Бренстед-Лоури қышқыл-негіздік талқылау сұрақтарының мысалы
Қышқылдар мен негіздер - химиядағы маңызды ұғымдар, оларды көптеген ғалымдар жылдар бойы әзірлеп, жетілдірді. Ең танымал теориялардың бірі - 1923 жылы Йоханнес Николас Бронстед пен Томас Мартин Лоури ұсынған Бронстед-Лоури теориясы. Бұл теория қышқылдар мен негіздер химиялық реакцияларда қалай әрекеттесетіні туралы кеңірек түсінік береді. Бұл мақалада біз Бронстед-Лоуридің қышқылдар мен негіздер туралы тұжырымдамасына қатысты бірнеше мысал есептерді және оларды қалай шешу керектігін талқылаймыз.
Бренстед-Лоури қышқылдары мен негіздері туралы негізгі түсініктер
Бренстед-Лоури теориясына сәйкес, қышқыл - протон (H+) бере алатын зат, ал негіз - протонды қабылдай алатын зат. Химиялық реакцияларда қышқылдар мен негіздер протонды тасымалдау процесі арқылы өзара әрекеттеседі, мұнда бір қосылыс протонды бөліп шығару арқылы қышқыл қызметін атқарады, ал екінші қосылыс протонды қабылдау арқылы негіз қызметін атқарады.
Қышқыл-негіз реакцияларының мысалдары
Бренстед-Лоури теориясы бойынша қышқыл мен негіз арасындағы қарапайым реакцияның мысалы ретінде мыс (II) сульфаты (H2SO4) мен натрий гидроксиді (NaOH) арасындағы реакцияны айтуға болады:
\[ \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Бұл реакцияда күкірт қышқылы (H2SO4) Бренстед-Лоури қышқылы ретінде әрекет етеді, себебі ол протонды қабылдайтын NaOH негізіне протон (H+) береді.
Үлгі сұрақтар мен талқылаулар
1-сұрақ: Қышқылдар мен негіздерді анықтау
Сұрақ:
Келесі реакциялардағы Бренстед-Лоури қышқылдары мен негіздерін анықтаңыз:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Талқылау:
Бұл реакцияда аммиак (NH3) және су (H2O) реактивтер, ал аммоний иондары (NH4+) және гидроксид иондары (OH-) өнімдер болып табылады. Қайсысы қышқыл, қайсысы негіз ретінде әрекет ететінін қарастырайық.
– NH3 негіз ретінде әрекет етеді, себебі ол H2O-дан протондарды (H+) NH4+ түзу үшін қабылдайды.
– H2O қышқыл ретінде әрекет етеді, себебі ол OH- түзу үшін NH3-ке протон (H+) береді.
Сонымен, бұл реакцияда:
– NH3 – Бронстед-Лоури базасы.
– H2O – Бренстед-Лоури қышқылы.
2-сұрақ: Конъюгация реакцияларын жазу
Сұрақ:
Келесі реакциялар үшін қышқыл-негіз жұптарының конъюгатын жазыңыз:
\[ \text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \]
Талқылау:
Бұл реакцияда HCl H2O-ға протон (H+) беру арқылы Бренстед-Лоури қышқылы ретінде әрекет етеді. Су (H2O) протонды қабылдап, Бренстед-Лоури негізі ретінде әрекет етеді. Протонды жоғалтқаннан кейін HCl Cl--ге айналады, ал H2O протонды қосып алғаннан кейін H3O+-қа айналады.
– Қышқыл (HCl) және оның конъюгат негізі (Cl-)
– Негіз (H2O) және оның конъюгат қышқылы (H3O+)
Осылайша, бұл реакциядағы қышқыл-негіз жұбының конъюгаты:
– HCl / Cl-
– H2O / H3O+
3-сұрақ: Әлсіз қышқыл ерітіндісінің рН мәнін есептеу
Сұрақ:
Егер қышқыл диссоциациялану константасы (Ka) \(1.8 \көбейту 10^{-5}\) екені белгілі болса, 0.1 М сірке қышқылы ерітіндісінің (CH3COOH) рН мәнін есептеңіз.
Талқылау:
Сірке қышқылы әлсіз қышқыл, ал суда ол келесі теңдеуге сәйкес тек ішінара ионданады:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \]
рН есептеу қадамдары келесідей:
1. Бастапқы концентрация мен концентрацияның өзгеруін пайдаланып, тепе-теңдік өрнегін құрыңыз:
\[ \text{Ka} = \frac{[\text{CH}_3\text{COO}^-][\text{H}^+]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
2. Белгілі мәндерді ауыстырып, \([H^+]\) теңдеуін шешіңіз:
\[ 1.8 \times 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1 – x} \]
\(x\) 0.1-мен салыстырғанда өте аз болғандықтан, \(0.1 – x \шамамен 0.1\) жуықтап есептей аламыз:
\[ 1.8 \times 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1} \]
\[x^2 = 1.8 \10^{-6} \]
\[x = \sqrt{1.8 \times 10^{-6}} \]
\[ x \шамамен 1.34 \уақыт 10^{-3} \]
3. рН мәнін есептеңіз:
\[ \text{pH} = -\log[\text{H}^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1.34 \times 10^{-3}) \]
\[ \text{pH} \шамамен 2.87 \]
Сонымен, 0.1 М сірке қышқылы ерітіндісінің рН мәні шамамен 2.87 құрайды.
4-сұрақ: Амфипротикалық ерітінділерді анықтау
Сұрақ:
Келесі реакциядағы амфипротикалық ерітіндіні анықтаңыз және себебін түсіндіріңіз:
\[ \text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^- \]
Талқылау:
Амфипротикалық ерітінді - реакция жағдайларына байланысты қышқыл немесе негіз ретінде әрекет ете алатын ерітінді. Жоғарыдағы реакция мысалында:
– \(\text{HCO}_3^-\) \(\text{H}_2\text{O}\-ден протон қабылдағанда негіз ретінде әрекет етеді және \(\text{H}_2\text{CO}_3\) түзеді.
– \(\text{HCO}_3^-\) басқа жағдайларда да қышқыл ретінде әрекет ете алады, протон бөліп шығарады және \(\text{CO}_3^{2-}\) түзеді.
Бұл \(\text{HCO}_3^-\) ионының амфипротикалық екенін көрсетеді. Ол әрекеттесетін басқа затқа байланысты қышқыл (протон доноры) және негіз (протон акцепторы) ретінде әрекет ете алады.
Осы мысал есептердің көмегімен біз Бренстед-Лоури қышқыл-негіз теориясының химиялық өзара әрекеттесулерді талдау және болжау үшін қалай қолданылатынын жақсырақ түсіне аламыз. Бұл теорияны терең түсіну химия, биохимия және басқа да ғылымдардағы көптеген қолданбалардың негізі болып табылады.
