Näidisküsimused ja Arrheniuse hapete ja aluste arutelu
Happed ja alused on keemia põhimõisted. Üks tuntumaid teooriaid hapete ja aluste käitumise selgitamiseks on Arrheniuse teooria. Arrheniuse järgi on hape ühend, mis vees lahustudes tekitab H⁺ (või H₃O⁺) ioone, alus aga ühend, mis vees lahustudes tekitab OH⁻ ioone. Selles artiklis käsitleme mitmeid näidisprobleeme hapete ja alustega vastavalt Arrheniuse teooriale koos nende lahendustega.
Näidisküsimus 1
Küsimus:
0,1 M vesinikkloriidhappe (HCl) lahus lahustatakse vees. Arvuta H⁺ ioonide kontsentratsioon lahuses.
Arutelu:
Arrheniuse teooria kohaselt on HCl hape, kuna vees lahustudes tekitab see H⁺ ioone. HCl ionisatsioonivõrrand vees on järgmine:
\[ \tekst{HCl} \tekst{H}^+ + \tekst{Cl}^- \]
HCl algkontsentratsioon on 0,1 M. Kuna HCl on tugev hape, mis ioniseerub vesilahuses täielikult, toodab iga HCl molekul ühe H⁺ iooni ja ühe Cl⁻ iooni. Seega on H⁺ ioonide kontsentratsioon lahuses samuti võrdne HCl kontsentratsiooniga, nimelt:
\[ [\tekst{H}^+] = 0,1 \tekst{M} \]
Seega on H⁺ ioonide kontsentratsioon 0,1 M HCl lahuses 0,1 M.
Näidisküsimus 2
Küsimus:
Arvuta 0,01 M lämmastikhappe (HNO₃) lahuse pH.
Arutelu:
HNO₃ on tugev hape, mis ioniseerub vees täielikult, seega on HNO₃ ionisatsioonivõrrand järgmine:
\[ \text{HNO}_3 \to \text{H}^+ + \text{NO}_3^- \]
Antud HNO₃ kontsentratsioon on 0,01 M. Kuna HNO₃ on tugev hape, toodab iga HNO₃ molekul ühe H⁺ iooni. Seega on H⁺ ioonide kontsentratsioon lahuses võrdne HNO₃ kontsentratsiooniga, nimelt:
\[ [\tekst{H}^+] = 0,01 \tekst{M} \]
pH-d saab arvutada järgmise valemi abil:
\[ \pH} = -log [ \H}^+] \]
Sisestades valemisse H⁺ ioonide kontsentratsiooni, saame:
\[ \text{pH} = -\log(0,01) = -\log(10^{-2}) = 2 \]
Seega on 0,01 M HNO₃ lahuse pH 2.
Näidisküsimus 3
Küsimus:
Määrake OH⁻ ioonide kontsentratsioon 0,05 M NaOH lahuses.
Arutelu:
NaOH on tugev alus, mis ioniseerub vees täielikult, seega on NaOH ionisatsioonivõrrand järgmine:
\[ \text{NaOH} \to \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
NaOH kontsentratsioon on antud 0,05 M. Kuna NaOH on tugev alus, toodab iga NaOH molekul ühe OH⁻ iooni. Seega on OH⁻ ioonide kontsentratsioon lahuses võrdne NaOH kontsentratsiooniga, nimelt:
\[ [\tekst{OH}^-] = 0,05 \tekst{M} \]
Seega on OH⁻ ioonide kontsentratsioon 0,05 M NaOH lahuses 0,05 M.
Näidisküsimus 4
Küsimus:
Arvutage 0,01 M KOH lahuse pH.
