Näidisküsimused hapete ja aluste omaduste ja kontseptsioonide kohta
Hapete ja aluste omadused ja mõisted on keemias olulised teemad, millel on laialdased rakendused erinevates valdkondades, sealhulgas tööstuses, farmaatsias ja biokeemias. Happe-aluse omaduste põhimõistete ja rakenduste mõistmine on õpilaste ja teadlaste jaoks ülioluline. See artikkel käsitleb mitmeid näidisprobleeme, mis puudutavad hapete ja aluste omadusi ja mõisteid koos nende lahendustega, et anda lugejatele selgem pilt.
Hapete ja aluste põhimõisted
Enne küsimuste ja nende arutelude ülevaatamist vaatame üle mõned hapete ja aluste põhimõisted.
Hapu:
– Happed on ühendid, mis saavad lahuses loovutada vesinikioone (H⁺).
– Hapetel on happelised omadused, näiteks hapu maitse (nagu äädikal) ja võime reageerida metallidega.
Bass:
– Alus on ühend, mis suudab lahuses siduda vesinikioone või juhtida hüdroksiidioone (OH⁻).
– Alustel on aluselised omadused, näiteks kibe maitse ja libe tekstuur (nagu seebil).
Happe-aluse teooria:
– Arrheniuse teooria: vesilahuses moodustavad happed H⁺ ja alused OH⁻.
– Brønsted-Lowry teooria: happed on H⁺ doonorid ja alused on H⁺ aktseptorid.
– Lewise teooria: happed on elektronpaaride aktseptorid ja alused on elektronpaaride doonorid.
Näidisküsimused ja arutelud
Näidisküsimus 1: Tugeva happe lahuse pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage 0,01 M HCl lahuse pH.
Arutelu:
HCl on tugev hape, mis lahuses täielikult dissotsieerub, moodustades H⁺ ja Cl⁻. H⁺ kontsentratsioon on sama, mis HCl algkontsentratsioon.
\[[H⁺] = 0,01 \, M \]
pH on defineeritud kui vesinikuioonide kontsentratsiooni negatiivne kümnendlogaritm:
\[ \text{pH} = -\log[H⁺] \]
\[ \text{pH} = -\log(0,01) \]
\[ \tekst{pH} = 2 \]
Seega on 0,01 M HCl lahuse pH 2.
Näidisküsimus 2: Tugeva aluse lahuse pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage 0,001 M NaOH lahuse pH.
Arutelu:
NaOH on tugev alus, mis dissotsieerub lahuses täielikult, moodustades Na⁺ ja OH⁻. OH⁻ kontsentratsioon on sama, mis NaOH algkontsentratsioon.
\[[OH⁻] = 0,001 \, M \]
PoH on defineeritud kui hüdroksiidioonide kontsentratsiooni negatiivne kümnendlogaritm:
\[ \text{pOH} = -\log[OH⁻] \]
\[ \pOH} = -\log(0,001) \]
\[ \pOH} = 3 \]
pH ja pOH on seotud võrrandiga:
\[ \pH} + \pOH} = 14 \]
\[ \pH = 14–3 \]
\[ \tekst{pH} = 11 \]
Seega on 0,001 M NaOH lahuse pH 11.
Näide 3: Nõrga happe pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage 0,1 M äädikhappe (CH₃COOH) lahuse pH, mille happe dissotsiatsioonikonstant (Ka) on \(1,8 \× 10^{-5} \).
