Exempelfrågor och diskussion om Arrhenius-syror och -baser
Syror och baser är grundläggande begrepp inom kemin. En av de mest välkända teorierna för att förklara syrors och basers beteende är Arrhenius teori. Enligt Arrhenius är en syra en förening som, när den löses i vatten, producerar H⁺-joner (eller H₃O⁺), medan en bas är en förening som, när den löses i vatten, producerar OH⁻-joner. I den här artikeln kommer vi att diskutera flera exempelproblem gällande syror och baser enligt Arrhenius teori, tillsammans med deras lösningar.
Exempelfråga 1
Fråga:
En 0,1 M saltsyralösning (HCl) löses i vatten. Beräkna koncentrationen av H⁺-joner i lösningen.
Diskussion:
Enligt Arrhenius teori är HCl en syra eftersom den producerar H⁺-joner när den löses i vatten. Joniseringsekvationen för HCl i vatten är följande:
[ \text{HCl} \to \text{H}^+ + \text{Cl}^- \]
Den initiala koncentrationen av HCl är 0,1 M. Eftersom HCl är en stark syra som joniserar fullständigt i vattenlösning, kommer varje HCl-molekyl att producera en H⁺-jon och en Cl⁻-jon. Därför är koncentrationen av H⁺-joner i lösningen också lika med koncentrationen av HCl, nämligen:
\[ [\text{H}^+] = 0,1 \text{M} \]
Så är koncentrationen av H⁺-joner i en 0,1 M HCl-lösning 0,1 M.
Exempelfråga 2
Fråga:
Beräkna pH-värdet för en 0,01 M salpetersyra (HNO₃)-lösning.
Diskussion:
HNO₃ är en stark syra som joniserar fullständigt i vatten, så joniseringsekvationen för HNO₃ är följande:
\[ \text{HNO}_3 \to \text{H}^+ + \text{NO}_3^- \]
Den givna koncentrationen av HNO₃ är 0,01 M. Eftersom HNO₃ är en stark syra, kommer varje molekyl av HNO₃ att producera en H⁺-jon. Därför är koncentrationen av H⁺-joner i lösningen lika med koncentrationen av HNO₃, nämligen:
\[ [\text{H}^+] = 0,01 \text{M} \]
pH kan beräknas med hjälp av formeln:
[pH = -log [H^+]]
Genom att infoga koncentrationen av H⁺-joner i formeln får vi:
[pH = -log (0,01) = -log (10-2) = 2]
Så är pH-värdet för en 0,01 M HNO₃-lösning 2.
Exempelfråga 3
Fråga:
Bestäm koncentrationen av OH⁻-joner i en 0,05 M NaOH-lösning.
Diskussion:
NaOH är en stark bas som joniserar fullständigt i vatten, så joniseringsekvationen för NaOH är följande:
\[ \text{NaOH} \till \text{Na}^+ + \text{OH}^- \]
Den angivna koncentrationen av NaOH är 0,05 M. Eftersom NaOH är en stark bas kommer varje NaOH-molekyl att producera en OH⁻-jon. Därför är koncentrationen av OH⁻-joner i lösningen lika med koncentrationen av NaOH, nämligen:
\[ [\text{OH}^-] = 0,05 \text{ M} \]
Så är koncentrationen av OH⁻-joner i en 0,05 M NaOH-lösning 0,05 M.
Exempelfråga 4
Fråga:
Beräkna pH-värdet för en 0,01 M KOH-lösning.
Diskussion:
KOH är en stark bas som joniserar fullständigt i vatten. Joniseringsekvationen för KOH i vatten är följande:
\[ \text{KOH} \to \text{K}^+ + \text{OH}^- \]
Den givna KOH-koncentrationen är 0,01 M. Eftersom KOH är en stark bas kommer varje KOH-molekyl att producera en OH⁻-jon. Därför är koncentrationen av OH⁻-joner i lösningen lika med koncentrationen av KOH, nämligen:
\[ [\text{OH}^-] = 0,01 \text{ M} \]
pH är ett mått på koncentrationen av H⁺-joner i en lösning. Vi kan använda förhållandet mellan pH, H⁺-joner och OH⁻-joner givet av vattenjonprodukten (Kw):
\[ \text{Kw} = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1 × 10^{-14} \]
Med värdet på [OH⁻] kan vi beräkna [H⁺]:
\[ [\text{H}^+] = \frac{\text{Kw}}{[\text{OH}^-]} = \frac{1 \× 10^{-14}}{0,01} = 1 \× 10^{-12} \text{M} \]
pH kan beräknas med hjälp av formeln:
[pH = -log [H^+]]
Genom att infoga koncentrationen av H⁺-joner i formeln får vi:
[pH = -log(1 x 10⁻⁷) = 12]
Så är pH-värdet för en 0,01 M KOH-lösning 12.
Exempelfråga 5
Fråga:
En lösning har ett pH = 3. Beräkna koncentrationen av H⁺-joner i lösningen.
Diskussion:
pH är ett mått på koncentrationen av H⁺-joner i en lösning och kan uttryckas med formeln:
[pH = -log [H^+]]
För att beräkna koncentrationen av H⁺-joner ändrar vi formeln till:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}} \]
Genom att lägga in de givna pH-värdena får vi:
\[ [\text{H}^+] = 10^{-3} = 0,001 \text{M} \]
Så är koncentrationen av H⁺-joner i en lösning med pH = 3 0,001 M.
Exempelfråga 6
Fråga:
NH₄OH-lösningen har en koncentration på 0,1 M. Beräkna lösningens pH om Kb-värdet för NH₄OH är 1,8 x 10⁻⁵.
Diskussion:
NH₄OH är en svag bas som inte joniserar fullständigt i vatten. Joniseringsekvationen för NH₄OH i vatten är följande:
\[ \text{NH}_4\text{OH} \leftrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
Jämviktskonstanten för joniseringen av NH₄OH kallas Kb och ges av:
\[ K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_4\text{OH}} \]
Eftersom NH₄OH är en svag bas använder vi Kb för att beräkna koncentrationen av OH⁻-joner. Om vi antar att \(x\) är koncentrationen av joniserad NH₄OH blir joniseringsekvationen:
[K_b = \frac{x^2}{0,1 – x} \approx \frac{x^2}{0,1} \]
Eftersom värdet på Kb är mycket litet antar vi (0,1 – x = 0,1):
[1,8 × 10⁻⁴ = x²/0,1]
[x² = 1,8 × 10⁻⁶]
[x = 1,8 × 10⁻⁶]
[x = ungefär 1,34 × 10⁻³ M]
Så är koncentrationen av OH⁻-joner (1,34 × 10⁻⁻ M).
Från denna koncentration kan vi beräkna koncentrationen av H⁺-joner med hjälp av Kw:
\[ [\text{H}^+] = \frac{1 \× 10^{-14}}{1,34 \× 10^{-3}} \]
[H^+] = 7,46 × 10^{-12} M]
pH-värde:
[pH = -log (7,46 × 10⁻⁹)]
pH-värde ca 11,13
Så är pH-värdet för en 0,1 M NH₄OH-lösning cirka 11,13.
slutsats
Arrhenius-teorin ger en värdefull grund för att förstå hur syror och baser beter sig i lösning. I den här diskussionen har vi tittat på flera exempelproblem som illustrerar hur dessa koncept kan användas för att beräkna koncentrationerna av H⁺- och OH⁻-joner och pH-värdet i olika lösningar. Att förstå denna teori är avgörande för alla som strävar efter en karriär inom kemi, oavsett om det är på gymnasie- eller högre utbildningsnivå.