Arutelu:
KOH on tugev alus, mis ioniseerub vees täielikult. KOH ionisatsioonivõrrand vees on järgmine:
\[ \tekst{KOH} \tekst{K}^+ + \tekst{OH}^- \]
Antud KOH kontsentratsioon on 0,01 M. Kuna KOH on tugev alus, toodab iga KOH molekul ühe OH⁻ iooni. Seega on OH⁻ ioonide kontsentratsioon lahuses võrdne KOH kontsentratsiooniga, nimelt:
\[ [\tekst{OH}^-] = 0,01 \tekst{M} \]
pH on H⁺ ioonide kontsentratsiooni mõõt lahuses. Selleks võime kasutada pH, H⁺ ioonide ja OH⁻ ioonide vahelist seost, mis on antud veeioonkorrutise (Kw) abil:
\[ \tekst{Kw} = [\tekst{H}^+][\tekst{OH}^-] = 1 korda 10^{-14} \]
Teades [OH⁻] väärtust, saame arvutada [H⁺]:
\[ [\tekst{H}^+] = \frac{\tekst{Kw}}{[\tekst{OH}^-]} = \frac{1 \korda 10^{-14}}{0,01} = 1 \korda 10^{-12} \tekst{M} \]
pH-d saab arvutada järgmise valemi abil:
\[ \pH} = -log [ \H}^+] \]
Sisestades valemisse H⁺ ioonide kontsentratsiooni, saame:
\[ \text{pH} = -\log(1 × 10^{-12}) = 12 \]
Seega on 0,01 M KOH lahuse pH 12.
Näidisküsimus 5
Küsimus:
Lahuse pH on 3. Arvuta H⁺ ioonide kontsentratsioon lahuses.
Arutelu:
pH on H⁺ ioonide kontsentratsiooni mõõt lahuses ja seda saab väljendada valemiga:
\[ \pH} = -log [ \H}^+] \]
H⁺ ioonide kontsentratsiooni arvutamiseks muudame valemi järgmiselt:
\[ [\tekst{H}^+] = 10^{-\tekst{pH}} \]
Antud pH väärtuste sisestamisel saame:
\[ [\tekst{H}^+] = 10^{-3} = 0,001 \tekst{M} \]
Seega on H⁺ ioonide kontsentratsioon lahuses, mille pH = 3, 0,001 M.
Näidisküsimus 6
Küsimus:
NH₄OH lahuse kontsentratsioon on 0,1 M. Arvutage lahuse pH, kui NH₄OH Kb väärtus on 1,8 x 10⁻⁵.
Arutelu:
NH₄OH on nõrk alus, mis ei ioniseeru vees täielikult. NH₄OH ionisatsioonivõrrand vees on järgmine:
\[ \text{NH}_4\text{OH} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
NH₄OH ionisatsiooni tasakaalukonstanti nimetatakse Kb ja see on antud järgmise valemiga:
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_4\text{OH}} \]
Kuna NH₄OH on nõrk alus, kasutame OH⁻ ioonide kontsentratsiooni arvutamiseks Kb. Eeldades, et x on ioniseeritud NH₄OH kontsentratsioon, muutub ionisatsioonivõrrand järgmiselt:
\[K_b = \frac{x^2}{0,1 – x} \ligikaudu \frac{x^2}{0,1} \]
Kuna Kb väärtus on väga väike, eeldame, et \(0,1 – x \um 0,1\):
\[1,8 korda 10^{-5} = \frac{x^2}{0,1} \]
\[x^2 = 1,8 korda 10^{-6} \]
\[x = \sqrt{1,8 \times 10^{-6}} \]
\[ x \umbes 1,34 \korda 10^{-3} \tekst{ M} \]
Seega on OH⁻ ioonide kontsentratsioon \(1,34 \× 10^{-3} \text{ M}\).
Sellest kontsentratsioonist saame arvutada H⁺ ioonide kontsentratsiooni, kasutades Kw:
\[ [\tekst{H}^+] = \frac{1 \korda 10^{-14}}{1,34 \korda 10^{-3}} \]
\[ [\tekst{H}^+] = 7,46 korda 10^{-12} \tekst{M} \]
pH:
\[ \text{pH} = -\log(7,46 × 10^{-12}) \]
\[ \pH väärtus umbes 11,13 \]
Seega on 0,1 M NH₄OH lahuse pH umbes 11,13.
Järeldus
Arrheniuse teooria annab väärtusliku aluse hapete ja aluste käitumise mõistmiseks lahuses. Selles arutelus oleme vaadanud mitmeid näidisülesandeid, mis illustreerivad, kuidas neid mõisteid saab kasutada H⁺ ja OH⁻ ioonide kontsentratsioonide ja erinevate lahuste pH arvutamiseks. Selle teooria mõistmine on oluline kõigile, kes soovivad keemias karjääri teha, olgu siis keskkoolis või kõrghariduse tasemel.
