Хүчил ба суурийн бат бэх ба рН-ийн талаарх жишээ асуултууд
Хүчил-суурь бат бэх ба рН нь химийн, ялангуяа хүчил ба суурийн салбарт чухал сэдэв юм. Энэ нийтлэлд бид хүчил ба суурийн бат бэхийг хэрхэн тодорхойлох, хэд хэдэн жишээ бодлогыг ашиглан уусмалын рН-ийг хэрхэн тооцоолох талаар авч үзэх болно.
Хүчил ба суурийн танилцуулга
Ассам
Хүчил гэдэг нь усанд ууссан үед устөрөгчийн ион (H⁺) ялгаруулж чаддаг нэгдэл юм. H⁺ ион ялгаруулах чадвараас нь хамааран хүчлийг хоёр төрөлд ангилдаг:
1. Хүчтэй хүчил: Уусмалд 100% диссоциаци хийж, H⁺ ионуудыг бүрэн ялгаруулдаг хүчил. Жишээ нь: Давсны хүчил (HCl), хүхрийн хүчил (H₂SO₄), азотын хүчил (HNO₃).
2. Сул хүчил: Уусмалд зөвхөн хэсэгчлэн диссоциацид ордог, зөвхөн зарим молекулууд нь H⁺ ионуудыг ялгаруулдаг хүчил. Жишээ нь: Цууны хүчил (CH₃COOH), нүүрстөрөгчийн хүчил (H₂CO₃), гидроксидын хүчил (HCN).
Баса
Суурь гэдэг нь усанд ууссан үед гидроксидын ион (OH⁻) ялгаруулж чаддаг нэгдэл юм. OH⁻ ион ялгаруулах чадвараараа суурийг мөн хоёр төрөлд ангилдаг:
1. Хүчтэй суурь: Уусмалд 100% диссоциаци хийж, OH⁻ ионуудыг бүрэн ялгаруулдаг суурь. Жишээ нь: Натрийн гидроксид (NaOH), калийн гидроксид (KOH).
2. Сул суурь: Уусмалд зөвхөн хэсэгчлэн диссоциацид ордог, зөвхөн зарим молекулууд нь OH⁻ ионуудыг ялгаруулдаг суурь. Жишээ нь: Аммиак (NH₃), магнийн гидроксид (Mg(OH)₂).
рН-ийн тухай ойлголт
рН нь уусмалын хүчиллэг эсвэл шүлтлэг чанарыг хэмждэг. Үүнийг устөрөгчийн ионы (H⁺) концентрацийн сөрөг логарифм гэж тодорхойлдог:
\[ \text{pH} = – \log [H⁺] \]
Үндсэн уусмалын хувьд pOH-ийг мөн ашигладаг бөгөөд үүнийг гидроксидын ионы (OH⁻) концентрацийн сөрөг логарифм гэж тодорхойлдог:
\[ \text{pOH} = – \log [OH⁻] \]
рН ба pOH-ийн хоорондын хамаарал нь:
\[ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \]
рН 7-г төвийг сахисан, рН 7-оос бага бол хүчиллэг, рН 7-оос их бол шүлтлэг гэж нэрлэдэг.
Жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг
Жишээ асуулт 1: Хүчтэй хүчлийн рН-ийг тооцоолох
Асуулт: 0,01 М HCl уусмалын рН-ийг тодорхойлно уу.
Хэлэлцүүлэг: HCl нь H⁺ ба Cl⁻ ионуудад бүрэн задардаг хүчтэй хүчил юм. HCl ба H⁺-ийн хооронд 1:1 молийн харьцаатай тул H⁺-ийн концентраци нь 0,01 М байна.
\[ \text{pH} = – \log [H⁺] \]
\[ \text{pH} = – \log (0,01) \]
\[ \text{pH} = 2 \]
Тиймээс 0,01 М HCl уусмалын рН нь 2 байна.
Жишээ асуулт 2: Сул хүчлийн рН-ийг тооцоолох
Асуулт: Хэрэв CH₃COOH-ийн √(K_a \) нь √(1,8 \зэрэг 10^{-5} \) бол 0,1 М CH₃COOH (цууны хүчил) уусмалын рН-ийг тодорхойлно уу.
