Брёнстед-Лоуригийн хүчил-суурь хэлэлцүүлгийн асуултуудын жишээ
Хүчил ба суурь нь химийн чухал ойлголтууд бөгөөд олон жилийн турш олон эрдэмтэд боловсруулж, сайжруулсаар ирсэн. Хамгийн алдартай онолуудын нэг бол 1923 онд Йоханнес Николаус Бронстед, Томас Мартин Лоури нарын дэвшүүлсэн Бронстед-Лоуригийн онол юм. Энэхүү онол нь хүчил ба суурь нь химийн урвалд хэрхэн харилцан үйлчилдэг талаар илүү өргөн хүрээтэй ойлголтыг санал болгодог. Энэ нийтлэлд бид хүчил ба суурийн тухай Бронстед-Лоуригийн ойлголттой холбоотой хэд хэдэн жишээ бодлогууд болон тэдгээрийг хэрхэн шийдвэрлэх талаар авч үзэх болно.
Брёнстед-Лоуригийн хүчил ба суурийн үндсэн ойлголтууд
Брёнстед-Лоуригийн онолын дагуу хүчил гэдэг нь протон (H+) өгөх чадвартай бодис бол суурь нь протон хүлээн авах чадвартай бодис юм. Химийн урвалд хүчил ба суурь нь протон дамжуулах процессоор харилцан үйлчилдэг бөгөөд нэг нэгдэл нь протон ялгаруулснаар хүчил болж, нөгөө нэгдэл нь протон хүлээн авснаар суурь болж үйлчилдэг.
Хүчил-суурь урвалын жишээнүүд
Брёнстед-Лоуригийн онолын дагуу хүчил ба суурийн хоорондох энгийн урвалын жишээ бол зэс (II) сульфат (H2SO4) ба натрийн гидроксид (NaOH) хоорондын урвал юм.
\[ \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
Энэ урвалд хүхрийн хүчил (H2SO4) нь протоныг хүлээн авдаг NaOH суурьт протон (H+) өгдөг тул Брёнстед-Лоури хүчил болж үйлчилдэг.
Жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг
Асуулт 1: Хүчил ба шүлтийг тодорхойлох
Асуулт:
Дараах урвалууд дахь Брёнстед-Лоуригийн хүчил ба суурийг тодорхойлно уу:
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Хэлэлцүүлэг:
Энэ урвалд аммиак (NH3) ба ус (H2O) нь урвалд ордог бодисууд, харин аммонийн ионууд (NH4+) ба гидроксидын ионууд (OH-) нь бүтээгдэхүүнүүд юм. Аль нь хүчил, аль нь суурь болж үйлчилдэгийг харцгаая.
– NH3 нь H2O-оос протон (H+)-ийг хүлээн авч NH4+ үүсгэдэг тул суурь болж үйлчилдэг.
– H2O нь OH- үүсгэхийн тулд NH3-д протон (H+) өгдөг тул хүчил болж үйлчилдэг.
Тэгэхээр, энэ хариу үйлдэлд:
– NH3 нь Бронстед-Лоуригийн бааз юм.
– H2O нь Бронстед-Лоуригийн хүчил юм.
Асуулт 2: Холбоосуудын урвалыг бичих
Асуулт:
Дараах урвалуудын хүчил-суурь хосуудын коньюгатуудыг бичнэ үү:
\[ \text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \]
Хэлэлцүүлэг:
Энэ урвалд HCl нь H2O-д протон (H+) өгснөөр Бронстед-Лоуригийн хүчил болж үйлчилдэг. Ус (H2O) нь протоныг хүлээн авч, Бронстед-Лоуригийн суурь болж үйлчилдэг. Протон алдсаны дараа HCl нь Cl- болж, H2O нь протон нэгдсэний дараа H3O+ болж хувирдаг.
– Хүчил (HCl) ба түүний коньюгат суурь (Cl-)
– Суурь (H2O) ба түүний коньюгат хүчил (H3O+)
Тиймээс энэ урвал дахь хүчил-суурь хосын коньюгат нь:
– HCl / Cl-
– H2O / H3O+
Асуулт 3: Сул хүчлийн уусмалын рН-ийг тооцоолох
Асуулт:
Хэрэв хүчлийн диссоциацийн тогтмол (Ka) нь \(1.8 \зөрүү 10^{-5}\) гэж мэдэгдэж байвал цууны хүчлийн 0.1 М уусмалын (CH3COOH) рН-ийг тооцоолно уу.
Хэлэлцүүлэг:
Цууны хүчил нь сул хүчил бөгөөд усанд дараах тэгшитгэлийн дагуу зөвхөн хэсэгчлэн ионждог.
\[ \text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \]
рН-ийг тооцоолох алхамууд дараах байдалтай байна.
1. Анхны концентраци болон концентрацийн өөрчлөлтийг ашиглан тэнцвэрийн илэрхийллийг байгуулна уу:
\[ \text{Ka} = \frac{[\text{CH}_3\text{COO}^-][\text{H}^+]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} \]
2. Мэдэгдэж буй утгуудыг орлуулж, \([H^+]\)-г бодоорой:
\[ 1.8 \удаа 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1 – x} \]
\(x\) нь 0.1-тэй харьцуулахад маш бага тул бид \(0.1 – x \approx 0.1\)-г ойролцоогоор тооцоолж болно:
\[ 1.8 \удаа 10^{-5} = \frac{x^2}{0.1} \]
\[ x^2 = 1.8 \үргэлжлэл 10^{-6} \]
\[ x = \sqrt{1.8 \times 10^{-6}} \]
\[ x \ойролцоогоор 1.34 \удаа 10^{-3} \]
3. рН-ийг тооцоолно уу:
\[ \text{pH} = -\log[\text{H}^+] \]
\[ \text{pH} = -\log(1.34 \times 10^{-3}) \]
\[ \текст{рН} \ойролцоогоор 2.87 \]
Тиймээс 0.1 М цууны хүчлийн уусмалын рН нь ойролцоогоор 2.87 байна.
Асуулт 4: Амфипротик шийдлүүдийг тодорхойлох
Асуулт:
Дараах урвал дахь амфипротик уусмалыг тодорхойлж, яагаад гэдгийг тайлбарлана уу.
\[ \text{HCO}_3^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^- \]
Хэлэлцүүлэг:
Амфипротик уусмал гэдэг нь урвалын нөхцлөөс хамааран хүчил эсвэл шүлтийн аль нэгнийх нь үүрэг гүйцэтгэж чадах уусмал юм. Дээрх жишээ урвалд:
– \(\text{HCO}_3^-\) нь \(\text{H}_2\text{O}\-ээс протон хүлээн авч, \(\text{H}_2\text{CO}_3\) үүсгэх үед суурь болж үйлчилдэг.
– \(\text{HCO}_3^-\) нь бусад нөхцөлд хүчил болж, протон ялгаруулж \(\text{CO}_3^{2-}\) үүсгэдэг.
Энэ нь \(\text{HCO}_3^-\) ион нь амфипротик болохыг харуулж байна. Энэ нь урвалд ордог бусад бодисоос хамааран хүчил (протоны донор) болон суурь (протоны акцептор) болж чаддаг.
Эдгээр жишээ бодлогуудын тусламжтайгаар бид Брёнстед-Лоуригийн хүчил-суурь онолыг химийн харилцан үйлчлэлийг шинжлэх, урьдчилан таамаглахад хэрхэн ашигладаг болохыг илүү сайн ойлгож чадна. Энэ онолыг сайтар ойлгох нь хими, биохими болон бусад шинжлэх ухааны олон хэрэглээний үндэс суурь болдог.
