pH і буфери: задачі з покроковими розв’язками

Інші назви: водневий показник · розрахунок pH · буферні розчини

Безкоштовні задачі з теми pH і буфери з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: сильні кислоти й основи, слабкі кислоти, буфери.

Безкоштовна задачаЛегка
02468101214кисленейтральнелужнеpH = ?

Знайдіть pH pH розчину NaOH, сильної основи, з концентрацією 0,05 mol/L при 25 °C.

c = 0,05 mol/L
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкасильні кислоти й основи
  2. Середняслабкі кислоти
  3. Складнабуфери

Як розв’язувати задачі на тему «pH і буфери»

  1. Визначте, чи кислота або основа сильна (повністю дисоційована), чи слабка.
  2. Сильна кислота: [H⁺] дорівнює її концентрації. Сильна основа: спершу знайдіть [OH⁻].
  3. Слабка кислота: розв’яжіть Ka = x²/(c − x) щодо x = [H⁺].
  4. pH = −log[H⁺], і pH + pOH = 14 при 25 °C.

Типові помилки

  • Вважають слабку кислоту сильною.
  • Забувають перевести pOH у pH для основи.
  • Використовують ln замість log.

Основні формули

pH
pH = −log[H⁺]
pOH
pOH = −log[OH⁻], pH + pOH = 14
Слабка кислота
[H⁺] ≈ √(Ka·c)
Буфер
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
Розведення
c1V1 = c2V2

Вивчайте тему «pH і буфери» з нуля

Перед цим: Хімічна рівновага

1Що таке pH

Кислота віддає у воді іони водню H⁺. Основа віддає гідроксид-іони OH⁻ або приєднує H⁺. Лимонний сік кислий, мило лужне.

Концентрація H⁺ може коливатися приблизно від 1 mol/L до 10⁻¹⁴ mol/L. Такі числа незручні, тож хіміки використовують pH:

pH = −log[H⁺]

Кожен крок 1 у pH — це множник 10 у [H⁺]. Розчин з [H⁺] = 0,01 = 10⁻² mol/L має pH 2.

01234567891011121314H⁺OH⁻
  • pH нижче за 7: кислий. Чим нижчий pH, тим більше H⁺.
  • pH 7: нейтральний, як чиста вода за 25 °C.
  • pH вище за 7: основний (лужний).

Та сама ідея працює для OH⁻: pOH = −log[OH⁻]. У воді за 25 °C вони завжди в сумі дають 14:

pH + pOH = 14
Самоперевірка Чому дорівнює pH розчину з [H⁺] = 0,001 mol/L?
  1. 0,001
  2. 11
  3. 3
  4. −3

Відповідь: 3. 0,001 = 10⁻³, і pH = −log(10⁻³) = 3. Якщо забути мінус, вийде −3, а 11 — це pOH, а не pH.

2Сильні кислоти та основи

Сильна кислота або основа повністю дисоціює у воді. Приклади: HCl, HNO₃, NaOH і KOH.

Отже, концентрація H⁺ сильної кислоти дорівнює концентрації кислоти. 0,01 mol/L HCl дає [H⁺] = 0,01 mol/L і pH 2.

Для сильної основи спершу знайдіть [OH⁻], потім pOH, потім pH:

  1. [OH⁻] = концентрація основи × кількість OH⁻ на формульну одиницю. Ba(OH)₂ дає два.
  2. pOH = −log[OH⁻].
  3. pH = 14 − pOH.

Приклад: 0,01 mol/L NaOH дає [OH⁻] = 0,01, pOH = 2 і pH = 14 − 2 = 12.

Самоперевірка Який pH розчину NaOH 0,1 mol/L за 25 °C?
  1. 0,1
  2. 13
  3. 1
  4. 7

Відповідь: 13. [OH⁻] = 0,1 mol/L, тож pOH = 1 і pH = 14 − 1 = 13. Відповідь 1 зупиняється на pOH: у основи pH має бути вищий за 7.

3Слабкі кислоти та буфери

Слабка кислота, як-от оцтова або HF, дисоціює лише трохи. Вона утворює рівновагу:

HA ⇌ H⁺ + A⁻ Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]

Ka — це константа кислотності: чим вона більша, тим сильніша кислота. Часто бачимо pKa = −log Ka.

Якщо x mol/L кислоти з концентрацією c дисоціює, то [H⁺] = [A⁻] = x і [HA] = c − x. Отже, Ka = x² / (c − x).

Коли x мале порівняно з c, можна використати c − x ≈ c:

[H⁺] ≈ √(Ka · c)

Якщо x виявляється більшим за приблизно 5% від c, натомість розв’яжіть квадратне рівняння x² + Kax − Kac = 0.

