Neutralisationsberegner - Syre-base-reaktionsstøkiometri

Beregner til neutralisation

En neutralisationsberegner finder ud af, hvor meget syre eller base der skal til for at ophæve en given mængde af det modsatte stof, så der efterlades en opløsning af salt og vand. Den beregner volumenet af en valgt syre eller base, der reagerer fuldstændigt med en startopløsning, under forudsætning af at begge opløsninger har den samme koncentration.

Hvad er syre-base-neutralisation?

Neutralisation er en kemisk reaktion mellem en syre og en base. Den danner et salt og vand. Brønsted-Lowry-teorien, den definition der er mest udbredt i kemi, beskriver en syre som et stof, der afgiver en hydrogenion (H⁺), og en base som et stof, der optager en. Den generelle reaktion er:

$\text{Syre} + \text{Base} \rightarrow \text{Salt} + \text{Vand}$

På molekylært niveau går hydrogenioner fra syren sammen med hydroxidioner (OH⁻) fra basen og danner vand:

$\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$

Denne reaktion frigiver varme. Koncentrerede syrer og baser kan blive mærkbart varme, når de neutraliserer hinanden, og derfor lyder sikkerhedsvejledningen, at man skal hælde syre i vand og ikke vand i syre.

Sådan beregnes syre-base-neutralisation

Neutralisationsberegninger bygger på støkiometri: Stoffer reagerer i faste forhold, som bestemmes af deres kemiske formler. Fuldstændig neutralisation sker, når den samlede mængde H⁺ fra syren er lig med den samlede mængde OH⁻ fra basen.

Antallet af mol af et stof i en opløsning bestemmes ud fra dets koncentration og volumen:

$n = \frac{C \times V}{1000}$

hvor $n$ er stofmængden i mol, $C$ er koncentrationen i mol/L, og $V$ er volumen i mL (division med 1000 omregner mL til L).

Mange syrer og baser afgiver mere end én H⁺- eller OH⁻-ion pr. molekyle. Svovlsyre (H₂SO₄) afgiver to H⁺-ioner, mens fosforsyre (H₃PO₄) afgiver tre. Dette antal kaldes ækvivalensfaktoren, $e$. Ved fuldstændig neutralisation gælder:

$n_a \times e_a = n_b \times e_b$

Når de to ligninger kombineres, og det nødvendige volumen af det neutraliserende stof beregnes, fås:

$V_{\text{nødvendig}} = \frac{n_{\text{kilde}} \times e_{\text{kilde}} \times 1000}{C_{\text{mål}} \times e_{\text{mål}}}$

Her beskriver $n_{\text{source}}$ og $e_{\text{source}}$ den syre eller base, der allerede er i opløsningen, mens $C_{\text{target}}$ og $e_{\text{target}}$ beskriver den syre eller base, der tilsættes for at neutralisere den.

Beregneren sætter $C_{\text{mål}}$ lig med startkoncentrationen. Ved lige store koncentrationer reduceres formlen til:

$V_{\text{nødvendig}} = V_{\text{kilde}} \times \frac{e_{\text{kilde}}}{e_{\text{mål}}}$

Ækvivalensfaktorer for almindelige syrer og baser

Eksempel: Neutralisation af saltsyre med natriumhydroxid

Et laboratorium har 100 mL 1,0 mol/L saltsyre (HCl) og vil vide, hvor meget 1,0 mol/L natriumhydroxid (NaOH) der neutraliserer den.

1. Stofmængde HCl: $n = (1.0 \times 100) / 1000 = 0.1$ mol
2. HCl har en ækvivalensfaktor på 1, så den leverer 0,1 mol H⁺.
3. NaOH har også en ækvivalensfaktor på 1, så der kræves 0,1 mol NaOH.
4. Nødvendig volumen: $V = (0.1 \times 1000) / 1.0 = 100$ mL

Reaktionen er HCl + NaOH → NaCl + H₂O, så 100 mL 1,0 mol/L NaOH neutraliserer syren fuldstændigt.

Eksempel: Neutralisation af en diprotisk syre

En diprotisk syre afgiver to H⁺-ioner pr. molekyle. Et laboratorium har 50 mL svovlsyre på 0,5 mol/L (H₂SO₄) og neutraliserer den med natriumhydroxid på 0,5 mol/L (NaOH).

1. Mol af H₂SO₄: $n = (0.5 \times 50) / 1000 = 0.025$ mol
2. H₂SO₄ har en ækvivalensfaktor på 2, så den leverer $0.025 \times 2 = 0.05$ mol H⁺.
3. NaOH har en ækvivalensfaktor på 1, så der skal bruges 0,05 mol NaOH.
4. Nødvendigt volumen: $V = (0.05 \times 1000) / 0.5 = 100$ mL

Reaktionen er H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. Der skal bruges det dobbelte af startvolumenet, fordi hvert syremolekyle reagerer med to NaOH-enheder.

Sådan bruges neutralisationsberegneren

1. Vælg, om startopløsningen er en syre eller en base.
2. Vælg det specifikke kemiske stof, f.eks. HCl, H₂SO₄ eller NaOH. Beregneren anvender automatisk den korrekte ækvivalensfaktor.
3. Indtast koncentrationen i mol/L.
4. Indtast volumen i mL.
5. Vælg den syre eller base, der skal bruges til neutralisationen. Beregneren antager, at den har samme koncentration som startopløsningen.
6. Aflæs det nødvendige volumen i mL, den afstemte ligning og et diagram over reaktionen.

