Pavyzdiniai klausimai, aptariantys rūgščių ir bazių pH
Kalbant apie rūgštis ir bazes, viena svarbi sąvoka, kurią turime suprasti, yra pH. pH yra tirpalo rūgštingumo arba šarmingumo matas. Viena iš formulių, naudojamų pH nustatyti, yra:
\[ \text{pH} = -\log [H^+] \]
Šioje formulėje \([H^+]\) yra vandenilio jonų koncentracija tirpale, išmatuota moliarumu (\(\text{mol/L}\)). Be pH, turime ir \(\text{pOH}\), kuris naudojamas tirpalo baziškumui nustatyti:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
Tada pH ir pOH santykį lemia ši lygtis:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
Žemiau aptarsime keletą klausimų pavyzdžių, kaip apskaičiuoti rūgščių ir bazių tirpalų pH, bei jų aptarimus.
1 pavyzdžio klausimas: Stiprios rūgšties tirpalo pH apskaičiavimas
Klausimas:
Apskaičiuokite 0,01 M koncentracijos HCl (druskos rūgšties) tirpalo pH.
Diskusija:
HCl yra stipri rūgštis, kuri visiškai disocijuojasi vandenyje:
\[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Kadangi HCl yra visiškai disocijuotas, vandenilio jonų \([H^+]\) koncentracija tirpale bus tokia pati kaip pradinė HCl koncentracija, kuri yra 0,01 M.
\[ [H^+] = 0,01 \, \text{M} \]
Toliau naudojame pH formulę:
\[ \text{pH} = -\log [H^+] \]
\[ \text{pH} = -\log (0,01) \]
\[ \text{pH} = -\log (10^{-2}) \]
\[ \text{pH} = 2 \]
Taigi, 0,01 M HCl tirpalo pH yra 2.
2 pavyzdžio klausimas: Stiprios bazės tirpalo pH apskaičiavimas
Klausimas:
Apskaičiuokite NaOH (natrio hidroksido) tirpalo, kurio koncentracija yra 0,001 M, pH.
Diskusija:
NaOH yra stipri bazė, kuri visiškai disocijuojasi vandenyje:
\[ \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Hidroksido jonų \([OH^-]\) koncentracija tirpale bus tokia pati kaip pradinė NaOH koncentracija, t. y. 0,001 M.
\[ [OH^-] = 0,001 \, \text{M} \]
Toliau apskaičiuojame pOH:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
\[ \text{pOH} = -\log (0,001) \]
\[ \text{pOH} = -\log(10^{-3}) \]
\[ \text{pOH} = 3 \]
Po to naudojame pH ir pOH santykį:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
\[ \text{pH} + 3 = 14 \]
\[ \text{pH} = 11 \]
Taigi, 0,001 M NaOH tirpalo pH yra 11.
3 pavyzdžio klausimas: Silpnos rūgšties tirpalo pH apskaičiavimas
Klausimas:
Apskaičiuokite CH₃COOH (acto rūgšties) tirpalo, kurio koncentracija yra 0,01 M, o disociacijos konstanta yra (K₁ = 1,8 × 10⁻¹⁸), pH.
Diskusija:
Kai turime silpną rūgštį, pavyzdžiui, acto rūgštį, kuri visiškai nedisociuoja, turime naudoti rūgšties disociacijos konstantą (\(K_a\)), kad rastume H+ jonų koncentraciją tirpale.
Acto rūgšties disociacijos vandenyje lygtis:
\[ \text{CH}_3 \text{COOH} \leftrightarrow \text{H}^+ + \text{CH}_3 \text{COO}^- \]
Disociacijos konstanta (\(K_a\)):
\[ K_a = \frac{[H^+] [\text{CH}_3\text{COO}^-]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
Tarkime, kad vandenilio ir acetato jonų koncentracija yra \(x\), tada:
\[K_a = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
Kadangi \(K_a\) yra labai maža, galime daryti prielaidą, kad \(0,01 – x \apytiksliai 0,01\):
\[1,8 × 10^{-5} = \frac{x^2}{0,01} \]
\[x^2 = 1,8 × 10^{-5} × 0,01 \]
\[x^2 = 1,8 \pakartota 10^{-7} \]
\[x = \sqrt{1,8 \x 10^{-7}} \]
\[ x \apytiksliai 1,34 \kartu 10^{-4} \]
Taigi, vandenilio jonų koncentracija \([H^+]\) yra \(1,34 \x 10^{-4} \, \text{M}\).
Toliau apskaičiuojame pH:
\[ \text{pH} = -\log [H^+] \]
\[ \text{pH} = -\log (1,34 × 10^{-4}) \]
\[ \text{pH} \apytiksliai 3,87 \]
Taigi, 0,01 M acto rūgšties tirpalo pH yra apie 3,87.
4 pavyzdžio klausimas: Silpnos bazės tirpalo pH apskaičiavimas
Klausimas:
Apskaičiuokite NH3 (amoniako) tirpalo, kurio koncentracija yra 0,01 M, o bazės disociacijos konstanta yra (K_b = 1,8 × 10^{-5}\), pH.
Diskusija:
NH₃ yra silpna bazė, kuri visiškai nedisociuoja. Norėdami rasti OH⁻ jonų koncentraciją tirpale, turime naudoti bazės disociacijos konstantą (\(K_b\)).
Amoniako disociacijos reakcija vandenyje:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2 \text{O} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Bazinės disociacijos konstanta (\(K_b\)):
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_3]} \]
Tarkime, kad amonio jonų ir hidroksido jonų koncentracija yra \(x\), tada:
\[K_b = \frac{x \cdot x}{0,01 – x} \]
Kadangi \(K_b\) yra labai maža, galime daryti prielaidą, kad \(0,01 – x \apytiksliai 0,01\):
\[1,8 × 10^{-5} = \frac{x^2}{0,01} \]
\[x^2 = 1,8 × 10^{-5} × 0,01 \]
\[x^2 = 1,8 \pakartota 10^{-7} \]
\[x = \sqrt{1,8 \x 10^{-7}} \]
\[ x \apytiksliai 1,34 \kartu 10^{-4} \]
Taigi, hidroksido jonų ([OH^-]) koncentracija yra (1,34 × 10^{-4}, \text{M}).
Toliau apskaičiuojame pOH:
\[ \text{pOH} = -\log [OH^-] \]
\[ \text{pOH} = -\log (1,34 × 10^{-4}) \]
\[ \text{pOH} \apytiksliai 3,87 \]
Po to naudojame pH ir pOH santykį:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
\[ \text{pH} + 3,87 = 14 \]
\[ \text{pH} \apytiksliai 10,13 \]
Taigi, 0,01 M amoniako tirpalo pH yra apie 10,13.
Išvada
Tiriant pH, svarbu suprasti skirtumą tarp stiprių ir silpnų rūgščių bei bazių ir kaip kiekviena jų disocijuojasi tirpale. Tai tiesiogiai veikia tai, kaip apskaičiuojame konkretaus tirpalo pH. pH skaičiavimas apima logaritmų ir pagrindinių cheminių principų naudojimą. Šių sąvokų supratimas gali padėti mums įvairiose kasdienėse chemijos ir biologijos srityse.
