Pavyzdiniai klausimai ir Arrhenius rūgščių bei bazių aptarimas
Rūgštys ir bazės yra pagrindinės chemijos sąvokos. Viena iš geriausiai žinomų teorijų, paaiškinančių rūgščių ir bazių elgseną, yra Arrhenijaus teorija. Pasak Arrhenijaus, rūgštis yra junginys, kuris, ištirpęs vandenyje, išskiria H⁺ (arba H₃O⁺) jonus, o bazė yra junginys, kuris, ištirpęs vandenyje, išskiria OH⁻ jonus. Šiame straipsnyje aptarsime keletą pavyzdžių, susijusių su rūgštimis ir bazėmis pagal Arrhenijaus teoriją, kartu su jų tirpalais.
1 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
0,1 M druskos rūgšties (HCl) tirpalas ištirpintas vandenyje. Apskaičiuokite H⁺ jonų koncentraciją tirpale.
Diskusija:
Pagal Arrheniuso teoriją, HCl yra rūgštis, nes ištirpusi vandenyje ji išskiria H⁺ jonus. HCl jonizacijos lygtis vandenyje yra tokia:
\[ \text{HCl} \to \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Pradinė HCl koncentracija yra 0,1 M. Kadangi HCl yra stipri rūgštis, kuri vandeniniame tirpale visiškai jonizuojasi, kiekviena HCl molekulė sudarys vieną H⁺ joną ir vieną Cl⁻ joną. Todėl H⁺ jonų koncentracija tirpale taip pat lygi HCl koncentracijai, t. y.:
\[ [\text{H}^+] = 0,1 \text{M} \]
Taigi, H⁺ jonų koncentracija 0,1 M HCl tirpale yra 0,1 M.
2 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Apskaičiuokite 0,01 M azoto rūgšties (HNO₃) tirpalo pH.
Diskusija:
HNO₃ yra stipri rūgštis, kuri visiškai jonizuojasi vandenyje, todėl HNO₃ jonizacijos lygtis yra tokia:
[HNO_3 į H^+ + NO_3^-]
Duotoji HNO₃ koncentracija yra 0,01 M. Kadangi HNO₃ yra stipri rūgštis, kiekviena HNO₃ molekulė gamins vieną H⁺ joną. Todėl H⁺ jonų koncentracija tirpale yra lygi HNO₃ koncentracijai, t. y.:
\[ [\text{H}^+] = 0,01 \text{M} \]
pH galima apskaičiuoti pagal formulę:
\[ \text{pH} = -\log [ \text{H}^+] \]
Į formulę įterpę H⁺ jonų koncentraciją, gauname:
\[ \text{pH} = -\log(0,01) = -\log(10^{-2}) = 2 \]
Taigi, 0,01 M HNO₃ tirpalo pH yra 2.
3 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Nustatykite OH⁻ jonų koncentraciją 0,05 M NaOH tirpale.
Diskusija:
NaOH yra stipri bazė, kuri visiškai jonizuojasi vandenyje, todėl NaOH jonizacijos lygtis yra tokia:
\[ \text{NaOH} \į \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Nurodyta NaOH koncentracija yra 0,05 M. Kadangi NaOH yra stipri bazė, kiekviena NaOH molekulė gamins vieną OH⁻ joną. Todėl OH⁻ jonų koncentracija tirpale yra lygi NaOH koncentracijai, t. y.:
\[ [\text{OH}^-] = 0,05 \text{ M} \]
Taigi, OH⁻ jonų koncentracija 0,05 M NaOH tirpale yra 0,05 M.
4 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Apskaičiuokite 0,01 M KOH tirpalo pH.
