pH, neutralizacija, titravimas ir druskų hidrolizė

pH, neutralizacija, titravimas ir druskų hidrolizė

Mokymosi tikslai

• Apskaičiuoti stiprios rūgšties arba bazės tirpalo pH ir pOH.
• Neutralizacijos lygties santykiu apskaičiuoti nežinomą titravimo koncentraciją.
• Atskirti ekvivalentinį ir indikatoriaus galinį taškus.
• Pagal druską sudarančių jonų kilmę prognozuoti hidrolizę ir tirpalo terpę.

Sąvokos

Vandens autojonizacija, joninė sandauga, pH, pOH, neutralizacija, titrantas, analitė, ekvivalentinis taškas, indikatoriaus galinis taškas, hidrolizė.

Vanduo labai nedideliu mastu autojonizuojasi:

$\ce{2H2O(l) <=> H3O+(aq) + OH-(aq)}.$

Ši pusiausvyra sieja rūgštinę ir bazinę tirpalo terpę.

Prisimink

$25\ ^\circ\mathrm{C}$ temperatūroje:

$K_w=[\ce{H3O+}][\ce{OH-}]=1{,}0\cdot10^{-14}.$

$\mathrm{pH}=-\log[\ce{H3O+}],\qquad \mathrm{pOH}=-\log[\ce{OH-}],$

$\mathrm{pH}+\mathrm{pOH}=14{,}00.$

Šios skaitinės lygybės priklauso nuo temperatūros; neutralus tirpalas visada turi vienodas $[\ce{H3O+}]$ ir $[\ce{OH-}]$, bet neutralaus pH skaitinė vertė ne visomis temperatūromis tiksliai $7$.

Stiprios rūgšties ir bazės pH

$0{,}0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ $\ce{HCl}$ mokykliniame modelyje visiškai jonizuojasi, todėl $[\ce{H3O+}]=0{,}0100$ ir $\mathrm{pH}=2{,}00$.

$0{,}0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ $\ce{Ba(OH)2}$ vienas formulės vienetas suteikia du $\ce{OH-}$:

$[\ce{OH-}]=2\cdot0{,}0200=0{,}0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}},$

$\mathrm{pOH}=1{,}40,\qquad \mathrm{pH}=12{,}60.$

Šių tiesioginių skaičiavimų negalima taikyti silpnajai rūgščiai neįvertinus dalinės jonizacijos.

Silpnosios rūgšties pH

Vienprotonei silpnajai rūgščiai, kai pradinis koncentracijos dydis $c_0$, o jonizacija maža, galima taikyti artinį

$$[\ce{H3O+}]\approx\sqrt{K_a c_0}.$$

Pavyzdžiui, kai $c_0(\ce{CH3COOH})=0{,}100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ ir $K_a=1{,}8\cdot10^{-5}$, gauname $[\ce{H3O+}]\approx1{,}34\cdot10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ ir $\mathrm{pH}\approx2{,}87$. Artinį būtina patikrinti: apskaičiuota jonizavusios rūgšties dalis turi būti maža, palyginti su $c_0$; kitu atveju sprendžiama tikslesnė pusiausvyros lygtis.

Neutralizacija ir titravimas

Stiprios vienprotonės rūgšties ir stiprios vienhidroksilės bazės ekvivalentiniame taške:

$n(\ce{H+})=n(\ce{OH-}).$

Išspręstas pavyzdys

$25{,}00\ \mathrm{mL}$ $\ce{HCl}$ mėginiui neutralizuoti sunaudota $20{,}00\ \mathrm{mL}$ $0{,}1250\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ $\ce{NaOH}$.

$n(\ce{NaOH})=0{,}1250\cdot0{,}02000=2{,}500\cdot10^{-3}\ \mathrm{mol}.$

Santykis $1:1$, todėl tiek pat molių buvo $\ce{HCl}$:

$c(\ce{HCl})=\frac{2{,}500\cdot10^{-3}}{0{,}02500}=0{,}1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}.$

Ekvivalentinis taškas yra stechiometrinė sąvoka, o indikatoriaus galinis taškas – stebimas spalvos pokytis. Tinkamas indikatorius keičia spalvą stačioje titravimo kreivės dalyje.

Druskų hidrolizė

Druskos jonai gali reaguoti su vandeniu. Stiprios rūgšties ir stiprios bazės druska, pvz. $\ce{NaCl}$, idealiame mokykliniame modelyje tirpalo pH beveik nekeičia. Silpnos rūgšties anijonas bazina tirpalą:

$\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}.$

Amonio jonas rūgština tirpalą:

$\ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}.$

Kai abu jonai kilę iš silpno elektrolito, terpė priklauso nuo jų rūgštinių ir bazinių savybių santykio.

Tyrimas ir sauga

Biuretę praskalauk titrantu, pipetę – mėginiu. Meniską skaityk akių lygyje, ties galiniu tašku titrantą leisk po lašą, o kolbą maišyk. Rūgštis ir bazė gali ėsdinti: naudok akinius, pipetavimo priemonę, niekada nepipetuok burna. Skiedžiant koncentruotą rūgštį ji pilama į vandenį, ne atvirkščiai.

Dažnos klaidos

• pH apskaičiuojamas tiesiog kaip koncentracijos neigiamas skaičius, pamirštant logaritmą.
• Poliprotonei rūgščiai ar daugiahidroksilei bazei neįvertinamas stechiometrinis jonų skaičius.
• Ekvivalentinis taškas visada laikomas pH $7$; tai teisinga stiprios rūgšties ir stiprios bazės porai $25\ ^\circ\mathrm{C}$ idealiu modeliu, bet ne visiems titravimams.
• Druskos tirpalo terpė sprendžiama vien iš druskos pavadinimo, neanalizuojant jonų kilmės.

Pasitikrink

1. Apskaičiuok $1{,}0\cdot10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ $\ce{HNO3}$ pH.
2. Kokia $\ce{NH4Cl}$ tirpalo terpė ir kuris jonas ją lemia?
3. Kodėl titravimo metu biuretės piltuvėlis prieš matavimą išimamas?

Oficialūs šaltiniai

• SRC-BP-V1269 – Chemijos bendroji programa, IV gimnazijos klasė, pH, neutralizacija, titravimas ir hidrolizė.
• SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus Bendrosios programos atvaizdavimas eMokykloje.
• SRC-IR-2025 – III–IV gimnazijos klasių įgyvendinimo rekomendacijos; naudota titravimo metodikai, saugai ir duomenų tikslumui.

Santrauka

$K_w$ sieja $\ce{H3O+}$ ir $\ce{OH-}$ koncentracijas. Titravime taikyk reakcijos stechiometriją, o druskos tirpalo terpę aiškink jonų hidrolize, ne vien bendru teiginiu apie druską.