Pavyzdiniai klausimai, kuriuose aptariamas stiprių rūgščių ir stiprių bazių pH
pH, arba vandenilio potencialas, yra tirpalo rūgštingumo arba šarmingumo matas. pH skalė svyruoja nuo 0 iki 14, kur skaičiai mažesni nei 7 rodo rūgštinį tirpalą, didesni nei 7 – bazinį tirpalą, o 7 – neutralų tirpalą. Šiame straipsnyje aptarsime keletą pavyzdžių, susijusių su stiprių rūgščių ir stiprių bazių pH bei jų tirpalais.
Pendahuluanas
Pagrindinės pH sąvokos
pH yra matas, naudojamas tirpalo rūgštingumui arba šarmingumui nustatyti pagal vandenilio jonų (H+) koncentraciją. Pagrindinė pH apskaičiavimo formulė yra:
\[ \text{pH} = -\log{[H^+]} \]
Kur [H+] yra vandenilio jonų koncentracija mol/l.
Kita vertus, baziniams tirpalams (stiprioms bazėms) pirmiausia galime apskaičiuoti pOH, o tada konvertuoti jį į pH pagal šią formulę:
\[ \text{pOH} = -\log{[OH^-]} \]
\[ \text{pH} = 14 – \text{pOH} \]
Stipri rūgštis ir silpna rūgštis
Stipri rūgštis yra rūgštis, kuri visiškai jonizuojasi vandeniniame tirpale. Tai reiškia, kad H+ jonų koncentracija tirpale yra lygi pačios rūgšties koncentracijai. Stiprios rūgštys yra HCl (druskos rūgštis), HNO3 (azoto rūgštis) ir H2SO4 (sieros rūgštis).
Priešingai, silpnos rūgštys tirpale visiškai nejonizuojasi, todėl jų pH skaičiavimas yra sudėtingesnis ir reikalauja rūgštingumo konstantos (Ka) sąvokos.
Stipri bazė vs silpna bazė
Kaip ir stiprios rūgštys, stiprios bazės taip pat visiškai jonizuojasi vandeniniame tirpale. Stiprių bazių pavyzdžiai yra NaOH (natrio hidroksidas) ir KOH (kalio hidroksidas).
Silpnos bazės yra tik iš dalies jonizuotos ir pH apskaičiavimui reikalinga baziškumo konstanta (Kb).
Pavyzdiniai klausimai ir diskusija
1 klausimo pavyzdys: stipri rūgštis
> Apskaičiuokite 0.01 M HCl tirpalo pH.
Diskusija:
Kadangi HCl yra stipri rūgštis, tirpale ji visiškai jonizuojasi.
\[ \text{HCl} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
H+ jonų koncentracija tirpale bus tokia pati kaip ir pateiktos HCl koncentracija, t. y. 0.01 M.
\[ [H^+] = 0.01 \, \text{M} \]
Naudojant pH formulę:
\[ \text{pH} = -\log{[H^+]} = -\log{0.01} = -\log{10^{-2}} = 2 \]
Taigi, 0.01 M HCl tirpalo pH yra 2.
2 klausimo pavyzdys: Stiprios bazės
> Apskaičiuokite 0.001 M NaOH tirpalo pH.
Diskusija:
NaOH yra stipri bazė ir tirpale visiškai jonizuojasi.
\[ \text{NaOH} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
OH⁻ jonų koncentracija tirpale yra tokia pati kaip NaOH koncentracija, t. y. 0.001 M.
\[ [OH^-] = 0.001 \, \text{M} = 10^{-3} \, \text{M} \]
Pirmiausia apskaičiuokite pOH:
\[ \text{pOH} = -\log[OH^-] = -\log{10^{-3}} = 3 \]
Konvertuoti pOH į pH:
\[ \text{pH} = 14 – \text{pOH} = 14 – 3 = 11 \]
Taigi, 0.001 M NaOH tirpalo pH yra 11.
3 pavyzdžio klausimas: sieros rūgštis (H2SO4)
> Apskaičiuokite 0.01 M H₂SO₄ tirpalo pH.
Diskusija:
H2SO4 yra stipri rūgštis, turinti dvi jonizacijos stadijas. Pirmasis etapas:
\[ \text{H2SO4} \rightarrow \text{H}^+ + \text{HSO4}^- \]
Pirmojo etapo jonizacijos rezultatas yra lygus 0.01 M H2SO4 koncentracijai kiekvienam H+ ir HSO4^-. Tačiau pirmojo etapo metu iš vienos H2SO4 molekulės susidaro du H+ jonai.
Taigi, bendra [H+] koncentracija bus dvigubai didesnė už pradinę:
\[[H^+] = 2 \pakartoti 0.01 = 0.02 \]
Naudojant pH formulę:
\[ \text{pH} = -\log{[H^+]} = -\log{0.02} = -\log{2 × 10^{-2}} = -(\log{2} + \log{10^{-2}}) \]
Jūsų informacijai
\[ \log{2} \apytiksliai 0.301 \]
Taigi:
\[ \text{pH} = -(0.301 + (-2)) = 1.699 \]
Taigi, 0.01 M H₂SO₄ tirpalo pH yra apie 1.699.
4 klausimo pavyzdys: Stipri bazė (Ca(OH)2)
> Apskaičiuokite 0.005 M Ca(OH)2 tirpalo pH.
Diskusija:
Ca(OH)₂ yra stipri bazė ir kiekviena molekulė duoda du OH⁻ jonus:
\[ \text{Ca(OH)2} \rightarrow \text{Ca}^{2+} + 2\text{OH}^- \]
OH⁻ koncentracija bus dvigubai didesnė nei Ca(OH)₂ koncentracija, nes kiekviena Ca(OH)₂ molekulė gamina du OH⁻. Taigi,
\[[OH^-] = 2 × 0.005 = 0.01 \, \text{M} \]
Pirmiausia apskaičiuokite pOH:
\[ \text{pOH} = -\log{[OH^-]} = -\log{0.01} = -\log{10^{-2}} = 2 \]
Konvertuoti pOH į pH:
\[ \text{pH} = 14 – \text{pOH} = 14 – 2 = 12 \]
Taigi, 0.005 M Ca(OH)₂ tirpalo pH yra 12.
Išvada
Šiame straipsnyje aptarėme, kaip apskaičiuoti pH keliems stiprių rūgščių ir stiprių bazių tirpalų pavyzdžiams. Atminkite, kad stiprių rūgščių ar bazių atveju darome prielaidą, jog jos tirpale yra visiškai jonizuotos. Todėl stiprios rūgšties H+ jonų ir stiprios bazės OH- jonų koncentracija bus lygi pradinei rūgšties ar bazės koncentracijai, prireikus pakoregavus stechiometrinius koeficientus. Tai supaprastina pH skaičiavimus naudojant pagrindines pH ir pOH formules.
Šios sąvokos supratimas yra labai svarbus, ypač chemijos srityje, tiek chemijos laboratorijoje, tiek pramonėje, tiek kasdieniame gyvenime. Praktikuojant ir turint tvirtą supratimą, stiprių rūgščių ir bazių pH apskaičiavimas taps nesudėtinga užduotimi.
