Zwakke zuren en basen
1. Bereken de pH van een 0,010 M azijnzuur (CH3-COOH) oplossing.
2. Van een nieuw medicijn wordt 0,010 mol opgelost in 50 mL. De pH van de oplossing wordt 3,45. Berekend de kz.
3. Bereken de pH van een 0,010 M ammoniak (NH3) oplossing.
4. Je hebt twee oplossing met een pH van 3,4. Een oplossing is met een sterk zuur gemaakt. De andere oplossing met een zwak zuur. Beide oplossing worden een factor 3 verdund. Leg uit welke oplossing na het verdunnen het zuurst is.
5. Bereken hoeveel gram azijnzuur je moet oplossen in 1,0 liter water om een pH te krijgen van 4,2.
Buffer oplossing
Voor deze opgaven vergelijken we twee oplossing:
Oplossing A: 1 liter water
Oplossing B: 1 liter oplossing met 0,080 M H2CO3 en 0,050 M HCO3- 7. Geef de pH van oplossing A
8. Bereken de pH van oplossing B
9. Bereken de pH van oplossing A als er 0,010 mol sterk zuur wordt toegevoegd.
10. Bereken de pH van oplossing B als er 0,010 mol sterk zuur wordt toegevoegd.
Tip: Neem aan dat al het zuur met de aanwezige base reageert tot het bijbehorende zuur, verwaarloos extra ionisatie.
11. Controleer met een berekening of het verwaarlozen bij vraag 10 acceptabel was.
12. Bereken de pH van oplossing A als er 0,010 mol sterke base wordt toegevoegd.
13. Bereken de pH van oplossing B als er 0,010 mol sterke base wordt toegevoegd. Vergelijkbare aannames als bij vraag 10.
Oplossing C: 1 liter sterk zuur oplossing met dezelfde pH als oplossing D Oplossing D: 1 liter oplossing met 0,800 M H3PO4 en 0,500 M H2PO4-
14. Bereken de pH van oplossing D
15. Oplossing C wordt verdund met 2,5 liter water. Bereken de nieuwe pH.
16. Oplossing D wordt verdund met 2,5 liter water. Neem aan dat alleen de concentraties H3PO4 en H2PO4- veranderen volgens de verdunning (en dus niet de concentratie H3O+, en bereken op basis daarvan de nieuwe pH. Extra ionisatie wordt dus buiten beschouwing gelaten.
17. Was de aanname bij vraag 16 terecht?
Antwoorden
1
Azijnzuur is een zuur, dus de zuur vergelijking:
CH3-COOH + H2O ⇌ CH3-COO- + H3O+
[ ][ ]
[ ] = kz = 1,7·10-5
[CH3-COOH] [CH3-COO-] [H3O+]
B(egin) 0,010 0 0
O(mzetting) -x x x
E(venwicht) 0,010-x x x
NB: Strict genomen is [H3O+] niet 0 maar 10-7. Er is ook 10-7 OH- aanwezig. Deze waarden zijn verwaarloosbaar op het eindresultaat.
Belangrijk: Onthoud wat x eigenlijk voorstelt ([H3O+]), handig voor na het oplossen.
Regel van evenwicht invullen in de evenwichtsvoorwaarde:
·
, = 1,7·10-5 Vergelijking oplossen:
x2 = 1,7·10-7 - 1,7·10-5·x x2 + 1,7·10-5·x - 1,7·10-7 = 0 a = 1
b = 1,7·10-5 c = - 1,7·10-7
D = b2 - 4·a·c = (1,7·10-5)2 - 4·1·- 1,7·10-7 = 2,89·10-10 + 6,8·10-7 = 6,80289·10-7 x = ± √ een uitkomst geeft een niet reële (negatieve) waarde
x = √ = , · , · = 4,03898·10-4 Belangrijk, besef wat x eigenlijk voorstelt, de [H3O+].
pH = -log[H3O+] = -log(4,03898·10-4) = 3,393728 = 3,39 (2 cijfers significant)
2
Het medicijn is blijkbaar een zuur, de pH daalt. Een formule wordt niet gegeven. Ik gebruik een algemene formule: HBase
HBase + H2O ⇌ Base- + H3O+
[ ! ][ ]
[ !] = kz Van het medicijn wordt 0,010 opgelost in 50 mL, dus:
Concentratie medicijn
Porties 0,010 / 50·10-3 = 0,20 mol 0,010 mol
Volume oplossing 1 liter 50·10-3 liter
De pH is gegeven, dus:
[H3O+] = 10-pH = 10-3,45 = 3,5481·10-4 mol L-1.