Буфер — це суміш слабкої кислоти HA та її спряженої основи A⁻, наприклад із її натрієвої солі. Він утримує pH майже сталим, коли додають трохи кислоти чи основи. Його pH описує рівняння Гендерсона–Гассельбальха:

pH = pKa + log([A⁻] / [HA])

Додавання сильної основи перетворює частину HA на A⁻: HA зменшується, а A⁻ зростає на кількість молів доданої основи.

Самоперевірка Буфер містить однакові концентрації слабкої кислоти та її спряженої основи. pKa дорівнює 4,75. Який pH?
  1. 4,75
  2. 5,75
  3. 7
  4. 9,25

Відповідь: 4,75. За [A⁻] = [HA] відношення дорівнює 1, а log 1 = 0, тож pH = pKa = 4,75. Буфер не є автоматично нейтральним.

4Метод крок за кроком

  1. Визначте, що у вас: сильна кислота, сильна основа, слабка кислота чи буфер (слабка кислота разом зі своєю сіллю).
  2. Сильна кислота: [H⁺] = c. Сильна основа: [OH⁻] = c × кількість OH⁻, потім pOH і pH = 14 − pOH.
  3. Слабка кислота: [H⁺] ≈ √(Ka · c). Перевірте, що x менше за 5% від c; інакше розв’яжіть квадратне рівняння.
  4. Буфер: знайдіть pKa, потім pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Якщо додають кислоту чи основу, спершу оновіть кількості молів HA та A⁻.
  5. Візьміть pH = −log[H⁺] і перевірте відповідь: кислоти нижче за 7, основи вище за 7, буфер поблизу свого pKa.

5Розв’язаний приклад

Простежте кожен крок. Спробуйте передбачити наступний, перш ніж його відкрити.

Розв’язаний приклад

Знайдіть pH розчину бензойної кислоти 0,2 mol/L (Ka = 6,3 × 10⁻⁵).

1

Розпізнайте кислоту

Ka мала, тож бензойна кислота — слабка кислота. Лише мала частина її розпадається на H⁺ і A⁻.

2

Запишіть рівновагу

З x = [H⁺] = [A⁻] і [HA] = 0,2 − x:

6,3 × 10⁻⁵ = x² / (0,2 − x)
3

Використайте наближення

Вважайте x малим, тож 0,2 − x ≈ 0,2.

x ≈ √(6,3 × 10⁻⁵ · 0,2) = √(1,26 × 10⁻⁵) = 0,00355 mol/L
4

Перевірте наближення

0,00355 / 0,2 = 1,8%, що менше за 5%. Наближення прийнятне. Точне розв’язання квадратного рівняння дає 0,00352 mol/L, майже те саме.

5

Знайдіть pH

pH = −log(0,00352) = 2,45
01234567891011121314H⁺OH⁻

pH нижчий за 7, як і має бути для кислоти, але вищий, ніж для 0,2 mol/L сильної кислоти (pH 0,70).

Відповідь

pH ≈ 2,45

6Типові помилки

  • Давати pOH, коли запитано pH. Для основи завжди завершуйте pH = 14 − pOH.
  • Забувати, що Ba(OH)₂ і Ca(OH)₂ дають по два OH⁻ на формульну одиницю.
  • Вважати слабку кислоту сильною, так що [H⁺] = c.
  • Забувати мінус у pH = −log[H⁺].
  • Перевертати відношення буфера: це [A⁻]/[HA], основа поділена на кислоту.
  • Використовувати скорочення √(Ka·c), коли x більше за 5% від c.
Самоперевірка Який pH розчину сильної основи Ba(OH)₂ 0,02 mol/L за 25 °C?
  1. 1,40
  2. 1,70
  3. 12,30
  4. 12,60

Відповідь: 12,60. Кожен Ba(OH)₂ дає два OH⁻, тож [OH⁻] = 0,04 mol/L, pOH = 1,40 і pH = 12,60. 12,30 забуває множник 2, а 1,40 — це pOH.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

  • Легко: сильні кислоти та основи. pH розчину HCl, NaOH чи Ba(OH)₂.
  • Середньо: слабкі кислоти. pH слабкої кислоти, як-от HF або бензойної, за її Ka і концентрацією.
  • Складно: буфери. pH за Гендерсоном–Гассельбальхом або новий pH після додавання сильної основи.

Приклад складного запитання: до 1,00 L буфера з 0,25 mol HF і 0,10 mol F⁻ (Ka = 0,00068) додають 0,05 mol NaOH. HF стає 0,20 mol, а F⁻ — 0,15 mol, тож pH = 3,17 + log(0,15/0,20) = 3,04.

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
02468101214кисленейтральнелужнеpH = ?

