Hlavní obsah
Fyzikální chemie
Kurz: Fyzikální chemie > Kapitola 7
Lekce 1: Kyseliny, zásady a pH- Arrheniova teorie kyselin a zásad
- Brønstedova-Lowryho teorie kyselin a zásad
- Brønstedova-Lowryho teorie kyselin a zásad
- Autoprotolýza vody a Kw
- Silné kyseliny a silné báze
- Úvod do acidobazických reakcí
- Souvislost mezi silou kyselin a zásad a pH
- pH, pOH a stupnice pH
- pH a pOH silných kyselin a zásad
- pH kyselin a zásad – shrnutí
pH, pOH a stupnice pH
Co jsou to pH, pOH a jak souvisí se stupnicí pH? Ukážeme si, jak vypočítat pH silné kyseliny či zásady. Také zavedeme vztah mezi silnou kyselinou jejím pH v roztoku.
Co je potřeba si zapamatovat
- Hodnoty open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket a start text, p, H, end text můžeme mezi sebou převádět podle vztahu:
- Hodnoty open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket a start text, p, O, H, end text můžeme mezi sebou převádět podle vztahu:
- Pro jakýkoli vodný roztok o teplotě 25, degrees, start text, C, end text platí:
start text, p, H, end text, plus, start text, p, O, H, end text, equals, 14.
- Při každém 10násobném navýšení koncentrace open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket se start text, p, H, end text sníží o 1 a naopak.
- Hodnotu open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket a start text, p, H, end text ovlivňuje jak síla kyseliny, tak její koncentrace.
Úvod
Ve vodném roztoku je kyselina definována jako jakékoli chemické individuum, které zvyšuje koncentraci start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis, zatímco zásada zvyšuje koncentraci start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, q, right parenthesis. Typické koncentrace těchto iontů v roztoku mohou být velmi malé, ale i velmi vysoké.
Například vzorek čisté vody o teplotě 25, degrees, start text, C, end text obsahuje 1, comma, 0, dot, 10, start superscript, minus, 7, end superscript, start text, space, M, end text vodíkových kationtů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript a hydroxidových aniontů start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. Pro srovnání, koncentrace start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript v žaludeční šťávě bývá přibližně 1, comma, 0, dot, 10, start superscript, minus, 1, end superscript, start text, M, end text. To znamená, že hodnota open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket žaludeční šťávy je asi o 6 řádů vyšší, než je tomu v případě vody.
Práce s takovými čísly může být trochu krkolomná, proto vědci a vědkyně převádí tyto hodnoty na start text, p, H, end text nebo start text, p, O, H, end text. Pojďme se podívat na definice start text, p, H, end text a start text, p, O, H, end text.
Definice start text, p, H, end text a start text, p, O, H, end text
Vztah mezi open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket a start text, p, H, end text
start text, p, H, end text vodného roztoku vypočítáme z open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket pomocí následující rovnice:
Malé start text, p, end text značí „, minus, start text, l, o, g, end text, start subscript, 10, end subscript, “. Ve výpočtech se základ logaritmu 10 často vynechává kvůli zkrácení rovnice.
Pokud například máme roztok open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, equals, 1, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, start text, space, M, end text, můžeme start text, p, H, end text vypočítat pomocí Rovn. 1a:
Když známe start text, p, H, end text roztoku, můžeme určit open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket:
Vztah mezi open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket a start text, p, O, H, end text
start text, p, O, H, end text vodného roztoku je stejným způsoben odvozeno z hodnoty open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket:
Pokud například máme roztok s open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, 1, dot, 10, start superscript, minus, 12, end superscript, start text, space, M, end text, pak můžeme start text, p, O, H, end text vypočítat pomocí Rovn. 2a:
Když známe start text, p, O, H, end text roztoku, můžeme také vypočítat open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket:
Vztah mezi start text, p, H, end text a start text, p, O, H, end text
Na základě rovnovážných koncentrací kationtů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript a start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript ve vodě platí následující vztah pro jakýkoli vodný roztok při teplotě 25, degrees, start text, C, end text:
Tento vztah lze použít také k převodu mezi start text, p, H, end text a start text, p, O, H, end text. V kombinaci s Rovn. 1a/b a Rovn. 2a/b vždy můžeme pochopit vztah start text, p, O, H, end text a/nebo start text, p, H, end text s open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket a open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket. Odvození této rovnice najdeš ve článku o autoionizaci vody.
