Neutraliseerimise kalkulaator - Happe-aluse reaktsiooni stöhhiomeetria

Neutralisatsioonikalkulaator

Neutralisatsioonikalkulaator arvutab, kui palju hapet või alust on vaja vastava aine kindla koguse neutraliseerimiseks. See arvutab valitud happe või aluse ruumala, mis reageerib lähtelahusega täielikult, ning näitab reaktsiooni tasakaalustatud võrrandit.

Mis on happe ja aluse neutralisatsioon?

Neutralisatsioon on happe ja aluse vaheline keemiline reaktsioon. Tavaliselt tekivad selle tulemusena sool ja vesi. Brønsted–Lowry teooria, tänapäeva keemias kasutatav standardmääratlus, kirjeldab hapet ainena, mis loovutab vesinikiooni (H⁺), ja alust ainena, mis selle vastu võtab. Üldine reaktsioon on:

$\text{Hape} + \text{Alus} \rightarrow \text{Sool} + \text{Vesi}$

Molekulaarsel tasandil ühinevad happest pärinevad vesinikioonid alusest pärinevate hüdroksiidioonidega (OH⁻), moodustades vee:

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

Ammoniaak (NH₃) on erand kalkulaatori pakutavate aluste hulgas. Sellel ei ole loovutatavat hüdroksiidiooni, seega seob ta vesinikiooni endaga. Hape ja ammoniaak moodustavad ammooniumsoola, kuid üldse mitte vett: HCl + NH₃ → NH₄Cl. Kalkulaator näitab iga ainepaari tegelikke saadusi, mistõttu ammoniaagireaktsioone ei märgistata vett moodustavatena.

Neutralisatsioonil eraldub soojust. Kontsentreeritud happed ja alused võivad vastastikku neutraliseerudes märgatavalt kuumeneda, mistõttu ohutusjuhistes soovitatakse lisada hapet vette, mitte vett happesse.

Kuidas arvutada happe ja aluse neutralisatsiooni

Neutralisatsiooniarvutused põhinevad stöhhiomeetrial: ained reageerivad nende keemiliste valemitega määratud kindlates vahekordades. Täielik neutralisatsioon toimub siis, kui happest pärinevate H⁺-ioonide koguhulk võrdub alusest pärinevate OH⁻-ioonide koguhulgaga.

Aine moolide arv lahuses sõltub selle kontsentratsioonist ja ruumalast:

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

kus $n$ tähistab moolide arvu, $C$ on kontsentratsioon ühikutes mol/L ja $V$ on ruumala milliliitrites (jagamine arvuga 1000 teisendab milliliitrid liitriteks).

Paljud happed ja alused vabastavad ühe molekuli kohta rohkem kui ühe H⁺- või OH⁻-iooni. Väävelhape (H₂SO₄) vabastab kaks H⁺-iooni, fosforhape (H₃PO₄) kolm. Seda arvu nimetatakse ekvivalentsusteguriks $e$. Täieliku neutralisatsiooni korral:

$n_a \times e_a = n_b \times e_b$

Kahe võrrandi ühendamisel ja neutraliseeriva aine vajaliku ruumala leidmisel saame:

$V_{\text{vajalik}} = \frac{n_{\text{lähteaine}} \times e_{\text{lähteaine}} \times 1000}{C_{\text{sihtaine}} \times e_{\text{sihtaine}}}$

Siin kirjeldavad $n_{\text{source}}$ ja $e_{\text{source}}$ juba lahuses oleva happe või aluse omadusi ning $C_{\text{target}}$ ja $e_{\text{target}}$ kirjeldavad neutraliseerimiseks lisatavat hapet või alust.

Levinud hapete ja aluste ekvivalentsustegurid

Näide: vesinikkloriidhappe neutraliseerimine naatriumhüdroksiidiga

Laboris on 100 mL 1,0 mol/L vesinikkloriidhapet (HCl) ja soovitakse teada, kui palju 1,0 mol/L naatriumhüdroksiidi (NaOH) seda neutraliseerib.

