Прыклад пытанняў для абмеркавання кіслотна-шчолачнага метаду Брэнстэда-Лоўры
Кіслоты і асновы — важныя паняцці ў хіміі, якія развіваліся і ўдасканальваліся многімі навукоўцамі на працягу многіх гадоў. Адной з самых папулярных тэорый з'яўляецца тэорыя Бронстэда-Лоўры, прапанаваная Іаганесам Нікалаусам Бронстэдам і Томасам Марцінам Лоўры ў 1923 годзе. Гэтая тэорыя прапануе больш шырокае ўяўленне аб тым, як кіслоты і асновы ўзаемадзейнічаюць у хімічных рэакцыях. У гэтым артыкуле мы абмяркуем некалькі прыкладаў задач, звязаных з канцэпцыяй Бронстэда-Лоўры пра кіслоты і асновы, і спосабы іх вырашэння.
Асноўныя паняцці кіслот і асноў Брэнстэда-Лоўры
Згодна з тэорыяй Брэнстэда-Лоўры, кіслата — гэта рэчыва, якое можа аддаваць пратон (H+), а аснова — рэчыва, якое можа прымаць пратон. У хімічных рэакцыях кіслоты і асновы ўзаемадзейнічаюць праз працэс пераносу пратона, дзе адно злучэнне дзейнічае як кіслата, вызваляючы пратон, а другое злучэнне дзейнічае як аснова, прымаючы пратон.
Прыклады кіслотна-шчолачных рэакцый
Прыкладам простай рэакцыі паміж кіслатой і асновай згодна з тэорыяй Брэнстэда-Лоўры з'яўляецца рэакцыя паміж сульфатам медзі(II) (H2SO4) і гідраксідам натрыю (NaOH):
\[ \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
У гэтай рэакцыі серная кіслата (H2SO4) дзейнічае як кіслата Брэнстэда-Лоўры, бо яна аддае пратон (H+) аснове NaOH, якая прымае пратон.
Прыклады пытанняў і абмеркавання
Пытанне 1: Вызначэнне кіслот і асноў
Пытанне:
Вызначце кіслоты і асновы Брэнстэда-Лоўры ў наступных рэакцыях:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Абмеркаванне:
У гэтай рэакцыі рэагентамі з'яўляюцца аміяк (NH3) і вада (H2O), а прадуктамі — іоны амонія (NH4+) і гідраксід-іоны (OH-). Давайце паглядзім, хто з іх дзейнічае як кіслата, а хто як аснова.
– NH3 дзейнічае як аснова, бо прымае пратоны (H+) ад H2O, утвараючы NH4+.
– H2O дзейнічае як кіслата, бо яна аддае пратон (H+) NH3, утвараючы OH-.
Такім чынам, у гэтай рэакцыі:
– NH3 — гэта аснова Брэнстэда-Лоўры.
– H2O — кіслата Брэнстэда-Лоўры.
Пытанне 2: Напісанне рэакцый спражэння
Пытанне:
Напішыце спалучаныя пары кіслот і асноў для наступных рэакцый:
\[ \text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \]
Абмеркаванне:
У гэтай рэакцыі HCl дзейнічае як кіслата Брэнстэда-Лоўры, ахвяруючы пратон (H+) H2O. Вада (H2O) прымае пратон і дзейнічае як аснова Брэнстэда-Лоўры. Пасля страты пратона HCl ператвараецца ў Cl-, а H2O, пасля атрымання пратона, ператвараецца ў H3O+.
– Кіслата (HCl) і яе спалучаная аснова (Cl-)
– Аснова (H2O) і яе спалучаная кіслата (H3O+)
Такім чынам, спалучаная пара кіслотна-асноўная ў гэтай рэакцыі выглядае наступным чынам:
– HCl / Cl-
– H2O / H3O+
Пытанне 3: Разлік pH раствора слабай кіслаты
Пытанне:
Вылічыце pH 0.1 М раствора воцатнай кіслаты (CH3COOH), калі вядома, што канстанта дысацыяцыі кіслаты (Ka) роўная \(1.8 \times 10^{-5}\).
Абмеркаванне:
Воцатная кіслата — слабая кіслата, і ў вадзе яна толькі часткова іянізуецца згодна з наступным ураўненнем:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \]
Этапы разліку pH наступныя:
1. Запішыце выраз для раўнавагі, выкарыстоўваючы пачатковую канцэнтрацыю і змяненне канцэнтрацыі:
\[ \text{Ka} = \frac{[\text{CH}_3\text{COO}^-][\text{H}^+]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
2. Падстаўце вядомыя значэнні і вырашыце адносна \([H^+]\):
\[1.8 \times 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1 – x} \]
Паколькі \(x\) вельмі малое ў параўнанні з 0.1, мы можам прыблізна вылічыць \(0.1 – x \прыблізна 0.1\):
\[1.8 \times 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1} \]
\[x^2 = 1.8 \times 10^{-6} \]
\[x = \sqrt{1.8 \times 10^{-6}} \]
\[ x \прыблізна 1.34 \раз 10^{-3} \]
3. Разлічыце pH:
\[ \text{pH} = -\log[\text{H}^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1.34 \times 10^{-3}) \]
\[ \text{pH} \прыблізна 2.87 \]
Такім чынам, pH 0.1 М раствора воцатнай кіслаты складае каля 2.87.
Пытанне 4: Вызначэнне амфіпратычных раствораў
Пытанне:
Вызначце амфіпратычны раствор у наступнай рэакцыі і растлумачце, чаму:
\[ \text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^- \]
Абмеркаванне:
Амфіпратычны раствор — гэта раствор, які можа выступаць як кіслата, так і аснова ў залежнасці ад умоў рэакцыі. У прыведзеным вышэй прыкладзе рэакцыі:
– \(\text{HCO}_3^-\) дзейнічае як аснова, калі прымае пратон ад \(\text{H}_2\text{O}\), утвараючы \(\text{H}_2\text{CO}_3\).
– \(\text{HCO}_3^-\) можа таксама дзейнічаць як кіслата пры іншых умовах, вызваляючы пратон і ўтвараючы \(\text{CO}_3^{2-}\).
Гэта паказвае, што іон \(\text{HCO}_3^-\) з'яўляецца амфіпратычным. Ён можа выступаць як кіслатой (донар пратонаў), так і асновай (акцэптар пратонаў) у залежнасці ад іншага рэчыва, з якім ён рэагуе.
З дапамогай гэтых прыкладаў задач мы можам лепш зразумець, як кіслотна-асноўная тэорыя Брэнстэда-Лоўры выкарыстоўваецца для аналізу і прагназавання хімічных узаемадзеянняў. Добрае разуменне гэтай тэорыі з'яўляецца асновай для многіх ужыванняў у хіміі, біяхіміі і іншых навуках.
