Puskuriliuoksen valmistus (Premi 8 K2014)

Laboratorio oloissa valmistetaan puskuriliuos, joka sisältää 0,1-molaarista etikkahappo- ja asetaattiliuosta tilavuusuhteessa 2:3. Ka (CH3COOH) = 1,8*10^-5 mol/l. Mikä on syntyvät liuoksen pH?

V:
Tilavuus Vyht.= 2 V + 3 V = 5 V

c(CH3COOH) = 2/5 * 0,1 mol/l = 0,04 mol/l
c(CH3COO-)  = 3/5 * 0,1 mol/l = 0,06 mol/l

Tasapainokonsetraatiot ovat (mol/l)

[CH3COOH] = 0,04 - x
[CH3COO-]  = 0,06 + x
[H3O+] = x

Happovakio lausekkeesta
         [H3O+][Ch3COO-]     x * (0,06 + x)
Ka =       CH3COOH]       =        0,04 - x    = 1,8 *10^-5

x² + 0,060018x - 7,2 * 10^-7 = 0
x = 1,199 * 10^-5

pH = -lg[H3O] = -lg[1,199 * 10^-5] = 4,921 ~ 4,9 


Tai vaihtoehtoisesti käytetään Henderson-Hasselbalch yhtälöä

pH = pKa + lg(A- / HA)              | pKa = -log(Ka)  = -log( 1,8*10^-5 mol/l ) = 4,744727..
      = 4,744727.. + lg(0,06 / 0,04)  
      = 4,9207.. ~ 4,9 

Henderson-Hasselbalch on ainoita yhtälöitä, jota ei löydy taulukkokirjasta joten sen ulkoa opettelu on suositeltavaa

Heikon hapon neutralointi vahvalla emäksellä

Kuinka paljon 0,1M NaOH:ia tarvitaan neutraloimaan 50 ml etikkahappoa, jonka konsentraatio on 0,8M?
Mikä on liuoksen pH, kun kaikki happo on kulunut?

V: Reaktio
CH3COOH (aq) + NaOH (aq) => CH3COONa (aq) + H2O (l)
Stoikimetriset kertoimet kaikilla samat

n(CH3COOH) = n(NaOH)
50 * 10^-3 * 0,8 = 0,04 mol

Tarvittava NaOH = n / c
                           = 0,04 mol  / 0,1M = 0,4 dm³
                                                         = 400 ml 
Reaktiotuotteena syntyy natriumasetaattia, joka veden kanssa reagoidessaan muodostaa asetaatti-ionin. Asetaatti-ioni on puolestaan heikko emäs.

1. Asetaatti-ioni reagoi veden kanssa

CH3COO- (aq) + H2O (l) <-=-> CH3COOH (aq) + HO- (aq)

2. Kirjoitetaan tasapainovakio

Kb= [CH3COOH][HO-] / [CH3COO-]

3. Liuoksen kokonaistilavuus 50 ml + 400 = 450 ml = 0,45 dm³.

Asetaatti-ionin konsentraatio saadaan n(CH3COOH) / V(Uusi)
                                                          = 0,04 mol / 0,45 dm³
                                                          = 0,08888... mol / dm³

4. Taulukointi
                     CH3COO- (aq) + H2O (l) <-=-> CH3COOH (aq) + HO- (aq)
c Alussa        0,08888...                                    0                            0
c Lopussa      0,08888... - x                              x                             x


Kb= [CH3COOH][HO-] / [CH3COO-]      | Kb saadaan taulukkokirjasta
5,6*10^-10 = x² / 0,08888... - x   | * (0,08888... - x)
5,6*10^-10 * 0,08888... - 5,6*10^-10 * x = x²
-x² - 5,6*10^-10 * x + 4,97728*10^-11 = 0  | Toiseen asteen yhtälön ratkaisukaava
x = -7,05010269*10^-6 ja  x = 7.049542*10^-6 | negatiivinen ei kelpaa

pOH = -lg(7.049542*10^-6)
         = 5,1518...
pH = 14 - pOH
      = 14 - 5,1518...
      = 8,8482
      ~ 8,8

Pieleen mennyt titraus

Johan yritti neutraloida 10ml 0,2 M HCl -liuosta lisäämällä liuokseen tipottain 0,5M NaOH -liousta. Titraus epäonnistui ja pH nousi 12. Kuinka paljon natriumhydroksidiliuosta kului kaikkiaan?

V:
Reaktio       HCl (aq) + NaOH (aq) <-=-> NaCl (aq) + H2O (l)
Kertoimet      1                 1                            1                 1

neutralointiin kului
n(HCl) = c * V = 0,2 M * (10 * 10^-3) l = 0,002 mol
n(NaOH) on sama, koska stoikiometriset kertoimetkin ovat samat
V(NaOH) = n / c = 0,002 mol / 0,5M = 0,004 dm³
                                                           = 4 ml
Lopullinen pH oli 
pOH = 14 - pH
= 14 - 12
= 2

eli [OH-] = 10^-2
= 0,02 mol/dm³

Natriumhydroksidin kulutus ilmoitetaan V:nä

Lisätty [OH-]          =          Neutralointi   +    Liuokseen jäi  
0,5 * V                               0,002 mol     +    0,02(V + 0,01)   
c(NaOH) * V                      n(HCl)                [OH-]{V + V(HCl)}

0,5 * V = 0,002+0,02(V + 0,01)
0,5V = 0,002 + 0,0002 + 0,02V
0,48V = 0,0022 
V = 0,0045833333 dm³ 
    = 4,58 ml

Havainto: NaOH:ia tippui liuokseen vain 4,58 ml - 4 ml = 0,58 ml liikaa.