Қышқылдар мен негіздердің рН мәнін талқылайтын мысал сұрақтар
Қышқылдар мен негіздер туралы айтқан кезде, біз түсінуіміз керек маңызды ұғымдардың бірі - рН. рН - ерітіндінің қышқылдығын немесе сілтілігін өлшеу. рН анықтау үшін қолданылатын формулалардың бірі:
\[ \text{pH} = -\log [H^+] \]
Бұл формулада \([H^+]\) - ерітіндідегі сутегі иондарының молярлықпен өлшенген концентрациясы (\(\text{mol/L}\)). рН-тан басқа, ерітіндінің негізділігін анықтау үшін қолданылатын \(\text{pOH}\) бар:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
Содан кейін рН және pOH арасындағы байланыс келесі теңдеумен реттеледі:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
Төменде қышқыл және негіз ерітінділерінің рН мәнін қалай есептеуге болатыны туралы бірнеше мысал сұрақтарды және оларды талқылауды қарастырамыз.
1-мысал: Күшті қышқыл ерітіндісінің рН мәнін есептеу
Сұрақ:
Концентрациясы 0,01 М HCl (тұз қышқылы) ерітіндісінің рН мәнін есептеңіз.
Талқылау:
HCl - суда толығымен ыдырап кететін күшті қышқыл:
\[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
HCl толығымен диссоциацияланғандықтан, ерітіндідегі сутегі иондарының концентрациясы ([H^+]) HCl бастапқы концентрациясымен бірдей болады, ол 0,01 М құрайды.
\[ [H^+] = 0,01 \, \text{M} \]
Әрі қарай, біз рН формуласын қолданамыз:
\[ \text{pH} = -\log [H^+] \]
\[ \text{pH} = -\log (0,01) \]
\[ \text{pH} = -\log (10^{-2}) \]
\[ \text{pH} = 2 \]
Сонымен, 0,01 М HCl ерітіндісінің рН мәні 2-ге тең.
2-мысал: Күшті негіз ерітіндісінің рН мәнін есептеу
Сұрақ:
Концентрациясы 0,001 М болатын NaOH (натрий гидроксиді) ерітіндісінің рН мәнін есептеңіз.
Талқылау:
NaOH - суда толығымен диссоциацияланатын күшті негіз:
\[ \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Ерітіндідегі гидроксид иондарының концентрациясы ([OH^-]) NaOH бастапқы концентрациясымен бірдей болады, атап айтқанда 0,001 М.
\[ [OH^-] = 0,001 \, \text{M} \]
Әрі қарай, біз pOH есептейміз:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
\[ \text{pOH} = -\log (0,001) \]
\[ \text{pOH} = -\log (10^{-3}) \]
\[ \text{pOH} = 3 \]
Осыдан кейін біз рН және pOH арасындағы байланысты қолданамыз:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
\[ \text{pH} + 3 = 14 \]
\[ \text{pH} = 11 \]
Сонымен, 0,001 М NaOH ерітіндісінің рН мәні 11-ге тең.
3-мысал: Әлсіз қышқыл ерітіндісінің рН мәнін есептеу
Сұрақ:
Концентрациясы 0,01 М және диссоциациялану константасы \(K_a = 1,8 \times 10^{-5}\) болатын CH3COOH (сірке қышқылы) ерітіндісінің рН мәнін есептеңіз.
Талқылау:
Сірке қышқылы сияқты толық диссоциацияланбайтын әлсіз қышқыл пайда болғаннан кейін, ерітіндідегі Н+ иондарының концентрациясын табу үшін қышқыл диссоциациялану константасын (\(K_a\)) пайдалануымыз керек.
Судағы сірке қышқылының диссоциациялану теңдеуі:
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \leftrightarrow \text{H}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^- \]
Диссоциация тұрақтысы (\(K_a\)):
\[ K_a = \frac{[H^+] [\text{CH}_3\text{COO}^-]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
Сутегі иондары мен ацетат иондарының концентрациясы \(x\) деп есептейік, онда:
\[ K_a = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
\(K_a\) өте кішкентай болғандықтан, \(0,01 – x \шамамен 0,01\) деп болжауға болады:
\[ 1,8 \times 10^{-5} = \frac{x^2}{0,01} \]
\[x^2 = 1,8 \times 10^{-5} \times 0,01 \]
\[x^2 = 1,8 \10^{-7} \]
\[x = \sqrt{1,8 \times 10^{-7}} \]
\[ x \шамамен 1,34 \уақыт 10^{-4} \]
Сонымен, сутегі иондарының концентрациясы ([H^+]) (1,34 есе 10^{-4}) тең.
Әрі қарай, рН мәнін есептейміз:
\[ \text{pH} = -\log [H^+] \]
\[ \text{pH} = -\log (1,34 \times 10^{-4}) \]
\[ \text{pH} \шамамен 3,87 \]
Сонымен, 0,01 М сірке қышқылы ерітіндісінің рН мәні шамамен 3,87 құрайды.
4-мысал: Әлсіз негіз ерітіндісінің рН мәнін есептеу
Сұрақ:
Концентрациясы 0,01 М және негіздік диссоциация константасы \(K_b = 1,8 \times 10^{-5}\) болатын NH3 (аммиак) ерітіндісінің рН мәнін есептеңіз.
Талқылау:
NH3 - толығымен диссоциацияланбайтын әлсіз негіз. Ерітіндідегі OH^- иондарының концентрациясын табу үшін негіздік диссоциация константасын (\(K_b\)) пайдалануымыз керек.
Судағы аммиактың диссоциациялану реакциясы:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Базистік диссоциация константасы (\(K_b\)):
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_3]} \]
Аммоний иондары мен гидроксид иондарының концентрациясы \(x\) деп есептейік, онда:
\[ K_b = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
\(K_b\) өте кішкентай болғандықтан, \(0,01 – x \approx 0,01\) деп болжауға болады:
\[ 1,8 \times 10^{-5} = \frac{x^2}{0,01} \]
\[x^2 = 1,8 \times 10^{-5} \times 0,01 \]
\[x^2 = 1,8 \10^{-7} \]
\[x = \sqrt{1,8 \times 10^{-7}} \]
\[ x \шамамен 1,34 \уақыт 10^{-4} \]
Сонымен, гидроксид иондарының концентрациясы ([OH^-]) (1,34 есе 10^{-4}) тең.
Әрі қарай, біз pOH есептейміз:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
\[ \text{pOH} = -\log (1,34 \times 10^{-4}) \]
\[ \text{pOH} \шамамен 3,87 \]
Осыдан кейін біз рН және pOH арасындағы байланысты қолданамыз:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
\[ \text{pH} + 3,87 = 14 \]
\[ \text{pH} \шамамен 10,13 \]
Сонымен, 0,01 М аммиак ерітіндісінің рН мәні шамамен 10,13 құрайды.
Қорытынды
рН-ты зерттеуде күшті және әлсіз қышқылдар мен негіздердің айырмашылығын және олардың ерітіндіде қалай диссоциацияланатынын түсіну маңызды. Бұл берілген ерітіндінің рН-ын қалай есептейтінімізге тікелей әсер етеді. рН-ды есептеу логарифмдерді және негізгі химиялық принциптерді қолдануды қамтиды. Бұл ұғымдарды түсіну бізге химия мен биологияның күнделікті қолданылуының әртүрлі салаларында көмектеседі.
