Қышқылдар мен негіздердің беріктігі мен рН мәнін талқылайтын мысал сұрақтар
Қышқыл-негіздік беріктік және рН химияда, әсіресе қышқылдар мен негіздер саласында маңызды тақырыптар болып табылады. Бұл мақалада біз қышқыл мен негіздік беріктікті қалай анықтау керектігін және бірнеше мысал есептерді қолдана отырып, ерітіндінің рН-ын қалай есептеу керектігін талқылаймыз.
Қышқылдар мен негіздермен таныстыру
Ассам
Қышқыл – суда еріген кезде сутегі иондарын (H⁺) бөліп шығара алатын қосылыс. H⁺ иондарын бөліп шығару қабілетіне байланысты қышқылдар екі түрге жіктеледі:
1. Күшті қышқыл: Ерітіндіде 100% диссоциацияланып, H⁺ иондарын толығымен бөліп шығаратын қышқыл. Мысалдар: Тұз қышқылы (HCl), күкірт қышқылы (H₂SO₄), азот қышқылы (HNO₃).
2. Әлсіз қышқыл: Ерітіндіде тек ішінара диссоциацияланатын, тек кейбір молекулалар ғана H⁺ иондарын бөліп шығаратын қышқыл. Мысалдар: сірке қышқылы (CH₃COOH), көмірқышқылы (H₂CO₃), синиль қышқылы (HCN).
Баса
Негіз – суда еріген кезде гидроксид иондарын (OH⁻) бөліп шығара алатын қосылыс. OH⁻ иондарын бөліп шығару қабілетіне байланысты негіздер де екі түрге жіктеледі:
1. Күшті негіз: Ерітіндіде 100% диссоциацияланып, OH⁻ иондарын толығымен бөліп шығаратын негіз. Мысалдар: Натрий гидроксиді (NaOH), калий гидроксиді (KOH).
2. Әлсіз негіз: Ерітіндіде тек ішінара диссоциацияланатын, тек кейбір молекулалар ғана OH⁻ иондарын бөліп шығаратын негіз. Мысалдар: Аммиак (NH₃), магний гидроксиді (Mg(OH)₂).
рН тұжырымдамасы
рН - ерітіндінің қышқылдығын немесе сілтілігін өлшеу. Ол сутегі ионының (H⁺) концентрациясының теріс логарифмі ретінде анықталады:
\[ \text{pH} = – \log [H⁺] \]
Негізгі ерітінділер үшін гидроксид ионының (OH⁻) концентрациясының теріс логарифмі ретінде анықталатын pOH да қолданылады:
\[ \text{pOH} = – \log [OH⁻] \]
рН және pOH арасындағы байланыс:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
рН 7 бейтарап, рН 7-ден аз қышқыл, ал рН 7-ден жоғары сілтілі деп аталады.
Үлгі сұрақтар және талқылау
1-мысал: Күшті қышқылдың рН мәнін есептеу
Сұрақ: 0,01 М HCl ерітіндісінің рН мәнін анықтаңыз.
Талқылау: HCl – H⁺ және Cl⁻ иондарына толығымен ыдырап кететін күшті қышқыл. HCl мен H⁺ арасында 1:1 молярлық қатынас болғандықтан, H⁺ концентрациясы 0,01 М құрайды.
\[ \text{pH} = – \log [H⁺] \]
\[ \text{pH} = – \log (0,01) \]
\[ \text{pH} = 2 \]
Сонымен, 0,01 М HCl ерітіндісінің рН мәні 2-ге тең.
2-мысал: Әлсіз қышқылдың рН мәнін есептеу
Сұрақ: Егер CH₃COOH-тың \( K_a \) \( 1,8 \em 10^{-5} \) болса, 0,1 М CH₃COOH (сірке қышқылы) ерітіндісінің рН мәнін анықтаңыз.
Талқылау: Әлсіз қышқылдар толығымен диссоциацияланбайды, сондықтан H⁺ концентрациясын анықтау үшін қышқыл диссоциациялану константасын (\( K_a \) ) қолданамыз. CH₃COOH үшін диссоциациялану теңдеуі:
\[ \text{CH₃ COOH} \rightleftharpoons \text{H⁺} + \text{CH₃ COO⁻} \]
Буферлік ерітінді ережесінен \(x \) түзілген H⁺ иондарының концентрациясы деп есептейміз:
\[ K_a = \frac{ [H⁺][CH₃ COO⁻] }{ [CH₃ COOH] } \]
\[ 1,8 \times 10^{-5} = \frac{ (x)(x)}{ 0,1 – x } \]
\( x \) 0,1 М-мен салыстырғанда өте кішкентай болғандықтан, бөлгіштегі x-ті ескермеуге болады:
\[ 1,8 \times 10^{-5} \approx \frac{ x^2 }{0,1 } \]
\[x^2 \шамамен 1,8 \рет 10^{-6} \]
\[ x \approx \sqrt{ 1,8 \times 10^{-6} } \]
\[ x \шамамен 1,34 \уақыт 10^{-3} \]
Сонымен, H⁺ концентрациясы 1,34 есе 10^{-3} тең:
\[ \text{pH} = – \log [H⁺] \]
\[ \text{pH} = – \log (1,34 \times 10^{-3}) \]
\[ \text{pH} \шамамен 2,87 \]
Сонымен, 0,1 М CH3₃COOH ерітіндісінің рН мәні шамамен 2,87 құрайды.
