Dæmi um spurningar sem fjalla um eiginleika og hugtök sýra og basa
Eiginleikar og hugtök sýra og basa eru mikilvæg efni í efnafræði og hafa víðtæka notkun á ýmsum sviðum, þar á meðal iðnaði, lyfjafræði og lífefnafræði. Að skilja grunnhugtök og notkun sýru-basa eiginleika er grundvallaratriði fyrir nemendur og vísindamenn. Þessi grein fjallar um nokkur dæmi um eiginleika og hugtök sýra og basa, ásamt lausnum þeirra, til að veita lesendum skýrari mynd.
Grunnhugtök um sýrur og basa
Áður en við förum yfir spurningarnar og umræður um þær skulum við fara yfir nokkur grunnhugtök um sýrur og basa.
Súrt:
– Sýrur eru efnasambönd sem geta gefið frá sér vetnisjónir (H⁺) í lausn.
– Sýrur hafa súra eiginleika, til dæmis súrt bragð (eins og edik) og getu til að hvarfast við málma.
Bassi:
– Basi er efnasamband sem getur tekið við vetnisjónum eða leitt hýdroxíðjónir (OH⁻) í lausn.
– Basar hafa grunneiginleika, eins og beiskt bragð og sleipa áferð (eins og sápa).
Sýru-basa kenning:
– Arrheniusarkenningin: Sýrur framleiða H⁺ og basar framleiða OH⁻ í vatnslausn.
– Brønsted-Lowry kenningin: Sýrur eru H⁺ gefarar og basar eru H⁺ þiggjendur.
– Lewis-kenningin: Sýrur eru rafeindaparaþegar og basar eru rafeindaparagjafar.
Dæmi um spurningar og umræður
Dæmispurning 1: Útreikningur á pH-gildi sterkrar sýrulausnar
Spurning:
Reiknið pH gildið (pH) í 0,01 M HCl lausn.
Umræða:
HCl er sterk sýra sem sundrast alveg í lausn og myndar H⁺ og Cl⁻. Styrkur H⁺ er sá sami og upphafsstyrkur HCl.
\[ [H⁺] = 0,01 \, M \]
pH er skilgreint sem neikvæður 10-logaritmi af styrk vetnisjóna:
[pH = -log[H⁺]]
[pH = -log(0,01)]
\[ \text{pH} = 2 \]
Þannig að pH-gildi 0,01 M HCl lausnar er 2.
Dæmispurning 2: Útreikningur á pH-gildi sterkra basískra lausna
Spurning:
Reiknaðu pH gildið í 0,001 M NaOH lausn.
Umræða:
NaOH er sterkur basi sem sundrast alveg í lausn og myndar Na⁺ og OH⁻. Styrkur OH⁻ er sá sami og upphafsstyrkur NaOH.
\[ [OH⁻] = 0,001 \, M \]
PoH er skilgreint sem neikvæður 10-logaritmi af styrk hýdroxíðjóna:
[pOH = -log[OH⁻]]
[pOH = -log(0,001)]
\[ \text{pOH} = 3 \]
pH og pOH tengjast með jöfnunni:
[pH + pOH = 14]
\[ \text{pH} = 14 – 3 \]
\[ \text{pH} = 11 \]
Þannig að pH-gildi 0,001 M NaOH lausnar er 11.
Dæmi 3: Útreikningur á pH veikrar sýru
Spurning:
Reiknið pH gildi 0,1 M ediksýrulausnar (CH₃COOH), sem hefur sýrusundrunarstuðul (Ka) upp á 1,8 x 10⁻⁶.
Umræða:
Veikar sýrur klofna ekki alveg í lausn. Til að reikna út pH verðum við fyrst að ákvarða styrk H⁺ jóna með því að nota Ka gildið.
\[ CH_3COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3COO^- \]
Ef \(x \) er styrkur H⁺ sem myndast:
\[ Ka = \frac{{[H^+][CH_3COO^-]}}{{[CH_3COOH]}} \]
[Ka = \frac{{x \cdot x}}{{0,1 – x}}]
Þar sem þetta er veik sýra, gerum ráð fyrir að \(x \) sé mjög lítil þannig að \(0,1 – x \approx 0,1 \):
[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]
Styrkur H⁺ jóna er um það bil 1,34 x 10⁺
[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 4: Útreikningur á pH veikburða basa
Spurning:
Reiknið pH gildi 0,05 M ammóníaklausnar (NH₃), sem hefur basasundrunarstuðul (Kb) upp á 1,8 sinnum 10⁻⁶.
Umræða:
Veikir basar klofna ekki alveg í lausn. Til að reikna út pH verðum við fyrst að ákvarða styrk OH⁻ jóna með því að nota Kb gildið.
\[ NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^- \]
Ef \(x \) er styrkur OH⁻ sem myndast:
\[ Kb = \frac{{[NH_4^+][OH^-]}}{{[NH_3]}} \]
\[ Kb = \frac{{x \cdot x}}{{0,05 – x}} \]
Gerum ráð fyrir að \(x \) sé mjög lítil þannig að \(0,05 – x \approx 0,05 \):
[1,8 × 10⁻⁶ = \frac{x²/0,05}]
\[ x^2 = 9,0 \times 10^{-7} \]
\[ x = \sqrt{9,0 \times 10^{-7}} \]
[x = u.þ.b. 9,49 sinnum 10⁻³]
Styrkur OH⁻ jóna er um það bil 9,49 x 10⁻.
\[ \text{pOH} = -\log[OH^-] \]
[pOH = -log(9,49 sinnum 10-4)]
\[ \text{pOH} \u.þ.b. 3,02 \]
pH og pOH tengjast með jöfnunni:
[pH + pOH = 14]
\[ \text{pH} = 14 – 3,02 \]
pH gildið er u.þ.b. 10,98.
Dæmi um spurningu 5: Hlutleysingu sýra og basa
Spurning:
Hversu mikið magn af 0,1 M NaOH lausn þarf til að hlutleysa 50 ml af 0,1 M HCl lausn?
Umræða:
Hlutleysingarviðbrögð milli sýru og basa mynda vatn og salt:
\[ HCl + NaOH \ hægri ör NaCl + H_2O \]
Fjöldi móla af HCl:
\[ n_{HCl} = Mólarstyrkur \times rúmmál \]
[n_{HCl} = 0,1 M x 0,05 L]
\[ n_{HCl} = 0,005 \, mól \]
Þar sem hvert mól af HCl hvarfast við eitt mól af NaOH, þarf jafnmarga móla af NaOH, þ.e. 0,005 mól.
Nauðsynlegt magn af NaOH:
\[ n_{NaOH} = Mólarstyrkur_{NaOH} \times rúmmál \]
\[ Rúmmál_{NaOH} = \frac{n_{NaOH}}{Mólstyrkur_{NaOH}} \]
[Rúmmál NaOH = \frac{0,005 \mól}{0,1 \mól} \]
\[ Rúmmál_{NaOH} = 0,05 \, L \]
\[ Rúmmál_{NaOH} = 50 \, mL \]
Því þarf 50 ml af 0,1 M NaOH lausn til að hlutleysa 50 ml af 0,1 M HCl lausn.
Með því að ræða spurningarnar hér að ofan vonumst við til að skilningur okkar á eiginleikum og hugtökum sýra og basa hafi skýrst betur. Þessir eiginleikar og hugtök eru mjög viðeigandi í ýmsum daglegum efnafræðiforritum, allt frá greiningum á rannsóknarstofum til iðnaðar.
