Näidisküsimused hapete ja aluste pH kohta
Hapetest ja alustest rääkides on üks oluline mõiste, mida peame mõistma, pH. pH on lahuse happesuse või leeliselisuse mõõt. Üks pH määramiseks kasutatav valem on:
\[ \text{pH} = -\log[H^+] \]
Selles valemis on \([H^+]\) vesinikioonide kontsentratsioon lahuses, mõõdetuna molaarsuses (\(\text{mol/L}\)). Lisaks pH-le on meil ka \(\text{pOH}\), mida kasutatakse lahuse aluselisuse määramiseks:
\[ \text{pOH} = -\log[OH^-] \]
Seejärel reguleerib pH ja pOH vahelist seost järgmine võrrand:
\[ \pH} + \pOH} = 14 \]
Allpool arutame mitmeid näidisküsimusi happe- ja aluseliste lahuste pH arvutamise kohta koos nendevaheliste aruteludega.
Näidisküsimus 1: Tugeva happe lahuse pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage 0,01 M kontsentratsiooniga HCl (vesinikkloriidhappe) lahuse pH.
Arutelu:
HCl on tugev hape, mis lahustub vees täielikult:
\[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Kuna HCl on täielikult dissotsieerunud, on vesinikioonide \([H^+]\) kontsentratsioon lahuses sama, mis HCl algkontsentratsioon, mis on 0,01 M.
\[ [H^+] = 0,01 \, \text{M} \]
Järgmisena kasutame pH valemit:
\[ \text{pH} = -\log[H^+] \]
\[ \pH väärtus = -log (0,01) \]
\[ \text{pH} = -\log(10^{-2}) \]
\[ \tekst{pH} = 2 \]
Seega on 0,01 M HCl lahuse pH 2.
Näidisküsimus 2: Tugeva aluse lahuse pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage 0,001 M kontsentratsiooniga NaOH (naatriumhüdroksiidi) lahuse pH.
Arutelu:
NaOH on tugev alus, mis dissotsieerub vees täielikult:
\[ \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Hüdroksiidioonide ([OH^-]) kontsentratsioon lahuses on sama, mis NaOH algkontsentratsioon, nimelt 0,001 M.
\[ [OH^-] = 0,001 \, \text{M} \]
Seejärel arvutame pOH väärtuse:
\[ \text{pOH} = -\log[OH^-] \]
\[ \pOH} = -\log(0,001) \]
\[ \text{pOH} = -\log(10^{-3}) \]
\[ \pOH} = 3 \]
Pärast seda kasutame pH ja pOH vahelist seost:
\[ \pH} + \pOH} = 14 \]
\[ \pH väärtus + 3 = 14 \]
\[ \tekst{pH} = 11 \]
Seega on 0,001 M NaOH lahuse pH 11.
Näidisküsimus 3: Nõrga happe lahuse pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage CH3COOH (äädikhappe) lahuse pH, mille kontsentratsioon on 0,01 M ja dissotsiatsioonikonstant \(K_a = 1,8 \× 10^{-5}}).
Arutelu:
Kui meil on nõrk hape, näiteks äädikhape, mis ei dissotsieeru täielikult, peame lahuses H+ ioonide kontsentratsiooni leidmiseks kasutama happe dissotsiatsioonikonstanti (\(K_a\)).
Äädikhappe dissotsiatsiooni võrrand vees:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \leftrightarrow \text{H}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^- \]
Dissotsiatsioonikonstant (\(K_a\)):
\[ K_a = \frac{[H^+] [\text{CH}_3\text{COO}^-]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
Oletame, et vesinikioonide ja atsetaatioonide kontsentratsioon on \(x\), siis:
\[K_a = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
Kuna K_a on väga väike, võime eeldada, et 0,01 – x umbes 0,01:
\[1,8 korda 10^{-5} = \frac{x^2}{0,01} \]
\[x^2 = 1,8 korda 10^{-5} \korda 0,01 \]
\[x^2 = 1,8 korda 10^{-7} \]
\[x = \sqrt{1,8 \times 10^{-7}} \]
\[ x \umbes 1,34 \korda 10^{-4} \]
Seega on vesinikioonide kontsentratsioon \([H^+]\) \(1,34 \x 10^{-4} \, \text{M}\).
Järgmisena arvutame pH väärtuse:
\[ \text{pH} = -\log[H^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1,34 × 10^{-4}) \]
\[ \pH väärtus umbes 3,87 \]
Seega on 0,01 M äädikhappe lahuse pH umbes 3,87.
Näidisküsimus 4: Nõrga aluse lahuse pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage NH3 (ammoniaak) lahuse pH, mille kontsentratsioon on 0,01 M ja aluse dissotsiatsioonikonstant on \(K_b = 1,8 \× 10^{-5}}\).
Arutelu:
NH3 on nõrk alus, mis ei dissotsieeru täielikult. OH^- ioonide kontsentratsiooni lahuses leidmiseks peame kasutama aluse dissotsiatsioonikonstanti (\(K_b\)).
Ammoniaagi dissotsiatsioonireaktsioon vees:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Aluse dissotsiatsioonikonstant (\(K_b\)):
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_3]} \]
Oletame, et ammooniumioonide ja hüdroksiidioonide kontsentratsioon on \(x\), siis:
\[K_b = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
Kuna \(K_b\) on väga väike, võime eeldada, et \(0,01 – x \um 0,01\):
\[1,8 korda 10^{-5} = \frac{x^2}{0,01} \]
\[x^2 = 1,8 korda 10^{-5} \korda 0,01 \]
\[x^2 = 1,8 korda 10^{-7} \]
\[x = \sqrt{1,8 \times 10^{-7}} \]
\[ x \umbes 1,34 \korda 10^{-4} \]
Seega on hüdroksiidioonide ([OH^-]) kontsentratsioon (1,34 × 10^{-4}, \text{M}).
Seejärel arvutame pOH väärtuse:
\[ \text{pOH} = -\log[OH^-] \]
\[ \pOH} = -\log(1,34 × 10^{-4}) \]
\[ \pOH} \umbes 3,87 \]
Pärast seda kasutame pH ja pOH vahelist seost:
\[ \pH} + \pOH} = 14 \]
\[ \pH väärtus + 3,87 = 14 \]
\[ \pH väärtus umbes 10,13 \]
Seega on 0,01 M ammoniaagilahuse pH umbes 10,13.
Järeldus
pH uurimisel on oluline mõista tugevate ja nõrkade hapete ja aluste erinevust ning seda, kuidas igaüks lahuses dissotsieerub. See mõjutab otseselt seda, kuidas me arvutame antud lahuse pH-d. pH arvutamine hõlmab logaritmide ja keemiliste põhimõtete kasutamist. Nende mõistete mõistmine aitab meil keemia ja bioloogia igapäevastes rakendustes.
