Näide Brønsted-Lowry happe-aluse aruteluküsimustest
Happed ja alused on keemias olulised mõisted, mida paljud teadlased on aastate jooksul arendanud ja täiustanud. Üks populaarsemaid teooriaid on Brønsted-Lowry teooria, mille esitasid Johannes Nicolaus Brønsted ja Thomas Martin Lowry 1923. aastal. See teooria pakub laiema vaatenurga sellele, kuidas happed ja alused keemilistes reaktsioonides omavahel suhtlevad. Selles artiklis käsitleme mitmeid näidisprobleeme, mis on seotud Brønsted-Lowry hapete ja aluste kontseptsiooniga ning nende lahendamisega.
Brønsted-Lowry hapete ja aluste põhimõisted
Brønsted-Lowry teooria kohaselt on hape aine, mis saab loovutada prootoni (H+), samas kui alus on aine, mis saab prootoni vastu võtta. Keemilistes reaktsioonides toimivad happed ja alused prootoniülekande protsessi kaudu, kus üks ühend toimib happena, vabastades prootoni, ja teine ühend toimib alusena, võttes prootoni vastu.
Happe-aluse reaktsioonide näited
Bronsted-Lowry teooria kohaselt on lihtsa happe ja aluse reaktsiooni näide vask(II)sulfaadi (H2SO4) ja naatriumhüdroksiidi (NaOH) vaheline reaktsioon:
\[ \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Selles reaktsioonis toimib väävelhape (H2SO4) Brønsted-Lowry happena, kuna see loovutab prootoni (H+) alusele NaOH, mis prootoni vastu võtab.
Näidisküsimused ja arutelud
Küsimus 1: Hapete ja aluste tuvastamine
Küsimus:
Tuvastage järgmistes reaktsioonides Brønsted-Lowry happed ja alused:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2 \text{O} \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Arutelu:
Selles reaktsioonis on reagendid ammoniaak (NH3) ja vesi (H2O), saadusteks aga ammooniumoonid (NH4+) ja hüdroksiidioonid (OH-). Vaatame, kumb neist toimib happena ja kumb alusena.
– NH3 toimib alusena, kuna see võtab H2O-st vastu prootoneid (H+), moodustades NH4+.
– H2O toimib happena, kuna see loovutab NH3-le prootoni (H+), moodustades OH-.
Seega, selles reaktsioonis:
– NH3 on Brønsted-Lowry alus.
– H2O on Brønsted-Lowry hape.
Küsimus 2: Konjugatsioonireaktsioonide kirjutamine
Küsimus:
Kirjutage järgmiste reaktsioonide konjugeeritud happe-aluse paarid:
\[ \tekst{HCl} + \tekst{H}_2 \tekst{O} \paremale noolele \tekst{H}_3 \tekst{O}^+ + \tekst{Cl}^- \]
Arutelu:
Selles reaktsioonis toimib HCl Bronsted-Lowry happena, loovutades prootoni (H+) H2O-le. Vesi (H2O) võtab prootoni vastu ja toimib Bronsted-Lowry alusena. Pärast prootoni kaotamist muutub HCl Cl--ks ja H2O pärast prootoni saamist muutub H3O+-ks.
– Hape (HCl) ja selle konjugeeritud alus (Cl-)
– Alus (H2O) ja selle konjugeeritud hape (H3O+)
Seega on selles reaktsioonis konjugeeritud happe-aluse paar:
– HCl / Cl-
– H2O / H3O+
Küsimus 3: Nõrga happe lahuse pH arvutamine
Küsimus:
Arvuta 0.1 M äädikhappe (CH3COOH) lahuse pH, kui on teada, et happe dissotsiatsioonikonstant (Ka) on \(1.8 \x 10^{-5}}\).
Arutelu:
Äädikhape on nõrk hape ja vees ioniseerub see ainult osaliselt vastavalt järgmisele võrrandile:
\[ \text{CH}_3 \text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3 \text{COO}^- + \text{H}^+ \]
pH arvutamise sammud on järgmised:
1. Koostage tasakaalu avaldis, kasutades algkontsentratsiooni ja kontsentratsiooni muutust:
\[ \tekst{Ka} = \frac{[\tekst{CH}_3\tekst{COO}^-][\tekst{H}^+]}{[\tekst{CH}_3\tekst{COOH}]} \]
2. Asendage teadaolevad väärtused ja lahendage \([H^+]\):
\[1.8 korda 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1 – x} \]
Kuna x on 0.1-ga võrreldes väga väike, saame ligikaudselt arvutada x (0.1 – x umbes 0.1):
\[1.8 korda 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1} \]
\[x^2 = 1.8 korda 10^{-6} \]
\[x = \sqrt{1.8 \times 10^{-6}} \]
\[ x \umbes 1.34 \korda 10^{-3} \]
3. Arvutage pH:
\[ \pH} = -\log[\H}^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1.34 × 10^{-3}) \]
\[ \pH väärtus umbes 2.87 \]
Seega on 0.1 M äädikhappe lahuse pH umbes 2.87.
Küsimus 4: Amfiprootsete lahuste tuvastamine
Küsimus:
Tuvastage järgmises reaktsioonis amfiprootne lahus ja selgitage, miks:
\[ \text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \text{leftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^- \]
Arutelu:
Amfiprootne lahus on lahus, mis võib reaktsioonitingimustest olenevalt toimida kas happe või alusena. Ülaltoodud näidisreaktsioonis:
– \(\text{HCO}_3^-\) toimib alusena, kui see võtab vastu prootoni \(\text{H}_2\text{O}\-lt, tekitades \(\text{H}_2\text{CO}_3\).
– \(\text{HCO}_3^-\) võib ka teistes tingimustes toimida happena, vabastades prootoni ja tekitades \(\text{CO}_3^{2-}\).
See näitab, et \(\text{HCO}_3^-\) ioon on amfiprootne. See võib toimida nii happena (prootonidoonorina) kui ka alusena (prootonaktseptorina), olenevalt teisest ainest, millega see reageerib.
Nende näidisülesannete abil saame paremini aru, kuidas Brønsted-Lowry happe-aluse teooriat kasutatakse keemiliste interaktsioonide analüüsimiseks ja ennustamiseks. Selle teooria hea mõistmine on aluseks paljudele rakendustele keemias, biokeemias ja teistes teadustes.