Diskusija:
KOH yra stipri bazė, kuri visiškai jonizuojasi vandenyje. KOH jonizacijos lygtis vandenyje yra tokia:
\[ \text{KOH} \to \text{K}^+ + \text{OH}^- \]
Duota KOH koncentracija yra 0,01 M. Kadangi KOH yra stipri bazė, kiekviena KOH molekulė gamins vieną OH⁻ joną. Todėl OH⁻ jonų koncentracija tirpale yra lygi KOH koncentracijai, t. y.:
\[ [\text{OH}^-] = 0,01 \text{ M} \]
pH yra H⁺ jonų koncentracijos tirpale matas. Galime naudoti pH, H⁺ jonų ir OH⁻ jonų sandaugą, kurią apibrėžia vandens jonų sandauga (Kw):
\[ \text{Kw} = [ \text{H}^+][ \text{OH}^-] = 1 × 10^{-14} \]
Žinodami [OH⁻] reikšmę, galime apskaičiuoti [H⁺]:
\[ [\text{H}^+] = \frac{\text{Kw}}{[\text{OH}^-]} = \frac{1 \times 10^{-14}}{0,01} = 1 \times 10^{-12} \text{M} \]
pH galima apskaičiuoti pagal formulę:
\[ \text{pH} = -\log [ \text{H}^+] \]
Į formulę įterpę H⁺ jonų koncentraciją, gauname:
\[ \text{pH} = -\log(1 × 10^{-12}) = 12 \]
Taigi, 0,01 M KOH tirpalo pH yra 12.
5 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
Tirpalo pH = 3. Apskaičiuokite H⁺ jonų koncentraciją tirpale.
Diskusija:
pH yra H⁺ jonų koncentracijos tirpale matas, kurį galima išreikšti formule:
\[ \text{pH} = -\log [ \text{H}^+] \]
Norėdami apskaičiuoti H⁺ jonų koncentraciją, pakeiskime formulę į:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}} \]
Sujungę duotus pH reikšmes, gauname:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-3} = 0,001 \text{M} \]
Taigi, H⁺ jonų koncentracija tirpale, kurio pH = 3, yra 0,001 M.
6 pavyzdžio klausimas
Klausimas:
NH₄OH tirpalo koncentracija yra 0,1 M. Apskaičiuokite tirpalo pH, jei NH₄OH Kb vertė yra 1,8 x 10⁻⁵.
Diskusija:
NH₄OH yra silpna bazė, kuri vandenyje visiškai nejonizuojasi. NH₄OH jonizacijos lygtis vandenyje yra tokia:
\[ \text{NH}_4 \text{OH} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
NH₄OH jonizacijos pusiausvyros konstanta vadinama Kb ir apskaičiuojama pagal formulę:
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_4\text{OH}} \]
Kadangi NH₄OH yra silpna bazė, OH⁻ jonų koncentracijai apskaičiuoti naudojame Kb. Darant prielaidą, kad x yra jonizuoto NH₄OH koncentracija, jonizacijos lygtis tampa tokia:
\[K_b = \frac{x^2}{0,1 – x} \apytiksl. \frac{x^2}{0,1} \]
Kadangi Kb reikšmė yra labai maža, darome prielaidą, kad \(0,1 – x \apytiksliai 0,1\):
\[1,8 × 10^{-5} = \frac{x^2}{0,1} \]
\[x^2 = 1,8 \pakartota 10^{-6} \]
\[x = \sqrt{1,8 \x 10^{-6}} \]
\[ x \apytiksliai 1,34 \x 10^{-3} \text{ M} \]
Taigi, OH⁻ jonų koncentracija yra \(1,34 \x 10^{-3} \text{ M}\).
Iš šios koncentracijos galime apskaičiuoti H⁺ jonų koncentraciją naudodami Kw:
\[ [\text{H}^+] = \frac{1 × 10^{-14}}{1,34 × 10^{-3}} \]
\[ [\text{H}^+] = 7,46 × 10^{-12} \text{M} \]
pH:
\[ \text{pH} = -\log (7,46 × 10^{-12}) \]
\[ \text{pH} \apytiksliai 11,13 \]
Taigi, 0,1 M NH₄OH tirpalo pH yra apie 11,13.
Išvada
Arrheniuso teorija suteikia vertingą pagrindą suprasti, kaip rūgštys ir bazės elgiasi tirpale. Šioje diskusijoje apžvelgėme keletą pavyzdžių, iliustruojančių, kaip šias sąvokas galima naudoti H⁺ ir OH⁻ jonų koncentracijoms ir įvairių tirpalų pH apskaičiuoti. Šios teorijos supratimas yra būtinas visiems, siekiantiems karjeros chemijos srityje, tiek vidurinės mokyklos, tiek aukštojo mokslo lygmeniu.
