Dæmi um Brønsted-Lowry sýru-basa umræðuspurningar
Sýrur og basar eru mikilvæg hugtök í efnafræði sem margir vísindamenn hafa þróað og betrumbætt í gegnum tíðina. Ein vinsælasta kenningin er Brønsted-Lowry kenningin, sem Johannes Nicolaus Brønsted og Thomas Martin Lowry settu fram árið 1923. Þessi kenning býður upp á víðtækari sýn á hvernig sýrur og basar hafa samskipti í efnahvörfum. Í þessari grein munum við ræða nokkur dæmi um vandamál sem tengjast Brønsted-Lowry hugtakinu um sýrur og basa og hvernig á að leysa þau.
Grunnhugtök um Brønsted-Lowry sýrur og basa
Samkvæmt kenningunni um Brønsted og Lowry er sýra efni sem getur gefið frá sér róteind (H+), en basi er efni sem getur tekið við róteind. Í efnahvörfum hafa sýrur og basar samskipti í gegnum róteindaflutningsferli, þar sem annað efnasambandið virkar sem sýra með því að losa róteind og hitt efnasambandið virkar sem basi með því að taka við róteind.
Dæmi um sýru-basa viðbrögð
Dæmi um einfalda efnahvarf milli sýru og basa samkvæmt Brønsted-Lowry kenningunni er efnahvarfið milli kopar(II)súlfats (H2SO4) og natríumhýdroxíðs (NaOH):
[ \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Í þessari efnahvarfi virkar brennisteinssýra (H2SO4) sem Brønsted-Lowry sýra því hún gefur róteind (H+) til basans NaOH, sem tekur við róteindinni.
Dæmi um spurningar og umræður
Spurning 1: Að bera kennsl á sýrur og basa
Spurning:
Finndu Brønsted-Lowry sýrurnar og basana í eftirfarandi efnahvörfum:
[\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Umræða:
Í þessari efnahvarfi eru ammóníak (NH3) og vatn (H2O) hvarfefnin, en ammóníumjónir (NH4+) og hýdroxíðjónir (OH-) eru afurðirnar. Við skulum sjá hvor virkar sem sýra og hvor virkar sem basi.
– NH3 virkar sem basi því það tekur við róteindum (H+) úr H2O og myndar NH4+.
– H2O virkar sem sýra því það gefur róteind (H+) til NH3 til að mynda OH-.
Svo, í þessum viðbrögðum:
– NH3 er Brønsted-Lowry basi.
– H2O er Brønsted-Lowry sýra.
Spurning 2: Að skrifa samtengingarviðbrögð
Spurning:
Skrifaðu samtengdu sýru-basa pörin fyrir eftirfarandi efnahvörf:
[ \text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \]
Umræða:
Í þessari efnahvarfi virkar HCl sem Brønsted-Lowry sýra með því að gefa róteind (H+) til H2O. Vatn (H2O) tekur við róteindinni og virkar sem Brønsted-Lowry basi. Eftir að hafa misst róteind breytist HCl í Cl-, og H2O, eftir að hafa tekið við róteind, breytist í H3O+.
– Sýra (HCl) og samtengdur basi hennar (Cl-)
– Basi (H2O) og samtengd sýra (H3O+)
Þannig er samtengda sýru-basa parið í þessari viðbrögðum:
– HCl / Cl-
– H2O / H3O+
Spurning 3: Að reikna út pH-gildi veikrar sýrulausnar
Spurning:
Reiknið pH gildi 0.1 M lausnar af ediksýru (CH3COOH) ef vitað er að sundrunarstuðullinn (Ka) er 1.8 x 10⁻⁶.
Umræða:
Ediksýra er veik sýra og í vatni jónast hún aðeins að hluta samkvæmt eftirfarandi jöfnu:
\[ \text{CH}_3 \text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3 \text{COO}^- + \text{H}^+ \]
Skrefin til að reikna út pH eru eftirfarandi:
1. Settu upp jafnvægisjöfnuna með því að nota upphafsstyrkinn og breytinguna á styrknum:
\[ \text{Ka} = \frac{[\text{CH}_3\text{COO}^-][\text{H}^+]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
2. Settu þekkt gildi inn í reitinn og leystu fyrir \([H^+]\):
[1.8 × 10⁻⁵ = \frac{x²}{0.1 – x}]
Þar sem \(x\) er mjög lítið miðað við 0.1, getum við nálgað \(0.1 – x \approx 0.1\):
[1.8 × 10⁻⁶ = \frac{x²/0.1}]
\[ x^2 = 1.8 \times 10^{-6} \]
\[ x = \sqrt{1.8 \times 10^{-6}} \]
[x = u.þ.b. 1.34 sinnum 10⁻³]
3. Reiknaðu pH-gildið:
[pH = -log[H+]]
[pH = -log(1.34 sinnum 10-3)]
pH gildið er u.þ.b. 2.87.
Þannig er pH-gildi 0.1 M ediksýrulausnar um 2.87.
Spurning 4: Að bera kennsl á amfíprótískar lausnir
Spurning:
Finndu amfíprótísku lausnina í eftirfarandi efnahvarfi og útskýrðu hvers vegna:
\[ \text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^- \]
Umræða:
Amfíprótísk lausn er lausn sem getur virkað annað hvort sem sýra eða basi, allt eftir viðbragðsskilyrðum. Í dæminu um viðbrögð hér að ofan:
– \(\text{HCO}_3^-\) virkar sem basi þegar það tekur við róteind frá \(\text{H}_2\text{O}\) og myndar \(\text{H}_2\text{CO}_3\).
– \(\text{HCO}_3^-\) getur einnig virkað sem sýra við aðrar aðstæður, losað róteind og myndað \(\text{CO}_3^{2-}\).
Þetta sýnir að HCO3-jónin er amfíprótísk. Hún getur virkað bæði sem sýra (róteindagjafi) og basi (róteindaþegi), allt eftir því hvaða efni hún hvarfast við.
Með þessum dæmum getum við betur skilið hvernig sýru-basakenningin Brønsted-Lowry er notuð til að greina og spá fyrir um efnafræðilegar víxlverkanir. Góð skilningur á þessari kenningu er grunnurinn að mörgum notkunum í efnafræði, lífefnafræði og öðrum vísindum.
