Dæmi um spurningar sem fjalla um styrk sýra og basa
Sýru- og basastyrkur eru mikilvæg hugtök í efnafræði sem gefa til kynna hversu áhrifaríkt sýru- eða basasameind getur gefið róteind (H⁺) eða tekið við róteind, talið í sömu röð. Í þessari umræðu munum við skoða nokkur dæmi um vandamál sem munu hjálpa okkur að skilja sýru- og basastyrk, sem og hvernig á að reikna út sýrustig (pH) og sýrustig (pOH) þeirra. Áður en við förum í umræðuna um vandamálin skulum við fyrst skilja grunnatriði sýru- og basakenningarinnar.
Inngangur að styrk sýra og basa
Styrkur sýru eða basa má ákvarða út frá jónunarstigi hennar í lausn. Sterk sýra er sýra sem er næstum alveg jónuð í lausn, en veik sýra er aðeins að hluta til jónuð. Hið sama gildir um basa.
Sterkar sýrur og veikar sýrur
Sterkar sýrur, eins og:
– Saltsýra (HCl)
– Brennisteinssýra (H₂SO₄)
– Saltpéturssýra (HNO₃)
Það er næstum alveg jónað í lausn. Til dæmis mun HCl í vatni klofna næstum alveg í H⁺ og Cl⁻.
Veikar sýrur, eins og:
– Ediksýra (CH₃COOH)
– Flúorsýra (HF)
– Sítrónusýra (C₆H₈O₇)
aðeins að hluta til jónað í lausn. Þetta þýðir að á hverjum tíma eru sumar sýrusameindirnar áfram í sameindaformi og klofna ekki í jónir.
Sterkir grunnar og veikir grunnar
Sterkir grunnar, eins og:
– Natríumhýdroxíð (NaOH)
– Kalíumhýdroxíð (KOH)
– Kalsíumhýdroxíð (Ca(OH)₂)
Það er næstum alveg jónað í vatnslausn og framleiðir mikið magn af OH⁻ jónum.
Veikir grunnar, eins og:
– Ammoníak (NH₃)
– Metýlamín (CH₃NH₂)
það jónast aðeins að hluta til í lausn og framleiðir tiltölulega lítið magn af OH⁻ jónum.
Dæmi um spurningar og umræður
Við skulum prófa nokkur dæmi um vandamál til að skilja þetta hugtak betur.
Dæmispurning 1: Að reikna út pH sterkrar sýru
Spurning:
Reiknið pH gildið (pH) í 0,1 M HCl lausn.
Umræða:
HCl er sterk sýra, þannig að hún jónast að fullu í lausn:
[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Þar sem HCl er fullkomlega jónað, er styrkur [H⁺] jafn styrk HCl:
\[ [\text{H}^+] = 0,1 \, \text{M} \]
[pH = -log[H+]]
[pH = -log(0,1)]
\[ \text{pH} = 1 \]
Þannig að pH-gildið í 0,1 M HCl lausn er 1.
Dæmispurning 2: Útreikningur á pH veikrar sýru
Spurning:
Reiknið pH gildið í 0,1 M CH₃COOH lausn. Það er vitað að Ka (sýrusundrunarstuðullinn) fyrir CH₃COOH er 1,8 x 10⁻⁶.
Umræða:
Fyrir veikar sýrur verður að taka tillit til jónunarstigs. Jafnvægisjafnan fyrir sundrun ediksýru er:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^- \]
Með því að nota Ka:
\[ \text{Ka} = \frac{[\text{H}^+][\text{CH}_3\text{COO}^-]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
Gerum ráð fyrir að sundrunin [H⁺] = [CH₃COO⁻] = x og upphaflega [CH₃COOH] sé 0,1 M, þá:
[1,8 × 10⁻⁵ = \frac{x²}{0,1 – x}]
Þar sem Ka er lítið er hægt að hunsa x samanborið við 0,1:
[1,8 × 10⁻⁶ 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]
Þá, [H⁺] ≈ (1,34 x 10-3):
[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 CH₃COOH lausnar um 2,87.
Dæmispurning 3: Útreikningur á pOH og pH sterkra basa
Spurning:
Reiknið pOH og pH gildi 0,01 M NaOH lausnar.
Umræða:
NaOH er sterkur basi sem er fullkomlega jónaður í vatni:
[ \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Þar sem NaOH er fullkomlega jónað, er styrkur [OH⁻] jafn styrkur NaOH:
\[ [\text{OH}^-] = 0,01 \, \text{M} \]
[pOH = -log[OH-]
[pOH = -log(0,01)]
\[ \text{pOH} = 2 \]
Það er vitað að pH og pOH tengjast með jöfnunni:
[pH + pOH = 14]
Svo,
[pH = 14 – pOH]
\[ \text{pH} = 14 – 2 \]
\[ \text{pH} = 12 \]
Þannig er pOH gildið í 0,01 M NaOH lausn 2 og pH gildið er 12.
Dæmispurning 4: Útreikningur á pH veikburða basa
Spurning:
Reiknið pH gildið í 0,1 M NH₃ lausn. Það er vitað að Kb (basasundrunarstuðull) NH₃ er 1,76 sinnum 10⁻⁶.
Umræða:
NH₃ í vatni hvarfast við myndun NH₄⁺ og OH⁻:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2 \text{O} \text{rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Með því að nota Kb,
\[ \text{Kb} = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_3]} \]
Gerum ráð fyrir að sundrunin [OH⁻] = [NH₄⁺] = x, og upphaflega [NH₃] sé 0,1 M, þá:
[1,76 × 10⁻⁵ = \frac{x²}{0,1 – x}]
Sem forsenda er x hverfandi lítið miðað við 0,1:
[1,76 × 10⁻⁶ x² = 0,1]
\[ x^2 = 1,76 \times 10^{-6} \]
\[ x = \sqrt{1,76 \times 10^{-6}} \]
[x = u.þ.b. 1,33 sinnum 10⁻³]
Þá, [OH⁻] ≈ \(1,33 \times 10^{-3}\):
[pOH = -log[OH-]
[pOH = -log(1,33 sinnum 10-3)]
\[ \text{pOH} \u.þ.b. 2,88 \]
Síðan er pH-gildið reiknað út með:
[pH = 14 – pOH]
\[ \text{pH} = 14 – 2,88 \]
pH gildið er u.þ.b. 11,12.
Þannig er pH-gildi 0,1 M NH₃ lausnar um það bil 11,12.
Niðurstaða
Að skilja styrk sýra og basa er grundvallaratriði í efnafræði. Með því að skilja hvernig á að reikna út pH og pOH, og vita hvernig á að bera kennsl á veikar og sterkar sýrur og basa, verður þú betur undirbúinn til að takast á við fjölbreytt efnafræðileg vandamál sem fela í sér lausnir. Dæmin sem gefin eru munu vonandi skýra þessi hugtök og veita traustan grunn fyrir frekara nám.
