Príklady otázok a diskusia o Arrheniových kyselinách a zásadách
Kyseliny a zásady sú základnými pojmami v chémii. Jednou z najznámejších teórií, ktoré vysvetľujú správanie kyselín a zásad, je Arrheniusova teória. Podľa Arrheniusa je kyselina zlúčenina, ktorá po rozpustení vo vode produkuje ióny H⁺ (alebo H₃O⁺), zatiaľ čo zásada je zlúčenina, ktorá po rozpustení vo vode produkuje ióny OH⁻. V tomto článku si rozoberieme niekoľko príkladov problémov týkajúcich sa kyselín a zásad podľa Arrheniusovej teórie spolu s ich riešeniami.
Príklad otázky 1
Otázka:
0,1 M roztok kyseliny chlorovodíkovej (HCl) sa rozpustí vo vode. Vypočítajte koncentráciu iónov H⁺ v roztoku.
Diskusia:
Podľa Arrheniovej teórie je HCl kyselina, pretože pri rozpustení vo vode produkuje ióny H⁺. Ionizačná rovnica pre HCl vo vode je nasledovná:
\[ \text{HCl} \to \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Počiatočná koncentrácia HCl je 0,1 M. Keďže HCl je silná kyselina, ktorá vo vodnom roztoku úplne ionizuje, každá molekula HCl vyprodukuje jeden ión H⁺ a jeden ión Cl⁻. Preto sa koncentrácia iónov H⁺ v roztoku rovná aj koncentrácii HCl, a to:
\[ [\text{H}^+] = 0,1 \text{M} \]
Koncentrácia iónov H⁺ v 0,1 M roztoku HCl je teda 0,1 M.
Príklad otázky 2
Otázka:
Vypočítajte pH 0,01 M roztoku kyseliny dusičnej (HNO₃).
Diskusia:
HNO₃ je silná kyselina, ktorá vo vode úplne ionizuje, takže ionizačná rovnica pre HNO₃ je nasledovná:
\[ \text{HNO}_3 \to \text{H}^+ + \text{NO}_3^- \]
Daná koncentrácia HNO₃ je 0,01 M. Keďže HNO₃ je silná kyselina, každá molekula HNO₃ vyprodukuje jeden ión H⁺. Preto sa koncentrácia iónov H⁺ v roztoku rovná koncentrácii HNO₃, a to:
\[ [\text{H}^+] = 0,01 \text{M} \]
pH sa dá vypočítať pomocou vzorca:
\[ \text{pH} = -\log [\text{H}^+] \]
Dosadením koncentrácie iónov H⁺ do vzorca dostaneme:
\[ \text{pH} = -\log (0,01) = -\log (10^{-2}) = 2 \]
Takže pH 0,01 M roztoku HNO₃ je 2.
Príklad otázky 3
Otázka:
Stanovte koncentráciu iónov OH⁻ v 0,05 M roztoku NaOH.
Diskusia:
NaOH je silná zásada, ktorá vo vode úplne ionizuje, takže ionizačná rovnica pre NaOH je nasledovná:
\[ \text{NaOH} \to \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Uvedená koncentrácia NaOH je 0,05 M. Keďže NaOH je silná báza, každá molekula NaOH vyprodukuje jeden ión OH⁻. Preto sa koncentrácia iónov OH⁻ v roztoku rovná koncentrácii NaOH, a to:
\[ [\text{OH}^-] = 0,05 \text{M} \]
Koncentrácia iónov OH⁻ v 0,05 M roztoku NaOH je teda 0,05 M.
Príklad otázky 4
Otázka:
Vypočítajte pH 0,01 M roztoku KOH.