Příklad 1: Výpočet start text, p, H, end text silně zásaditého roztoku
Pokud použijeme 1, comma, 0, start text, space, m, m, o, l, end text start text, N, a, O, H, end text k výrobě 1, comma, 0, start text, space, l, end text vodného roztoku při teplotě 25, degrees, start text, C, end text, jaké bude start text, p, H, end text výsledného roztoku?
Hodnotu start text, p, H, end text roztoku start text, N, a, O, H, end text zjistíme pomocí vztahů mezi open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, start text, p, H, end text a start text, p, O, H, end text. Na výpočet se podíváme krok za krokem.
Krok 1: Výpočet molární koncentrace (molarity) start text, N, a, O, H, end text
Molární koncentrace je počet molů dané látky v jednom litru roztoku:
Pro výpočet molární koncentrace start text, N, a, O, H, end text můžeme použít známé hodnoty pro mol start text, N, a, O, H, end text a množství roztoku:
Koncentrace start text, N, a, O, H, end text v roztoku je 1, comma, 0, dot, 10, start superscript, minus, 3, end superscript, start text, space, M, end text.
Krok 2: Výpočet koncentrace aniontu start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript na základě disociace sloučeniny start text, N, a, O, H, end text
Protože start text, N, a, O, H, end text je silně zásaditý roztok, ve vodném roztoku se plně disociuje do základních složek:
Tato vyčíslená rovnice nám říká, že každý mol start text, N, a, O, H, end text ve vodném roztoku vyprodukuje jeden mol aniontu start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript. To znamená, že mezi open bracket, start text, N, a, O, H, end text, close bracket a open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket je následující vztah:
Krok 3: Výpočet start text, p, O, H, end text z koncentrace aniontu start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript pomocí Rovn. 2a
Když už známe koncentraci start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, můžeme vypočítat start text, p, O, H, end text pomocí Rovn. 2a:
To znamená, že start text, p, O, H, end text tohoto roztoku je 3, comma, 00.
Krok 4: Výpočet start text, p, H, end text z start text, p, O, H, end text pomocí Rovn. 3
Hodnotu start text, p, H, end text z start text, p, O, H, end text vypočítáme pomocí Rovn. 3. Z rovnice vyjádříme start text, p, H, end text:
K vypočítání start text, p, H, end text můžeme dosadit hodnotu start text, p, O, H, end text, kterou jsme vypočítali v kroku 3:
To znamená, že start text, p, H, end text našeho roztoku start text, N, a, O, H, end text je 11, comma, 00.
Stupnice start text, p, H, end text: Kyselé, zásadité a neutrální roztoky
Převod open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket na start text, p, H, end text je praktickým způsobem, jak zjistit relativní kyselost či zásaditost roztoku. Díky stupnici start text, p, H, end text dokážeme snadno seřadit různé látky na základě jejich hodnoty start text, p, H, end text.
Stupnice start text, p, H, end text odpovídá záporně vzaté logaritmická stupnici. „Logaritmická“ znamená, že start text, p, H, end text se mění o 1 jednotku při každé 10, n, a, with, acute, on top, s, o, b, n, e, with, acute, on top změně v koncentraci start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. Záporné znaménko před číslem znamená, že mezi start text, p, H, end text a open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket je inverzní vztah: když se start text, p, H, end text zvýší, open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket se sníží, a naopak.
Na následujícím obrázku vidíme stupnici start text, p, H, end text, na níž jsou označeny hodnoty start text, p, H, end text několika běžných látek. Jedná se o hodnoty start text, p, H, end text při teplotě 25, degrees, start text, C, end text. Pamatuj, že existují i záporné hodnoty start text, p, H, end text.
Důležitá milníky pro vodné roztoky při teplotě 25, degrees, start text, C, end text:
- Neutrální roztoky mají start text, p, H, end text, equals, 7.
- Kyselé roztoky mají start text, p, H, end text, is less than, 7.
- Zásadité roztoky mají start text, p, H, end text, is greater than, 7.
Čím nižší je hodnota start text, p, H, end text, tím kyselejší roztok je, a tím vyšší je v něm koncentrace kationtů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. Čím nižší je hodnota start text, p, H, end text, tím zásaditější roztok je, a tím nižší je v něm koncentrace kationtů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. Kyselost nebo zásaditost roztoku bychom také mohli popsat pomocí start text, p, O, H, end text, ale použití start text, p, H, end text je běžnější. Převod mezi hodnotami start text, p, H, end text a start text, p, O, H, end text je naštěstí snadný.
K zamyšlení: Co je podle stupnice start text, p, H, end text kyselejšíminuspomerančový džus, nebo ocet?