Знайдіть pH pH розчину хлоридної кислоти (HCl), сильної кислоти, з концентрацією 0,5 mol/L.

c = 0,5 mol/L

Знайти: pH

Показати підказки
  1. Сильна кислота дисоціює повністю, тож [H₃O⁺] дорівнює концентрації кислоти.
  2. pH = −log₁₀[H₃O⁺].
  3. [H₃O⁺] = 0,5 mol/L.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] і pOH = −log₁₀[OH⁻], причому pH + pOH = 14 при 25 °C. Сильні кислоти й основи дисоціюють повністю. Слабка кислота — лише частково: Ka = x²/(c − x), де x = [H₃O⁺]. Буфер зі слабкої кислоти та спряженої основи підпорядковується рівнянню Гендерсона–Гассельбаха: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

pH за концентрацією

pH = −log(0,5) = 0,301

Відповідь

pH = 0,301
Приклад 2Середня
02468101214кисленейтральнелужнеpH = ?

Знайдіть pH pH розчину 0,1 mol/L, де розчинена речовина — гіпохлоритна кислота (Ka = 3 × 10⁻⁸).

c = 0,1 mol/LKa = 3 × 10⁻⁸

Знайти: pH

Показати підказки
  1. Запишіть Ka = x²/(c − x), де x = [H₃O⁺].
  2. Оскільки Ka мале, x набагато менше за c, тож x ≈ √(Ka·c) — добре наближення.
  3. √(3 × 10⁻⁸·0,1) = 5,477 × 10⁻⁵.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] і pOH = −log₁₀[OH⁻], причому pH + pOH = 14 при 25 °C. Сильні кислоти й основи дисоціюють повністю. Слабка кислота — лише частково: Ka = x²/(c − x), де x = [H₃O⁺]. Буфер зі слабкої кислоти та спряженої основи підпорядковується рівнянню Гендерсона–Гассельбаха: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

Рівновага

HA ⇌ H⁺ + A⁻: дисоціює x mol/L кислоти.

Ka = x²/(0,1 − x) → x = 5,476 × 10⁻⁵ mol/L

pH

pH = −log(5,476 × 10⁻⁵) = 4,262

Відповідь

pH = 4,262
Приклад 3Складна
02468101214кисленейтральнелужнеpH = ?

Буфер об'ємом 1,00 L містить 0,3 mol речовини «гіпохлоритна кислота» і 0,2 mol її спряженої основи (Ka = 3 × 10⁻⁸). Додають 0,05 mol NaOH. Знайдіть нове pH pH.

n(HA) = 0,3 moln(A⁻) = 0,2 moln(OH⁻) = 0,05 molKa = 3 × 10⁻⁸

Знайти: pH

Показати підказки
  1. Доданий гідроксид реагує зі слабкою кислотою: HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O.
  2. Тож HA зменшується на додану кількість, а A⁻ зростає на стільки ж.
  3. n(HA) = 0,25, n(A⁻) = 0,25.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] і pOH = −log₁₀[OH⁻], причому pH + pOH = 14 при 25 °C. Сильні кислоти й основи дисоціюють повністю. Слабка кислота — лише частково: Ka = x²/(c − x), де x = [H₃O⁺]. Буфер зі слабкої кислоти та спряженої основи підпорядковується рівнянню Гендерсона–Гассельбаха: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

Нейтралізація

n(HA) = 0,3 − 0,05 = 0,25 mol
n(A⁻) = 0,2 + 0,05 = 0,25 mol

Гендерсон–Гассельбах

pH = 7,523 + log(0,25/0,25) = 7,523

Відповідь

pH = 7,523

Запитання й відповіді

pH і буфери: що це?

Концентрація H⁺ може коливатися приблизно від 1 mol/L до 10⁻¹⁴ mol/L. Такі числа незручні, тож хіміки використовують pH:

Кожен крок 1 у pH — це множник 10 у [H⁺]. Розчин з [H⁺] = 0,01 = 10⁻² mol/L має pH 2.

pH і буфери: як розв’язувати задачі крок за кроком?
  1. Визначте, чи кислота або основа сильна (повністю дисоційована), чи слабка.
  2. Сильна кислота: [H⁺] дорівнює її концентрації. Сильна основа: спершу знайдіть [OH⁻].
  3. Слабка кислота: розв’яжіть Ka = x²/(c − x) щодо x = [H⁺].
  4. pH = −log[H⁺], і pH + pOH = 14 при 25 °C.
pH і буфери: які помилки найпоширеніші?
  • Вважають слабку кислоту сильною.
  • Забувають перевести pOH у pH для основи.
  • Використовують ln замість log.
pH і буфери: що ви тренуєте?
  • Легка: сильні кислоти й основи
  • Середня: слабкі кислоти
  • Складна: буфери

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Теми до і після цієї

Спочатку вивчіть

Калькулятори

Курси з цією темою

Інші теми: Природничі науки

Робочий аркуш для друку