[HBase] [Base-] [H3O+]
B(egin) 0,20 0 0
O(mzetting) -3,5481·10-4 3,5481·10-4 3,5481·10-4 E(venwicht) 0,20-3,5481·10-4 =
0,19964519
3,5481·10-4 3,5481·10-4
",#$ · %·",#$ · %
, $# = kz = 6,305813995·10-7 = 6,3·10-7
3
Zelfde als vraag 1, maar nu met een base:
NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-
[& % ][ ]
[& ] = kb = 1,8·10-5
[NH3] [NH4+] [OH-]
B(egin) 0,010 0 0
O(mzetting) -x x x
E(venwicht) 0,010-x x x
Belangrijk: Onthoud wat x eigenlijk voorstelt ([OH-]), handig voor na het oplossen.
Regel van evenwicht invullen in de evenwichtsvoorwaarde:
·
, = 1,8·10-5 Vergelijking oplossen:
x2 = 1,8·10-7 - 1,8·10-5·x x2 + 1,8·10-5·x - 1,8·10-7 = 0 a = 1
b = 1,8·10-5 c = - 1,8·10-7
D = b2 - 4·a·c = (1,8·10-5)2 - 4·1·- 1,8·10-7 = 3,24·10-10 + 7,2·10-7 = 7,20324·10-7 x = ± √ een uitkomst geeft een niet reële (negatieve) waarde
x = √ = , · , " $· = 4,15360·10-4
Belangrijk, besef wat x eigenlijk voorstelt, de [OH-].
pOH = -log[OH-] = -log(4,15360·10-4) = 3,381576
pH = 14 – pOH = 14 – 3,381576 = 10,618424 = 10,62 (2 cijfers significant)
4
Bij verdunnen van een sterk zuur de [H3O+] verdund, in dit voorbeeld met een factor 3. De nieuwe pH wordt dus log(3) = 0,477 hoger, dus 3,9.
Bij verdunnen van een zwak zuur wordt het evenwicht verstoord. Om het evenwicht te herstellen wordt een gedeelte van het zwakke zuur omgezet tot H+ en het zuurrest.
Bij een zwak zuur stijgt de pH dus minder dan bij een sterk zuur. De oplossing met het zwakke zuur is dus na het verdunnen het zuurst.
5
CH3-COOH + H2O ⇌ CH3-COO- + H3O+
[ ][ ]
[ ] = kz = 1,7·10-5
[CH3-COOH] [CH3-COO-] [H3O+]
B(egin) x 0 0
O(mzetting) -10-4,2 10-4,2 10-4,2
E(venwicht) x-10-4,2 10-4,2 10-4,2
Belangrijk: Onthoud wat x eigenlijk voorstelt (start [CH3-COOH]), handig voor na het oplossen.
%,'· %,'
%,' = 1,7·10-5
10-8,4 = 1,7·10-5·(x-10-4,2) = 1,7·10-5·x – 10-9,2 10-8,4-10-9,2 = 1,7·10-5·x
(,% ),'
, · = x = 1,970655507·10-4 mol L-1
Molaire massa azijnzuur
Massa 60,053 g 60,053·1,970655507·10-4
= 0,011834377 g
Porties 1 mol 1,970655507·10-4 mol
Er is dus 0,01 g azijnzuur nodig (1 cijfer significant)
6
HF + H2O ⇌ F- + H3O+
[* ][ ]
[ *] = kz = 6,3·10-4 [H3O+] = 10-3,0
[* ] ,+
[ *] = 6,3·10-4
[* ]
[ *] = ,"· % = 6,3·10-1 = 0,63
Ionisatiegraag is het gedeelte van het zuur dat een ion is geworden. In formule:
[, ]
[-,] + [, ] 100%
Nu dus twee vergelijkingen met twe onbekenden, wiskundig op te lossen. Omdat het alleen om de verhouding gaat, kan je ook gewoon een concentratie een waarde geven en uitrekenen wat de andere concentratie moet zijn. Bijvoorbeeld: [HF] = 1.
Invullen (2e vergelijking hierboven) geeft [F-] = 0,63.