1. HCl-i moolide arv: $n = (1.0 \times 100) / 1000 = 0.1$ mol
2. HCl-i ekvivalentsustegur on 1, seega annab see 0,1 mol H⁺-ioone.
3. Ka NaOH ekvivalentsustegur on 1, seega on vaja 0,1 mol NaOH-d.
4. Vajalik ruumala: $V = (0.1 \times 1000) / 1.0 = 100$ mL

Reaktsioon on HCl + NaOH → NaCl + H₂O, seega neutraliseerib 100 mL ⟟1,0 mol/L NaOH hapet täpselt.

Näide: kaheprootonilise happe neutraliseerimine

Selles näites kasutatakse kahte erinevat kontsentratsiooni, mistõttu lahendatakse see valemi abil, mitte kalkulaatoris. Käitises on 10 000 L reovett, mis sisaldab 0,05 mol/L väävelhapet (H₂SO₄), ning see neutraliseeritakse 2 mol/L kaltsiumhüdroksiidi (Ca(OH)₂) suspensiooniga.

1. H₂SO₄ moolide arv: $0.05 \times 10{,}000 = 500$ mol
2. H₂SO₄ ekvivalentsustegur on 2, seega annab see $500 \times 2 = 1000$ mol H⁺-ioone.
3. Ca(OH)₂ ekvivalentsustegur on 2, seega on vajaliku Ca(OH)₂ kogus $1000 / 2 = 500$ mol.
4. Vajalik ruumala: $500 / 2 = 250$ L 2 mol/L suspensiooni.

Reaktsioon on H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄ + 2H₂O. Tegelikus töös lisavad operaatorid suspensiooni järk-järgult ja kontrollivad pH-d mõõturiga, sest segamine ja lisandid võivad vajalikku täpset ruumala mõne protsendi võrra muuta.

Kuidas kasutada neutralisatsioonikalkulaatorit

1. Valige, kas lähtelahus on hape või alus.
2. Valige konkreetne kemikaal, näiteks HCl, H₂SO₄ või NaOH. Kalkulaator rakendab õige ekvivalentsusteguri automaatselt.
3. Sisestage kontsentratsioon ühikutes mol/L.
4. Sisestage ruumala milliliitrites.
5. Valige hape või alus, millega seda neutraliseerida.
6. Vaadake vajalikku ruumala milliliitrites, tasakaalustatud võrrandit ja saadusi nimetavat diagrammi.

Kalkulaator eeldab, et neutraliseeriva lahuse kontsentratsioon on lähtelahuse omaga sama, ning esitab selle kontsentratsiooni koos ruumalaga. Kahe erineva kontsentratsiooniga töötamiseks kasutage ülaltoodud valemit ja sisestage teine kontsentratsioon väärtusena $C_{\text{target}}$.

Kontsentratsioon peab olema esitatud ühikutes mol/L ehk molaarsusena, mitte massi ja ruumala suhtena. Grammides liitri kohta antud lahuse saab teisendada, jagades selle aine molaarmassiga.

Neutralisatsiooniarvutuste kasutusalad

• Tiitrimine: eeldatava lõpp-punkti ruumala ette teadmine aitab analüütikul ekvivalentsuspunkti lähedal aeglustada ja vältida selle ületamist.
• Reoveepuhastus: tööstuskäitised peavad viima happelise või aluselise reovee enne väljalaskmist õigusaktidega lubatud pH-vahemikku, tavaliselt pH-ni 5,5–9,5.
• Tootmine: toiduainete, jookide ja ravimite tootmisel on ohutuse ja ühtlase kvaliteedi tagamiseks sageli vaja pH-d täpselt reguleerida.
• Metallitöötlemine: metallpindade happega peitsimisel tekib happeline jääk, mida neutraliseeritakse tavaliselt kaltsiumhüdroksiidiga, sest see on odav.
• Haridus: arvutus võimaldab keemiaõpilastel tiitrimise tulemust enne katse tegemist ennustada.

