOH) فيتأين جزئياً فقط، فيكون [H⁺] أقل بكثير من التركيز الكلي للحمض.
أسئلة تدريبية
1. احسب pH لمحلول حمض هيدروكلوريك (حمض قوي أحادي القاعدة) تركيزه 0.01 مول/لتر. (log(0.01)=-2)
عرض الإجابة
بما أن HCl حمض قوي يتأين بالكامل، فإن [H⁺]=0.01 مول/لتر؛ pH=-log(0.01)=-(-2)=2.
2. احسب تركيز أيونات H⁺ لمحلول له pH=3.
عرض الإجابة
[H⁺]=10⁻ᵖᴴ=10⁻³ مول/لتر.
3. محلول له pH=4. احسب قيمة pOH له عند 25°م.
عرض الإجابة
pH+pOH=14 ← pOH=14-4=10.
4. محلول له pOH=5. احسب تركيز أيونات OH⁻ فيه.
عرض الإجابة
[OH⁻]=10⁻ᵖᴼᴴ=10⁻⁵ مول/لتر.
5. احسب pH لمحلول هيدروكسيد الصوديوم (قاعدة قوية) تركيزه 0.001 مول/لتر. (log(0.001)=-3)
عرض الإجابة
بما أن NaOH قاعدة قوية تتأين بالكامل، فإن [OH⁻]=0.001 مول/لتر؛ pOH=-log(0.001)=3؛ pH=14-3=11.
6. لماذا يكون [H⁺] لمحلول حمض الإيثانويك (خل، حمض ضعيف) تركيزه 0.1 مول/لتر أقل بكثير من 0.1 مول/لتر، بخلاف محلول HCl بنفس التركيز؟
عرض الإجابة
لأن حمض الإيثانويك حمض ضعيف يتأين جزئياً فقط في الماء (لا يتفكك بالكامل إلى أيونات)؛ فتركيز أيونات H⁺ الفعلي الناتج يكون أقل بكثير من التركيز الكلي للحمض المُذاب، بخلاف الحمض القوي الذي يتأين بالكامل تقريباً فيتساوى [H⁺] مع التركيز الكلي.
7. محلولان لهما نفس التركيز الابتدائي (0.1 مول/لتر): الأول HCl (حمض قوي)، والثاني CH₃COOH (حمض ضعيف). أي المحلولين يُتوقع أن يكون له قيمة pH أقل (أكثر حمضية)؟ ولماذا؟
عرض الإجابة
محلول HCl يُتوقع أن يكون له pH أقل (أكثر حمضية)؛ لأنه يتأين بالكامل منتجاً تركيز H⁺ أعلى بكثير من حمض الإيثانويك الضعيف عند نفس التركيز الابتدائي، وارتفاع [H⁺] يعني قيمة pH أقل.
8. احسب [H⁺] و[OH⁻] لمحلول متعادل تماماً عند 25°م (حيث pH=7).
عرض الإجابة
[H⁺]=10⁻⁷ مول/لتر؛ وبما أن pH+pOH=14، فpOH=7 أيضاً، وبالتالي [OH⁻]=10⁻⁷ مول/لتر أيضاً (متساويان في المحلول المتعادل).
9. محلول حمض هيدروكلوريك تركيزه 0.0001 مول/لتر (10⁻⁴ مول/لتر). احسب قيمة pH له.
عرض الإجابة
[H⁺]=10⁻⁴ مول/لتر (حمض قوي، تأين كامل)؛ pH=-log(10⁻⁴)=4.
10. لماذا يمكن حساب pH محلول حمض قوي مباشرة من تركيزه الكلي فقط، بينما يحتاج حساب pH محلول حمض ضعيف إلى معلومات إضافية (كثابت التأين Ka، والذي سيُدرس في الدرس القادم)؟
عرض الإجابة
لأن الحمض القوي يتأين بالكامل (بنسبة 100% تقريباً)، فتركيز H⁺ الناتج معروف مباشرة ويساوي التركيز الكلي للحمض (لحمض أحادي القاعدة)؛ بينما الحمض الضعيف يتأين جزئياً فقط بنسبة تعتمد على قوته النسبية (ممثلة بثابت التأين Ka)، فلا يمكن معرفة [H⁺] الفعلي دون معرفة مدى هذا التأين الجزئي.
11. محلول له [OH⁻]=10⁻² مول/لتر. احسب قيمة pH لهذا المحلول عند 25°م.
عرض الإجابة
pOH=-log(10⁻²)=2؛ pH=14-pOH=14-2=12.
12. رتّب المحاليل التالية تصاعدياً من الأكثر حمضية إلى الأكثر قاعدية، بناءً على قيم pH فقط: محلول أ (pH=2)، محلول ب (pH=9)، محلول ج (pH=7)، محلول د (pH=12).
عرض الإجابة
من الأكثر حمضية إلى الأكثر قاعدية: محلول أ (pH=2) ← محلول ج (pH=7، متعادل) ← محلول ب (pH=9) ← محلول د (pH=12)؛ فكلما قلّت قيمة pH زادت الحمضية، وكلما زادت قيمة pH زادت القاعدية.