Invullen in formule voor de ionisatiegraad:
, "
, " 100% = 38,65% = 4·101% (1 cijfer significant)
7
Let op, deze vragen gaan over 1 liter oplossing. Hierdoor is het makkelijk om concentratie (mol L-1) en porties (mol) door elkaar te gebruiken. Dit kan ook verwarrend werken.
Neutraal water heeft een pH van 7.
8
H2CO3 + H2O ⇌ HCO3- + H3O+
[ ][ ]
[ ' ] = kz = 4,5·10-7 Concentraties invullen
, # ·[ ]
, = 4,5·10-7 [H3O+] = 4,5·10-7 ,
, # = 7,2·10-7 (mol L-1)
pH = -log(7,2·10-7) = 6,142667504 = 6,12 (2 cijfers significant)
9
Sterk zuur in neutraal water, dus [H3O+] = 0,010 mol L-1, pH = -log(0,010) = 2,00
10
Sterk zuur in een oplossing waar ook een base aanwezig is, het zuur reageert dus met de base volgens:
HCO3- + H3O+ H2CO3 + H2O
Er wordt 0,01 mol sterk zuur toegevoegd, er reageert dus 0,01 mol HCO3- tot extra H2CO3. Nieuwe concentraties zijn dus:
[HCO3-] = 0,050 – 0,010 = 0,040 mol L-1 [H2CO3] = 0,080 + 0,010 = 0,090 mol L-1 Verder net als bij vraag 8:
, $ ·[ ]
, = 4,5·10-7 [H3O+] = 4,5·10-7 ,
, $ = 1,0125·10-6 (mol L-1) pH = -log(1,0125·10-6) = 5,99460 = 5,99 (2 cijfers significant)
11
De concentratie H3O+ is van 7,2·10-7 naar 1,0125·10-6 gegaan. Er is dus
1,0125·10-6 – 7,2·10-7 = 2,925·10-7 mol H3O+ bijgekomen. Dit is niet significant in vergelijking met de andere waarden (orde grootte 10-2).
12
[OH-] = 0,010, pOH = 2,00, pH = 12,00.
13
Idem als bij 10, maar dan reageert het aanwezige zuur met toegevoegde OH-. H2CO3 + OH- HCO3- + H2O
[HCO3-] = 0,050 + 0,010 = 0,060 mol L-1 [H2CO3] = 0,080 - 0,010 = 0,070 mol L-1
, ·[ ]
, = 4,5·10-7 [H3O+] = 4,5·10-7 ,
, = 5,25·10-7 (mol L-1) pH = -log(5,25·10-7) = 6,27984 = 6,28 (2 cijfers significant)
14
Let op, deze vragen gaan over 1 liter oplossing. Hierdoor is het makkelijk om concentratie (mol L-1) en porties (mol) door elkaar te gebruiken. Dit kan ook verwarrend werken.
Zelfde als bij vraag 8:
H3PO4 + H2O ⇌ H2PO4- + H3O+
[ '2 % ][ ]
[ 2 %] = kz = 6,9·10-3 Concentraties invullen
, # ·[ ]
, = 6,9·10-3 [H3O+] = 6,9·10-3 ,
, # = 0,01104 (mol L-1)
pH = -log(0,01104) = 1,95703 = 1,96 (2 cijfers significant)
15
Oud volume: 1 liter
Nieuw volume: 1 + 2,5 = 3,5 liter
Oude [H3O+]: 0,01104 (zelfde pH als oplossing D) Nieuwe [H3O+]: 0,003154285714
Nieuwe pH = -log(0,003154285714) = 2,501098971 = 2,50 (2 cijfers significant)
16
H3PO4 en H2PO4- worden gelijk verdund, de concentraties worden dus beide kleiner maar de verhouding blijft gelijk. Hierdoor is de uitkomst gelijk als bij vraag 14 (1,96).
De pH veranderd dus niet bij verdunnen.
17
Bij de ‘berekening’ van vraag 16 is uitgegaan dat H3O+ niet verdund wordt. Dit is natuurlijk wel gebeurd. De concentratie was 0,01104 voor verdunnen en werd
0,003154285714 na verdunnen. Door de aanname is er 0,01104 - 0,003154285714 = 0,007886 mol H3O+ extra bedacht. Een fout van ongeveer 1,6% (0,007886 is
ongeveer 1,6% van 0,500).