Koncentrationen skal angives i mol/L (molaritet), ikke som masse pr. volumen. En opløsning, der er angivet i gram pr. liter, kan omregnes ved at dividere med stoffets molarmasse.

Anvendelser af neutralisationsberegninger

• Titrering: Hvis man på forhånd kender det forventede volumen ved endepunktet, kan en analytiker sænke tempoet nær ækvivalenspunktet og undgå at overskride det.
• Spildevandsbehandling: surt eller basisk spildevand skal bringes inden for et bestemt pH-interval, før det udledes. I USA skal rensningsanlæg i de fleste tilfælde holde deres udløb mellem pH 6,0 og 9,0.
• Fremstilling: Ved produktion af fødevarer, drikkevarer og lægemidler er der ofte behov for præcis pH-justering af hensyn til sikkerhed og ensartethed.
• Metalforarbejdning: Syrebejdsning af metaloverflader danner surt affald, som normalt neutraliseres med calciumhydroxid, fordi det er billigt.
• Undervisning: Beregningen lader kemistuderende forudsige et titreringsresultat, før forsøget udføres.

Resultatet er den mængde, hvor mol H⁺ og OH⁻ er lige store, kaldet ækvivalenspunktet. Det betyder ikke altid pH 7. Afhængigt af syrens og basens styrke kan den resulterende saltopløsning være sur, basisk eller neutral, som den samme side fra University of Wisconsin om salte forklarer. Eddikesyre neutraliseret med NaOH giver for eksempel en let basisk opløsning.

Historien om syre-base-neutralisation

Tidlige kemikere identificerede syrer og baser ved smagen; det engelske ord "acid" kommer fra latin acidus, der betyder sur. I 1884 definerede Svante Arrhenius syrer som stoffer, der danner H⁺ i vand, og baser som stoffer, der danner OH⁻, og forklarede neutralisation som disse ioner, der forenes og danner vand. I 1923 omdefinerede Johannes Brønsted og Thomas Lowry uafhængigt af hinanden syrer og baser som protondonorer og protonacceptorer og udvidede dermed ideen ud over reaktioner i vand. Gilbert Lewis foreslog senere en bredere definition baseret på elektronpar, som dækker reaktioner, der slet ikke involverer overførsel af protoner.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er en neutralisationsreaktion? Det er en reaktion mellem en syre og en base, der danner et salt og vand, efter mønstret syre + base → salt + vand. For eksempel HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

Hvor nøjagtig er en neutralisationsberegner? Beregningen er eksakt støkiometri for de angivne værdier. De reelle resultater afhænger af, hvor nøjagtigt koncentrationerne og volumenerne er kendt. Beregneren antager også, at begge opløsninger har samme koncentration, så en anden koncentration kræver formlen ovenfor.

Hvilke enheder bruger beregneren? Koncentration i mol/L (molaritet) og volumen i mL. En koncentration angivet i g/L kan omregnes til mol/L ved at dividere med stoffets molarmasse.

Hvordan behandles polyprotiske syrer som H₂SO₄ eller H₃PO₄? Ved hjælp af ækvivalensfaktoren, som tæller, hvor mange H⁺- eller OH⁻-ioner ét molekyle kan afgive. H₂SO₄ har faktoren 2, og H₃PO₄ har faktoren 3, så beregneren multiplicerer stofmængden med denne faktor, før syre og base sammenlignes.

Kan denne beregner hjælpe med titrering eller fremstilling af buffere? Den kan estimere volumenet ved endepunktet for en titrering. For buffere, som kræver ufuldstændig neutralisation for at opretholde en stabil pH, er volumenet ved fuldstændig neutralisation kun et udgangspunkt; Henderson-Hasselbalch-ligningen er nødvendig for at fastsætte det endelige forhold mellem syre og base.

Hvorfor kan det faktisk anvendte volumen afvige fra det beregnede? Almindelige årsager er urenheder i kemikalier af reagenskvalitet, ufuldstændig blanding, optagelse af kuldioxid i baser som NaOH og fordampning, der over tid ændrer en opløsnings koncentration. En stor forskel peger som regel på en fejl i de indtastede værdier.

Referencer

1. University of Wisconsin–Madison, Department of Chemistry. Acids and Bases: An Introduction. Syre-base-teorier — Arrhenius' teori (1884); Brønsted og Lowry (1923): en syre afgiver H⁺, og en base optager H⁺; Lewis' elektronparteori.
2. University of Wisconsin–Madison, Department of Chemistry. Acids and Bases: Salts. Salte — enhver syre og base danner sammen et salt og vand; den resulterende opløsning kan være sur, basisk eller neutral afhængigt af syrens og basens styrke.
3. U.S. Electronic Code of Federal Regulations. 40 CFR 133.102, Secondary treatment. 40 CFR 133.102 — pH i udløb fra offentligt ejede renseanlæg holdes mellem 6,0 og 9,0, med anførte undtagelser.