Valintakoe A: Tekniikka ja luonnontieteet
Miten heikon hapon pH lasketaan?
Heikon hapon pH lasketaan happovakion Kₐ avulla, koska heikko happo protolysoituu vain osittain. Tasapainosta HA + H₂O ⇌ A⁻ + H₃O⁺ saadaan Kₐ = x² / (c − x), missä x on oksoniumionien konsentraatio ja c hapon alkukonsentraatio. Kun protolysoitunut osuus on pieni, x ≈ √(Kₐc). Lopuksi pH = −lg[H₃O⁺].
Vahva happo protolysoituu täydellisesti, joten sen oksoniumionikonsentraatio on hapon konsentraatio. Heikko happo, kuten etikkahappo, protolysoituu vain osittain, ja oksoniumionien määrä on laskettava tasapainosta.
Likiarvo x ≈ √(Kₐc) perustuu siihen, että c − x ≈ c, kun x on pieni verrattuna c:hen. Oletus tarkistetaan lopuksi: jos x on alle noin 5 % konsentraatiosta c, likiarvo riittää. Muuten ratkaistaan toisen asteen yhtälö x² + Kₐx − Kₐc = 0.
pH-asteikko on logaritminen: pH:n muutos yhdellä tarkoittaa kymmenkertaista muutosta oksoniumionien konsentraatiossa. Vesiliuoksissa 25 °C:ssa pH + pOH = 14. Neutraalin liuoksen pH on silloin 7, happamien liuosten pH on pienempi ja emäksisten suurempi.
Kaava
Kₐ = [A⁻][H₃O⁺] / [HA] = x² / (c − x)
x ≈ √(Kₐ · c)
pH = −lg[H₃O⁺]
pH + pOH = 14 (25 °C)
Esimerkki
Laske 0,10 mol/l etikkahappoliuoksen pH, kun Kₐ = 1,8 · 10⁻⁵ mol/l.
- Tasapaino: Kₐ = x² / (0,10 − x).
- Likiarvo: x ≈ √(1,8 · 10⁻⁵ · 0,10) = √(1,8 · 10⁻⁶) ≈ 1,34 · 10⁻³ mol/l.
- Tarkistus: 1,34 · 10⁻³ on noin 1,3 % luvusta 0,10, joten likiarvo riittää.
- pH = −lg(1,34 · 10⁻³) ≈ 2,87, eli pH on noin 2,9.
Tyypillinen virhe
Heikkoa happoa käsitellään vahvana, jolloin [H₃O⁺] olisi 0,10 mol/l ja pH 1,0. Todellinen pH on noin 2,9, koska vain noin prosentti etikkahappomolekyyleistä protolysoituu.
Valintakokeessa A
Hapot, emäkset ja pH kuuluvat lukion kemiaan, johon valintakokeen A fysiikan ja kemian osio perustuu. pH-laskussa yhdistyvät tasapainovakio ja logaritmi, joten virhe voi syntyä kummassakin vaiheessa.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe A -kurssin luvussa 30: Reaktionopeus, tasapaino ja pH laskuina. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Mitä eroa on vahvalla ja heikolla hapolla?
Vahva happo, kuten suolahappo, luovuttaa vesiliuoksessa käytännössä kaikki protoninsa vesimolekyyleille. Heikko happo, kuten etikkahappo, protolysoituu vain osittain, ja liuoksessa on tasapaino hapon ja sen vastinemäksen välillä. Ero ei koske konsentraatiota: laimeakin vahva happo protolysoituu täydellisesti.
Miksi pH lasketaan logaritmilla?
Oksoniumionien konsentraatio vaihtelee liuoksissa monen kymmenpotenssin verran, esimerkiksi 0,1 mol/l:stä 10⁻¹³ mol/l:ään. Logaritminen asteikko tiivistää vaihtelun luvuiksi noin 1:stä 13:een. Miinusmerkki tekee luvuista positiivisia, joten happamalla liuoksella on pieni pH.