Primjeri pitanja i diskusija o Arrheniusovim kiselinama i bazama
Kiseline i baze su fundamentalni koncepti u hemiji. Jedna od najpoznatijih teorija koja objašnjava ponašanje kiselina i baza je Arrheniusova teorija. Prema Arrheniusu, kiselina je spoj koji, kada se rastvori u vodi, proizvodi H⁺ (ili H₃O⁺) ione, dok je baza spoj koji, kada se rastvori u vodi, proizvodi OH⁻ ione. U ovom članku ćemo razmotriti nekoliko primjera problema u vezi s kiselinama i bazama prema Arrheniusovoj teoriji, zajedno s njihovim rješenjima.
Primjer pitanja 1
Pitanje:
Rastvor hlorovodonične kiseline (HCl) koncentracije 0,1 M rastvoren je u vodi. Izračunajte koncentraciju H⁺ iona u rastvoru.
Diskusija:
Prema Arrheniusovoj teoriji, HCl je kiselina jer proizvodi H⁺ ione kada se rastvara u vodi. Jednačina jonizacije za HCl u vodi je sljedeća:
\[ \text{HCl} \to \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Početna koncentracija HCl je 0,1 M. Budući da je HCl jaka kiselina koja se potpuno ionizira u vodenom rastvoru, svaki molekul HCl će proizvesti jedan H⁺ ion i jedan Cl⁻ ion. Stoga je koncentracija H⁺ iona u rastvoru također jednaka koncentraciji HCl, naime:
\[ [\text{H}^+] = 0,1 \text{M} \]
Dakle, koncentracija H⁺ iona u 0,1 M rastvoru HCl iznosi 0,1 M.
Primjer pitanja 2
Pitanje:
Izračunajte pH vrijednost 0,01 M rastvora azotne kiseline (HNO₃).
Diskusija:
HNO₃ je jaka kiselina koja se potpuno jonizuje u vodi, tako da je jednačina jonizacije za HNO₃ sljedeća:
\[ \text{HNO}_3 \to \text{H}^+ + \text{NO}_3^- \]
Data koncentracija HNO₃ je 0,01 M. Budući da je HNO₃ jaka kiselina, svaki molekul HNO₃ će proizvesti jedan H⁺ ion. Stoga je koncentracija H⁺ iona u rastvoru jednaka koncentraciji HNO₃, naime:
\[ [\text{H}^+] = 0,01 \text{M} \]
pH se može izračunati pomoću formule:
\[ \text{pH} = -\log [\text{H}^+] \]
Uvrštavanjem koncentracije H⁺ iona u formulu, dobijamo:
\[ \text{pH} = -\log (0,01) = -\log (10^{-2}) = 2 \]
Dakle, pH vrijednost 0,01 M rastvora HNO₃ je 2.
Primjer pitanja 3
Pitanje:
Odredite koncentraciju OH⁻ iona u 0,05 M rastvoru NaOH.
Diskusija:
NaOH je jaka baza koja se potpuno jonizuje u vodi, tako da je jednačina jonizacije za NaOH sljedeća:
\[ \text{NaOH} \to \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Data koncentracija NaOH je 0,05 M. Budući da je NaOH jaka baza, svaki molekul NaOH će proizvesti jedan OH⁻ ion. Stoga je koncentracija OH⁻ iona u rastvoru jednaka koncentraciji NaOH, naime:
\[ [\text{OH}^-] = 0,05 \text{M} \]
Dakle, koncentracija OH⁻ iona u 0,05 M rastvoru NaOH iznosi 0,05 M.
Primjer pitanja 4
Pitanje:
Izračunajte pH vrijednost 0,01 M rastvora KOH.