Diskusia:
KOH je silná zásada, ktorá vo vode úplne ionizuje. Ionizačná rovnica pre KOH vo vode je nasledovná:
\[ \text{KOH} \to \text{K}^+ + \text{OH}^- \]
Uvedená koncentrácia KOH je 0,01 M. Keďže KOH je silná zásada, každá molekula KOH vyprodukuje jeden ión OH⁻. Preto sa koncentrácia iónov OH⁻ v roztoku rovná koncentrácii KOH, a to:
\[ [\text{OH}^-] = 0,01 \text{M} \]
pH je mierou koncentrácie iónov H⁺ v roztoku. Môžeme použiť vzťah medzi pH, iónmi H⁺ a iónmi OH⁻ daný súčinom iónov vody (Kw):
\[ \text{Kw} = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1 \krát 10^{-14} \]
Ak poznáme hodnotu [OH⁻], môžeme vypočítať [H⁺]:
\[ [\text{H}^+] = \frac{\text{Kw}}{[\text{OH}^-]} = \frac{1 \krát 10^{-14}}{0,01} = 1 \krát 10^{-12} \text{M} \]
pH sa dá vypočítať pomocou vzorca:
\[ \text{pH} = -\log [\text{H}^+] \]
Dosadením koncentrácie iónov H⁺ do vzorca dostaneme:
\[ \text{pH} = -\log (1 \krát 10^{-12}) = 12 \]
Takže pH 0,01 M roztoku KOH je 12.
Príklad otázky 5
Otázka:
Roztok má pH = 3. Vypočítajte koncentráciu iónov H⁺ v roztoku.
Diskusia:
pH je mierou koncentrácie iónov H⁺ v roztoku a možno ho vyjadriť vzorcom:
\[ \text{pH} = -\log [\text{H}^+] \]
Na výpočet koncentrácie iónov H⁺ zmeníme vzorec na:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}} \]
Dosadením daných hodnôt pH dostaneme:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-3} = 0,001 \text{M} \]
Koncentrácia iónov H⁺ v roztoku s pH = 3 je teda 0,001 M.
Príklad otázky 6
Otázka:
Roztok NH₄OH má koncentráciu 0,1 M. Vypočítajte pH roztoku, ak je hodnota Kb pre NH₄OH 1,8 x 10⁻⁵.
Diskusia:
NH₄OH je slabá báza, ktorá vo vode úplne neionizuje. Ionizačná rovnica pre NH₄OH vo vode je nasledovná:
\[ \text{NH}_4\text{OH} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Rovnovážna konštanta pre ionizáciu NH₄OH sa nazýva Kb a je daná vzťahom:
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_4\text{OH}} \]
Keďže NH₄OH je slabá báza, na výpočet koncentrácie iónov OH⁻ používame Kb. Za predpokladu, že \(x\) je koncentrácia ionizovaného NH₄OH, ionizačná rovnica sa stáva:
\[ K_b = \frac{x^2}{0,1 – x} \približne \frac{x^2}{0,1} \]
Keďže hodnota Kb je veľmi malá, predpokladáme (0,1 – x približne 0,1):
\[1,8 \krát 10^{-5} = \frac{x^2}{0,1} \]
\[x^2 = 1,8 \krát 10^{-6} \]
\[ x = \sqrt{1,8 \krát 10^{-6}} \]
\[ x \približne 1,34 \krát 10^{-3} \text{ M} \]
Koncentrácia iónov OH⁻ je teda \(1,34 \krát 10^{-3} \text{ M}\).
Z tejto koncentrácie môžeme vypočítať koncentráciu iónov H⁺ pomocou Kw:
\[ [\text{H}^+] = \frac{1 \krát 10^{-14}}{1,34 \krát 10^{-3}} \]
\[ [\text{H}^+] = 7,46 \krát 10^{-12} \text{M} \]
pH:
\[ \text{pH} = -\log (7,46 \krát 10^{-12}) \]
\[ \text{pH} \približne 11,13 \]
Takže pH 0,1 M roztoku NH₄OH je približne 11,13.
Záver
Arrheniusova teória poskytuje cenný základ pre pochopenie správania kyselín a zásad v roztoku. V tejto diskusii sme sa pozreli na niekoľko príkladov problémov, ktoré ilustrujú, ako možno tieto koncepty použiť na výpočet koncentrácií iónov H⁺ a OH⁻ a pH rôznych roztokov. Pochopenie tejto teórie je nevyhnutné pre každého, kto sa venuje kariére v chémii, či už na strednej alebo vysokej škole.