Arutelu:
Nõrgad happed ei dissotsieeru lahuses täielikult. pH arvutamiseks peame kõigepealt määrama H⁺ ioonide kontsentratsiooni, kasutades Ka väärtust.
\[ CH_3COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3COO^- \]
Kui η on tekkiva H⁺ kontsentratsioon:
\[ Ka = \frac{{[H^+][CH_3COO^-]}}{{[CH_3COOH]}} \]
\[Ka = \frac{{x \cdot x}}{{0,1 – x}} \]
Kuna tegemist on nõrga happega, eeldame, et x on väga väike, seega 0,1 – x umbes 0,1:
\[1,8 korda 10^{-5} = \frac{x^2}{0,1} \]
\[x^2 = 1,8 korda 10^{-6} \]
\[x = \sqrt{1,8 \times 10^{-6}} \]
\[ x \umbes 1,34 \korda 10^{-3} \]
H⁺ ioonide kontsentratsioon on umbes \(1,34 \x 10^{-3} \):
\[ \text{pH} = -\log[H^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1,34 × 10^{-3}) \]
\[ \pH väärtus umbes 2,87 \]
Seega on 0,1 M CH₃COOH lahuse pH umbes 2,87.
Näidisküsimus 4: Nõrga aluse pH arvutamine
Küsimus:
Arvutage 0,05 M ammoniaagi (NH₃) lahuse pH, mille aluse dissotsiatsioonikonstant (Kb) on \(1,8 \× 10^{-5} \).
Arutelu:
Nõrgad alused ei dissotsieeru lahuses täielikult. pH arvutamiseks peame kõigepealt määrama OH⁻ ioonide kontsentratsiooni, kasutades Kb väärtust.
\[NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^- \]
Kui η on tekkivate OH⁻ kontsentratsioon:
\[Kb = \frac{{[NH_4^+][OH^-]}}{{[NH_3]}} \]
\[Kb = \frac{{x \cdot x}}{{0,05 – x}} \]
Eeldame, et x on väga väike, seega 0,05 – x umbes 0,05:
\[1,8 korda 10^{-5} = \frac{x^2}{0,05} \]
\[x^2 = 9,0 korda 10^{-7} \]
\[x = \sqrt{9,0 \times 10^{-7}} \]
\[ x \umbes 9,49 \korda 10^{-4} \]
OH⁻ ioonide kontsentratsioon on umbes \(9,49 \x 10^{-4} \):
\[ \text{pOH} = -\log[OH^-] \]
\[ \text{pOH} = -\log(9,49 korda 10^{-4}) \]
\[ \pOH} \umbes 3,02 \]
pH ja pOH on seotud võrrandiga:
\[ \pH} + \pOH} = 14 \]
\[ \pH = 14–3,02 \]
\[ \pH väärtus umbes 10,98 \]
Näidisküsimus 5: Hapete ja aluste neutraliseerimine
Küsimus:
Milline maht 0,1 M NaOH lahust on vajalik 50 ml 0,1 M HCl lahuse neutraliseerimiseks?
Arutelu:
Happe ja aluse vaheline neutraliseerimisreaktsioon tekitab vett ja soola:
\[ HCl + NaOH \paremnool NaCl + H_2O \]
HCl moolide arv:
\[n_{HCl} = Molaarsus \korda ruumala \]
\[n_{HCl} = 0,1 \, M \x 0,05 \, L \]
\[n_{HCl} = 0,005 \, mol \]
Kuna iga mool HCl-i reageerib ühe mooli NaOH-ga, on vajalike NaOH moolide arv sama, nimelt 0,005 mooli.
Vajalik NaOH maht:
\[n_{NaOH} = Molaarsus_{NaOH} × ruumala \]
\[Maht_{NaOH} = \frac{n_{NaOH}}{Molaarsus_{NaOH}} \]
\[Maht_{NaOH} = \frac{0,005 \, mol}{0,1 \, M} \]
\[ Maht_{NaOH} = 0,05 \, L \]
\[ Maht_{NaOH} = 50 \, ml \]
Seega on 50 ml 0,1 M HCl lahuse neutraliseerimiseks vaja 50 ml 0,1 M NaOH lahust.
Ülaltoodud küsimusi arutades loodame saada selgema arusaama hapete ja aluste omadustest ja mõistetest. Need omadused ja mõisted on väga olulised mitmesugustes igapäevastes keemiarakendustes, alates laborianalüüsist kuni tööstuseni.