Diskusija:
KOH je jaka baza koja se u vodi potpuno jonizuje. Jednačina jonizacije za KOH u vodi je sljedeća:
\[ \text{KOH} \to \text{K}^+ + \text{OH}^- \]
Data koncentracija KOH je 0,01 M. Budući da je KOH jaka baza, svaki molekul KOH će proizvesti jedan OH⁻ ion. Stoga je koncentracija OH⁻ iona u rastvoru jednaka koncentraciji KOH, naime:
\[ [\text{OH}^-] = 0,01 \text{M} \]
pH je mjera koncentracije H⁺ iona u rastvoru. Možemo koristiti odnos između pH, H⁺ iona i OH⁻ iona dat proizvodom iona vode (Kw):
\[ \text{Kw} = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1 \puta 10^{-14} \]
Znajući vrijednost [OH⁻], možemo izračunati [H⁺]:
\[ [\text{H}^+] = \frac{\text{Kw}}{[\text{OH}^-]} = \frac{1 \puta 10^{-14}}{0,01} = 1 \puta 10^{-12} \text{M} \]
pH se može izračunati pomoću formule:
\[ \text{pH} = -\log [\text{H}^+] \]
Uvrštavanjem koncentracije H⁺ iona u formulu, dobijamo:
\[ \text{pH} = -\log (1 \puta 10^{-12}) = 12 \]
Dakle, pH vrijednost 0,01 M rastvora KOH je 12.
Primjer pitanja 5
Pitanje:
Rastvor ima pH = 3. Izračunajte koncentraciju H⁺ iona u rastvoru.
Diskusija:
pH je mjera koncentracije H⁺ iona u rastvoru i može se izraziti formulom:
\[ \text{pH} = -\log [\text{H}^+] \]
Da bismo izračunali koncentraciju H⁺ iona, mijenjamo formulu u:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}} \]
Uvrštavanjem datih pH vrijednosti dobijamo:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-3} = 0,001 \text{M} \]
Dakle, koncentracija H⁺ iona u rastvoru sa pH = 3 je 0,001 M.
Primjer pitanja 6
Pitanje:
Rastvor NH₄OH ima koncentraciju od 0,1 M. Izračunajte pH rastvora ako je Kb vrijednost za NH₄OH 1,8 x 10⁻⁵.
Diskusija:
NH₄OH je slaba baza koja se ne jonizuje u potpunosti u vodi. Jednačina jonizacije za NH₄OH u vodi je sljedeća:
\[ \text{NH}_4\text{OH} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Konstanta ravnoteže za jonizaciju NH₄OH naziva se Kb i data je kao:
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_4\text{OH}} \]
Budući da je NH₄OH slaba baza, koristimo Kb za izračunavanje koncentracije OH⁻ iona. Pod pretpostavkom da je \(x\) koncentracija joniziranog NH₄OH, jednačina jonizacije postaje:
\[ K_b = \frac{x^2}{0,1 – x} \approx \frac{x^2}{0,1} \]
Budući da je vrijednost Kb vrlo mala, pretpostavljamo da je \(0,1 – x \približno 0,1\):
\[1,8 \puta 10^{-5} = \frac{x^2}{0,1} \]
\[x^2 = 1,8 \puta 10^{-6} \]
\[ x = \sqrt{1,8 \puta 10^{-6}} \]
\[ x \približno 1,34 \puta 10^{-3} \text{ M} \]
Dakle, koncentracija OH⁻ iona je \(1,34 \puta 10^{-3} \text{ M}\).
Iz ove koncentracije možemo izračunati koncentraciju H⁺ iona koristeći Kw:
\[ [\text{H}^+] = \frac{1 \puta 10^{-14}}{1,34 \puta 10^{-3}} \]
\[ [\text{H}^+] = 7,46 \puta 10^{-12} \text{M} \]
pH:
\[ \text{pH} = -\log (7,46 \puta 10^{-12}) \]
\[ \text{pH} \približno 11,13 \]
Dakle, pH vrijednost 0,1 M rastvora NH₄OH je oko 11,13.
Zaključak
Arrheniusova teorija pruža vrijednu osnovu za razumijevanje ponašanja kiselina i baza u rastvoru. U ovoj diskusiji smo pogledali nekoliko primjera problema koji ilustruju kako se ovi koncepti mogu koristiti za izračunavanje koncentracija H⁺ i OH⁻ iona i pH vrijednosti različitih rastvora. Razumijevanje ove teorije je ključno za svakoga ko se bavi hemijom, bilo na nivou srednje škole ili visokog obrazovanja.