Příklad 2: Výpočet start text, p, H, end text zředěného silně kyselého roztoku
Máme 100, start text, space, m, l, end text roztoku kyseliny citronové, jehož hodnota start text, p, H, end text je 4, comma, 0. Roztok zředíme vodou tak, že výsledný objem kapaliny je 1, comma, 0, start text, space, l, end text.
Jaké bude start text, p, H, end text roztoku po zředění?
Existuje několik způsobů, jak tento příklad vypočítat. Ukážeme si dvě metody.
Metoda 1. Použití vlastností logaritmické stupnice
Vzpomeň si, že stupnice start text, p, H, end text je záporná logaritmická stupnice. To znamená, že v případě, že se koncentrace kationtu start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript sníží o jeden násobek 10, pak se hodnota start text, p, H, end text zvýší o 1 jednotku.
Protože původní objem, 100, start text, space, m, l, end text, je desetina celkového objemu po zředění, koncentrace start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript v roztoku se snížila o násobek 10. To znamená, že start text, p, H, end text roztoku se zvýší o 1 jednotku:
To znamená, že start text, p, H, end text zředěného roztoku je 5, comma, 0.
Metoda 2. Použití molů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript k výpočtu start text, p, H, end text
Krok 1: Výpočet molů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript
Pro výpočet molů kationtů start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript v roztoku můžeme použít start text, p, H, end text a objem původního roztoku.
Krok 2: Výpočet molární koncentrace kationtu start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript po zředění
Molární koncentraci zředěného roztoku můžeme vypočítat pomocí molů kationtu start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, a to z původního roztoku a celkového množství roztoku po zředění.
Krok 3: Výpočet start text, p, H, end text z open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket
K výpočtu start text, p, H, end text pak můžeme použít Rovn. 1a:
Výsledek metody 2 je stejný jako výsledek metody 1, hurá!
Metoda 2 má více mezikroků, ale vždy ji můžeme použít k nalezení změn v start text, p, H, end text. Metoda 1 se pak hodí v situacích, kdy se koncentrace mění v násobcích 10. Metodu 1 také můžeme použít pro rychlé zjištění změn v start text, p, H, end text.
Vztah mezi start text, p, H, end text a sílou kyseliny
Na základě rovnice pro výpočet start text, p, H, end text víme, že start text, p, H, end text souvisí s open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket. Je ale důležité si pamatovat, že start text, p, H, end text nemá vždy přímou souvislost se sílou kyseliny.
Síla kyseliny závisí na stupni, do jakého kyselina disociuje v roztoku: čím silnější je kyselina, tím vyšší je open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket v koncentraci kyseliny. Například 1, comma, 0, start text, M, end text roztoku silné kyseliny start text, H, C, l, end text má vyšší koncentraci start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript než 1, comma, 0, start text, M, end text roztoku slabší kyseliny start text, H, F, end text. Takže pro dva roztoky jednosytné kyseliny o stejné koncentraci platí, že jejich start text, p, H, end text bude úměrné síle kyseliny.
Obecněji řečeno, jak síla kyseliny, tak i koncentrace určují open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket. Z toho důvodu nelze předpokládat, že start text, p, H, end text roztoku silné kyseliny bude nižší než start text, p, H, end text roztoku slabé kyseliny. Na koncentraci kyseliny také záleží!
Shrnutí
- Hodnoty open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket a start text, p, H, end text můžeme mezi sebou převádět podle vztahu:
- Hodnoty open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket a start text, p, O, H, end text můžeme mezi sebou převádět podle vztahu:
- Při každém 10násobném navýšení koncentrace open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket se start text, p, H, end text sníží o 1 a naopak.
- Pro jakýkoli vodný roztok o teplotě 25, degrees, start text, C, end text platí:
start text, p, H, end text, plus, start text, p, O, H, end text, equals, 14.
- Hodnotu open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket a start text, p, H, end text ovlivňuje jak síla kyseliny, tak její koncentrace.
Příklad 1: Výpočet pH silně zásaditého roztoku při teplotě 25, degrees, start text, C, end text
Máme 200, start text, space, m, l, end text roztoku s 0, comma, 025, start text, M, end text koncentrací start text, C, a, left parenthesis, O, H, right parenthesis, end text, start subscript, 2, end subscript. Přidáme vodu a výsledný zředěný roztok bude mít 1, comma, 00, start text, space, l, end text.
Jaké bude start text, p, H, end text roztoku po zředění?
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.