Хэлэлцүүлэг: Сул хүчил бүрэн диссоциацид ордоггүй тул бид H⁺-ийн концентрацийг тодорхойлохын тулд хүчил диссоциацийн тогтмолыг (\( K_a \) ) ашиглана. CH₃COOH-ийн хувьд диссоциацийн тэгшитгэл нь:
\[ \text{CH₃ COOH} \rightleftharpoons \text{H⁺} + \text{CH₃ COO⁻} \]
Буферийн уусмалын дүрмээс бид \(x \) нь үүссэн H⁺ ионуудын концентраци гэж үзнэ:
\[ K_a = \frac{ [H⁺][CH₃ COO⁻] }{ [CH₃ COOH] } \]
\[ 1,8 \times 10^{-5} = \frac{ (x)(x) }{ 0,1 – x } \]
\( x \) нь 0,1 M-тэй харьцуулахад маш бага тул бид хуваарийн x-ийг үл тоомсорлож болно:
\[ 1,8 \урт 10^{-5} \approx \frac{ x^2 }{ 0,1 } \]
\[ x^2 \approx 1,8 \th 10^{-6} \]
\[ x \approx \sqrt{ 1,8 \times 10^{-6} } \]
\[ x \ойролцоогоор 1,34 \удаа 10^{-3} \]
Тэгэхээр H⁺-ийн концентраци нь \( 1,34 \зэрэг 10^{-3} \) байна:
\[ \text{pH} = – \log [H⁺] \]
\[ \text{pH} = – \log (1,34 \times 10^{-3}) \]
\[ \текст{рН} \ойролцоогоор 2,87 \]
Тиймээс 0,1 М CH3₃COOH уусмалын рН нь ойролцоогоор 2,87 байна.
Жишээ асуулт 3: Хүчтэй суурийн рН-ийг тооцоолох
Асуулт: 0,01 М NaOH уусмалын рН-ийг тодорхойлно уу.
Хэлэлцүүлэг: NaOH нь Na⁺ ба OH⁻ ионуудад бүрэн задардаг хүчтэй суурь юм. NaOH ба OH⁻-ийн хооронд 1:1 молийн харьцаатай тул OH⁻-ийн концентраци 0,01 М байна.
\[ \text{pOH} = – \log [OH⁻] \]
\[ \text{pOH} = – \log (0,01) \]
\[ \text{pOH} = 2 \]
\( \text{pH} + \text{pOH} = 14 \ хамаарлыг ашиглан:
\[ \text{pH} = 14 – \text{pOH} \]
\[ \text{pH} = 14 – 2 \]
\[ \text{pH} = 12 \]
Тиймээс 0,01 М NaOH уусмалын рН нь 12 байна.
Жишээ асуулт 4: Сул суурийн рН-ийг тооцоолох
Асуулт: Хэрэв NH₃-ийн рН нь 1,8 дахин 10^{-5} бол 0,1 М NH₃ уусмалын рН-ийг тодорхойлно уу.
Хэлэлцүүлэг: Сул суурь нь бүрэн диссоциацид ордоггүй тул бид OH⁻-ийн концентрацийг тодорхойлохын тулд суурийн диссоциацийн тогтмол (\( K_b \) )-ийг ашигладаг. NH₃-ийн хувьд диссоциацийн тэгшитгэл нь:
\[ \текст{NH₃ + H₂O} \баруунзүүнхарпунс \текст{NH₄⁺ + OH⁻} \]
Сул хүчлүүдийн нэгэн адил аргыг ашиглан бид \(y \) нь үүссэн OH⁻ ионуудын концентраци гэж үзнэ:
\[ K_b = \frac{ [NH₄⁺][OH⁻] }{ [NH₃] } \]
\[ 1,8 \times 10^{-5} = \frac{ (y)(y) }{ 0,1 – y } \]
\( y \) нь бага гэж үзвэл тэгшитгэл нь дараах хэлбэртэй болно:
\[ 1,8 \удаа 10^{-5} \approx \frac{y^2 }{0,1 } \]
\[ y^2 \ойролцоогоор 1,8 \урт 10^{-6} \]
\[ y \approx \sqrt{ 1,8 \times 10^{-6} } \]
\[ y \ойролцоогоор 1,34 \удаа 10^{-3} \]
OH⁻-ийн концентраци нь \( 1,34 \дахин 10^{-3} \) байна:
\[ \text{pOH} = – \log [OH⁻] \]
\[ \text{pOH} = – \log (1,34 \times 10^{-3}) \]
\[ \text{pOH} \approx 2,87 \]
\( \text{pH} + \text{pOH} = 14 \ хамаарлыг ашиглан:
\[ \text{pH} = 14 – 2,87 \]
\[ \текст{рН} \ойролцоогоор 11,13 \]
Тиймээс 0,1 М NH₃ уусмалын рН нь ойролцоогоор 11,13 байна.
Дүгнэлт
Уусмалын рН-ийг тодорхойлох, хүчил ба суурийн бат бэхийг ойлгох нь химийн чухал үндэс суурь юм. Хүчтэй хүчил ба суурь нь уусмалд бүрэн диссоциацид ордог бол сул хүчил ба суурь нь зөвхөн хэсэгчлэн диссоциацид ордог. \(K_a \) ба \(K_b \)-г ашиглах нь сул хүчил ба суурийн рН-ийг тооцоолоход хялбар болгодог. Эдгээр ур чадварууд нь аж үйлдвэр, эм зүй, хүрээлэн буй орчны хими зэрэг янз бүрийн салбарт хэрэглэхэд зайлшгүй шаардлагатай. Эдгээр ойлголтуудыг ойлгож, жишээ судалснаар бид өдөр тутмын амьдралд рН ба хүчил-суурийн бат бэхтэй холбоотой асуудлыг илүү хялбар шийдвэрлэх боломжтой.
