Dæmi um spurningar um pH gildi sýra og basa
Þegar við tölum um sýrur og basa er mikilvægt hugtak sem við verðum að skilja pH. pH er mælikvarði á sýrustig eða basastig lausnar. Ein formúla sem notuð er til að ákvarða pH er:
[pH = -log [H+]]
Í þessari formúlu er \([H^+]\) styrkur vetnisjóna í lausninni, mældur í mólarstyrk (\(\text{mól/L}\)). Auk pH-gildisins höfum við einnig \(\text{pOH}\), sem er notað til að ákvarða basíska eðli lausnar:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
Þá er sambandið milli pH og pOH stjórnað af eftirfarandi jöfnu:
[pH + pOH = 14]
Hér að neðan munum við ræða nokkur dæmi um spurningar varðandi hvernig á að reikna út sýrustig sýru- og basalausna, ásamt umfjöllun um þær.
Dæmispurning 1: Útreikningur á pH-gildi sterkrar sýrulausnar
Spurning:
Reiknið pH gildi HCl (saltsýru) lausnar með styrk 0,01 M.
Umræða:
HCl er sterk sýra sem leysist alveg upp í vatni:
[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Þar sem HCl er alveg sundrað, verður styrkur vetnisjóna \([H^+]\) í lausninni sá sami og upphafsstyrkur HCl, sem er 0,01 M.
\[ [H^+] = 0,01 \, \text{M} \]
Næst notum við pH formúluna:
[pH = -log [H+]]
[pH = -log (0,01)]
[pH = -log (10-2)]
\[ \text{pH} = 2 \]
Þannig að pH-gildi 0,01 M HCl lausnar er 2.
Dæmispurning 2: Útreikningur á pH-gildi sterkra basískra lausna
Spurning:
Reiknið pH gildi NaOH (natríumhýdroxíð) lausnar með styrkinn 0,001 M.
Umræða:
NaOH er sterkur basi sem leysist alveg upp í vatni:
[ \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Styrkur hýdroxíðjóna \([OH^-]\) í lausninni verður sá sami og upphafsstyrkur NaOH, þ.e. 0,001 M.
\[ [OH^-] = 0,001 \, \text{M} \]
Næst reiknum við pOH:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
[pOH = -log (0,001)]
[pOH = -log (10-3)]
\[ \text{pOH} = 3 \]
Eftir það notum við sambandið milli pH og pOH:
[pH + pOH = 14]
\[ \text{pH} + 3 = 14 \]
\[ \text{pH} = 11 \]
Þannig að pH-gildi 0,001 M NaOH lausnar er 11.
Dæmispurning 3: Útreikningur á pH-gildi veikrar sýrulausnar
Spurning:
Reiknið pH gildið í CH3COOH (ediksýru) lausn með styrk 0,01 M og sundrunarstuðul ∫(K_a = 1,8 × 10⁻⁶).
Umræða:
Þegar við höfum veika sýru, eins og ediksýru, sem klofnar ekki alveg, verðum við að nota sýruklofnunarstuðulinn (\(K_a\)) til að finna styrk H+ jóna í lausninni.
Jafna fyrir sundrun ediksýru í vatni:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \leftrightarrow \text{H}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^- \]
Sundrunarstuðull (\(K_a\)):
[K_a = \frac{[H^+] [\text{CH}_3\text{COO}^-]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]}]
Gerum ráð fyrir að styrkur vetnisjóna og asetatjóna sé \(x\), þá:
\[K_a = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
Þar sem \(K_a\) er mjög lítill, getum við gert ráð fyrir að \(0,01 – x \approx 0,01\):
[1,8 × 10⁻⁶ = \frac{x²/0,01}]
[x² = 1,8 × 10⁻⁶ × 0,01]
\[ x^2 = 1,8 \times 10^{-7} \]
\[ x = \sqrt{1,8 \times 10^{-7}} \]
[x = u.þ.b. 1,34 sinnum 10⁻³]
Þannig er styrkur vetnisjóna \([H^+]\) \(1,34 \times 10^{-4} \, \text{M}\).
Næst reiknum við pH gildið:
[pH = -log [H+]]
[pH = -log (1,34 sinnum 10-4)]
pH gildið er u.þ.b. 3,87.
Þannig er pH-gildi 0,01 M ediksýrulausnar um 3,87.
Dæmispurning 4: Útreikningur á pH-gildi veikrar basalausnar
Spurning:
Reiknið pH gildið í lausn af NH3 (ammóníaki) með styrk 0,01 M og basasundrunarstuðul (K_b = 1,8 × 10⁻⁶).
Umræða:
NH3 er veikur basi sem klofnar ekki alveg. Við verðum að nota klofnunarstuðulinn fyrir basa (\(K_b\)) til að finna styrk OH^- jóna í lausn.
Sundrunarviðbrögð ammoníaks í vatni:
[\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Basasundrunarstuðullinn (\(K_b\)):
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_3]} \]
Gerum ráð fyrir að styrkur ammóníumjóna og hýdroxíðjóna sé \(x\), þá:
\[ K_b = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
Þar sem \(K_b\) er mjög lítill, getum við gert ráð fyrir að \(0,01 – x \approx 0,01\):
[1,8 × 10⁻⁶ = \frac{x²/0,01}]
[x² = 1,8 × 10⁻⁶ × 0,01]
\[ x^2 = 1,8 \times 10^{-7} \]
\[ x = \sqrt{1,8 \times 10^{-7}} \]
[x = u.þ.b. 1,34 sinnum 10⁻³]
Þannig er styrkur hýdroxíðjóna \([OH^-]\) \(1,34 \times 10^{-4} \, \text{M}\).
Næst reiknum við pOH:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
[pOH = -log (1,34 sinnum 10-4)]
\[ \text{pOH} \u.þ.b. 3,87 \]
Eftir það notum við sambandið milli pH og pOH:
[pH + pOH = 14]
\[ \text{pH} + 3,87 = 14 \]
pH gildið er u.þ.b. 10,13.
Þannig er pH-gildi 0,01 M ammóníaklausnar um það bil 10,13.
Niðurstaða
Í rannsóknum á sýrustigi er mikilvægt að skilja muninn á sterkum og veikum sýrum og basum, og hvernig hvor um sig klofnar í lausn. Þetta hefur bein áhrif á hvernig við reiknum sýrustig tiltekinnar lausnar. Útreikningur á sýrustigi felur í sér notkun lógaritma og grunnreglna í efnafræði. Að skilja þessi hugtök getur hjálpað okkur í ýmsum daglegum notkunum í efnafræði og líffræði.