Tulemused eeldavad happe ja aluse täielikku dissotsiatsiooni. See kehtib üsna hästi tugevate hapete ja aluste, näiteks HCl-i, H₂SO₄, NaOH ja KOH korral. Nõrgad happed ja alused, näiteks äädikhape või ammoniaak, ei ioniseeru vees täielikult, mistõttu on arvutatud ruumala laboritulemuse täpse väärtuse asemel lähend.

Happe ja aluse neutralisatsiooni ajalugu

Varased keemikud määrasid happeid ja aluseid maitse järgi; sõna „hape” pärineb ladinakeelsest sõnast acidus, mis tähendab haput. Aastal 1884 määratles Svante Arrhenius happed ainetena, mis tekitavad vees H⁺-ioone, ja alused ainetena, mis tekitavad OH⁻-ioone, selgitades neutralisatsiooni nende ioonide ühinemisena vee moodustamiseks. Aastal 1923 määratlesid Johannes Brønsted ja Thomas Lowry happed ja alused sõltumatult ümber prootonidoonoriteks ja -aktseptoriteks, laiendades mõistet veepõhistest reaktsioonidest kaugemale. Samal aastal esitas Gilbert Lewis laiema, elektronpaaridel põhineva määratluse, mis hõlmab ka reaktsioone, milles prootoneid üldse üle ei kanta.

Korduma kippuvad küsimused

Mis on neutralisatsioonireaktsioon? See on happe ja aluse vaheline reaktsioon, mis järgib mustrit Hape + Alus → Sool + Vesi. Näiteks HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Erandiks on happe reageerimine ammoniaagiga: tekib ammooniumsool, kuid mitte vett, nagu reaktsioonis HCl + NH₃ → NH₄Cl.

Kui täpne on neutralisatsioonikalkulaator? Tugevate hapete ja aluste korral jäävad tulemused tiitrimisel mõõdetud tulemusest tavaliselt 1–2% piiresse. Nõrkade hapete ja aluste korral on arvutatud ruumala ligikaudne, sest nõrgad elektrolüüdid ei dissotsieeru vees täielikult.

Milliseid ühikuid kalkulaator kasutab? Kontsentratsiooni ühik on mol/L ehk molaarsus ja ruumala ühik mL. Ühikutes g/L antud kontsentratsiooni saab teisendada ühikuteks mol/L, jagades selle aine molaarmassiga ühikutes g/mol.

Kuidas käsitletakse polüprootilisi happeid, nagu H₂SO₄ või H₃PO₄? Ekvivalentsusteguri abil, mis näitab, mitu H⁺- või OH⁻-iooni saab üks molekul vabastada. H₂SO₄ tegur on 2 ja H₃PO₄ tegur on 3, seega korrutab kalkulaator moolide arvu selle teguriga, enne kui võrdleb hapet alusega.

Kas see kalkulaator aitab tiitrimisel või puhverlahuse valmistamisel? See võib hinnata tiitrimise lõpp-punkti ruumala. Puhverlahuste korral, mille stabiilse pH säilitamiseks on vaja mittetäielikku neutralisatsiooni, on täieliku neutralisatsiooni arvutatud ruumala vaid lähtekoht; lõpliku happe ja aluse suhte määramiseks on vaja Hendersoni–Hasselbalchi võrrandit.

Miks võib tegelikult kasutatud ruumala arvutatust erineda? Levinud põhjused on reaktiiviklassi kemikaalides leiduvad lisandid, mittetäielik segunemine, alustesse, näiteks NaOH-sse, neelduv süsinikdioksiid ning lahuse kontsentratsiooni muutumine aurustumise tõttu aja jooksul. Mõneprotsendilised erinevused on tavalised; üle 10% suurune erinevus viitab tavaliselt sisendandmete veale.

Viited

1. IUPAC. Keemilise terminoloogia kogumik (Gold Book).
2. IUPAC. Brønstedi–Lowry happe-aluse teooria.
3. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J. ja Woodward, P. M. (2017). Chemistry: The Central Science (14. väljaanne). Pearson.
4. Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9. väljaanne). W. H. Freeman and Company.