3-мысал: Күшті негіздің рН мәнін есептеу
Сұрақ: 0,01 М NaOH ерітіндісінің рН мәнін анықтаңыз.
Талқылау: NaOH - Na⁺ және OH⁻ иондарына толығымен ыдырап кететін берік негіз. NaOH мен OH⁻ арасында 1:1 молярлық қатынасы болғандықтан, OH⁻ концентрациясы 0,01 М құрайды.
\[ \text{pOH} = – \log [OH⁻] \]
\[ \text{pOH} = – \log (0,01) \]
\[ \text{pOH} = 2 \]
\( \text{pH} + \text{pOH} = 14 \ қатынасын пайдалану арқылы):
\[ \text{pH} = 14 – \text{pOH} \]
\[ \text{pH} = 14 – 2 \]
\[ \text{pH} = 12 \]
Сонымен, 0,01 М NaOH ерітіндісінің рН мәні 12-ге тең.
4-мысал: Әлсіз негіздің рН мәнін есептеу
Сұрақ: Егер NH₃ ерітіндісінің рН мәні (K_b) 1,8 есе 10^{-5} болса, 0,1 М NH₃ ерітіндісінің рН мәнін анықтаңыз.
Талқылау: Әлсіз негіздер толығымен диссоциацияланбайды, сондықтан OH⁻ концентрациясын анықтау үшін негіздік диссоциация константасын (\( K_b \) ) қолданамыз. NH₃ үшін диссоциация теңдеуі келесідей:
\[ \text{NH₃ + H₂O} \rightleftharpoons \text{NH₄⁺ + OH⁻} \]
Әлсіз қышқылдар үшін қолданылатын әдісті қолдана отырып, \(y\) түзілген OH⁻ иондарының концентрациясы деп есептейміз:
\[ K_b = \frac{ [NH₄⁺][OH⁻] }{ [NH₃] } \]
\[ 1,8 \рет 10^{-5} = \frac{ (y)(y) }{ 0,1 – y } \]
\(y\) кіші деп есептесек, теңдеу келесідей болады:
\[ 1,8 \times 10^{-5} \approx \frac{y^2 }{0,1 } \]
\[ y^2 \шамамен 1,8 \рет 10^{-6} \]
\[ y \approx \sqrt{ 1,8 \times 10^{-6} } \]
\[ y \шамамен 1,34 \уақыт 10^{-3} \]
OH⁻ концентрациясы \( 1,34 \есеп 10^{-3} \):
\[ \text{pOH} = – \log [OH⁻] \]
\[ \text{pOH} = – \log (1,34 \times 10^{-3}) \]
\[ \text{pOH} \шамамен 2,87 \]
\( \text{pH} + \text{pOH} = 14 \ қатынасын пайдалану арқылы):
\[ \text{pH} = 14 – 2,87 \]
\[ \text{pH} \шамамен 11,13 \]
Сонымен, 0,1 М NH₃ ерітіндісінің рН мәні шамамен 11,13 құрайды.
Қорытынды
Ерітіндінің рН мәнін анықтау және қышқылдар мен негіздердің күштік мәндерін түсіну химияның маңызды негіздері болып табылады. Күшті қышқылдар мен негіздер ерітіндіде толығымен диссоциацияланады, ал әлсіз қышқылдар мен негіздер тек ішінара диссоциацияланады. \(K_a \) және \(K_b \) пайдалану әлсіз қышқылдар мен негіздердің рН мәнін есептеуді жеңілдетеді. Бұл дағдылар өнеркәсіптік, фармацевтикалық және қоршаған орта химиясын қоса алғанда, әртүрлі салаларда қолдану үшін өте маңызды. Тұжырымдамаларды түсіну және мысалдарды зерттеу арқылы біз күнделікті өмірде рН және қышқыл-негіз күшіне қатысты мәселелерді оңайырақ шеше аламыз.
