Jak przewidzieć pH roztworu w reakcji kwas + zasada?

Wydawałoby się, że odczyn będzie obojętny, bo przecież mieszam coś kwasowego z czymś zasadowym, ale gdyby to było tak proste, to czy powstałby na ten temat osobny artykuł? Zaczniemy jednak od czegoś innego, a mianowicie nauczymy się jak ocenić odczyn (pH) roztworu soli.

1. Jakie jest pH roztworu soli, czyli szukamy kwasu i zasady

Ocena pH soli jest bardzo łatwa, bo wystarczy powiedzieć z jakiego kwasu i jakiego wodorotlenku powstała dana sól. Oczywiście najlepiej na przykładach, więc zaczynamy :

NaCl ⇒ pochodzi od NaOH oraz HCl

Wodorotlenek sodu jest mocną zasadą, a kwas solny jest mocnym kwasem. Można zatem powiedzieć, że ich efekty się zerują, a sama sól będzie w takim razie obojętna.

NaF ⇒ pochodzi od NaOH oraz HF

Wodorotlenek sodu jest mocną zasadą, a kwas fluorowodorowy jest słabym kwasem. W takim razie przeważa moc zasady, a sam związek jest zasadowy. Uwaga − to niestety nie jest wystarczające.

Odczyn (pH roztworu) musimy potrafić uzasadnić to odpowiednim równaniem reakcji.

Typowe maturalne polecenie, więc skup się na tym!

NaF ⟶ Na+ + F (ten etap zachodzi całkowicie, bo sole są mocnymi elektrolitami[1])

F + H2O HF + OH (powstające jony OH świadczą o zasadowym charakterze)

NH4Cl ⇒ pochodzi od NH4OH[2] oraz HCl

Wodorotlenek amonu jest słaba zasadą, a kwas solny jest mocnym kwasem. W takim razie przeważa moc kwasu, a sam związek jest kwasowy. Wiemy jednak, że to nie wystarczy. Musimy potrafić uzasadnić to odpowiednim równaniem reakcji.

NH4Cl ⟶ NH4+ + Cl (ten etap zachodzi całkowicie, bo sole są mocnymi elektrolitami)

NH4+ NH3 + H+ (powstające jony H+ świadczą o kwasowym charakterze)

Co tutaj się w ogóle stało? Zaczniemy od soli NaF.

Jak ocenić pH soli?

A teraz czas na tzw. salmiak, czyli NH4Cl :

Jak ocenić pH soli?

Pozostaje jeszcze jedno pytanie − dlaczego nie piszemy reakcji z wodą dla jonów, które pochodzą od mocnych kwasów czy zasada, a więc np. dla Na+ czy Cl? Odpowiedź jest bardzo prosta – ponieważ wtedy powstałyby odpowiednio NaOH oraz HCl, które są przecież mocnymi elektrolitami i dysocjują w stu procentach. Nie możemy zatem napisać reakcji odwrotnej, bo byśmy sami sobie zaprzeczali!

Skoro są zarówno mocne i słabe kwasy jak i zasady to szybko można ustalić, że są generalnie cztery różne możliwości, z jakimi możemy się spotkać. Przeanalizujmy każdy po kolei w formie tabeli :

Przykład soliPochodzi odpH (odczyn)Reakcja potwierdzająca
odczyn (w formie jonowej)
NaClmocnej zasady (NaOH)
i mocnego kwasu (HCl)
pH  = 7
obojętny
brak
NH4Fsłabej zasady (NH4OH)
i słabego kwasu (HF)
pH  ≅ 7
obojętny [3]
patrz dodatkowy
komentarz[3]
NH4Clsłabej zasady (NH4OH)
i mocnego kwasu (HCl)
pH < 7
kwasowy
NH4Cl ⟶ NH4+ + Cl
NH4+ NH3 + H+
NaFmocnej zasady (NaOH)
i słabego kwasu (HF)
pH > 7
zasadowy
NaF ⟶ Na+ + F
F + H2O HF + OH
Cztery rodzaje soli, z którymi możemy się spotkać celem oceny ich pH

Zaczęliśmy właśnie od soli, bo przecież to one będą powstawać podczas reakcji kwasów z zasadami. Dlatego jest to kluczowe, aby przewidzieć jaki będzie odczyn soli.

2. Ważna jest ilość i jakość

To chyba nie wymaga tłumaczenia − jeśli do basenu z bardzo słabym kwasem wrzucimy kropelkę wodorotlenku (mocnej zasady), to chyba niespecjalnie będzie miało to znaczenie. Dlatego też zadania, w których trzeba ocenić pH danej mieszaniny często wiąże się z obliczaniem liczby moli kwasu i zasady, które zostały użyte w reakcji. Jeśli już to ustalimy, to musimy ocenić czy użyte ilości reagentów są stechiometryczne czy też nie.

3. pH roztworu mocny kwas + mocna zasada

Zaczniemy od klasyka :

HCl + NaOH ⟶ NaCl + H2O

StechiometriaOdczyn (pH)Wyjaśnienie
nHCl = nNaOHobojętny (pH = 7)Powstała obojętna sól NaCl.
Nie ma już ani kwasu, ani zasady.
nHCl > nNaOHkwasowy (pH < 7)Po reakcji pozostał kwas
(użyty w nadmiarze).
nHCl < nNaOHzasadowy (pH > 7)Po reakcji pozostał wodorotlenek
(użyty w nadmiarze).
Jakie będzie pH jeśli zmieszamy ze sobą mocny kwas i mocną zasadę?

Oczywiście musisz uważać na stechiometrię reakcji. Tutaj typowo, aby utrudnić Wam zadanie, to dostaniecie reakcję np. kwasu azotowego z wodorotlenkiem baru, aby stechiometria reakcji wynosiła 2 : 1. Tutaj zamiast robić to ogólnie, to przyjmiemy przykładowe liczby moli[4] . Spójrzmy :

2HNO3 + Ba(OH)2 ⟶ Ba(NO3)2 + 2H2O

Stechiometria Obliczenia
(liczby moli
po reakcji)*
Odczyn
(pH)
Wyjaśnienie
➤ nHNO3 = 2
➤ nBa(OH)2 = 1
➤ nHNO3 = 0
➤nBa(OH)2 = 0
obojętny
(pH = 7)
Reakcja przebiega
stechiometrycznie.
Powstała obojętna sól Ba(NO3)2
➤ nHNO3 = 2,5
➤ nBa(OH)2 = 1
➤ nHNO3 = 0,5
➤nBa(OH)2 = 0
kwasowy
(pH < 7)
Po reakcji pozostał kwas
(użyty w nadmiarze).
➤ nHNO3 = 1,5
➤ nBa(OH)2 = 1
➤ nHNO3 = 0
➤nBa(OH)2 = 0,25
zasadowy
(pH > 7)
Po reakcji pozostał wodorotlenek
(użyty w nadmiarze).
Jakie będzie pH jeśli zmieszamy ze sobą mocny kwas i mocną zasadę?

*Komentarz : są to zwykłe obliczenia stechiometryczne. Dlaczego w tabeli natomiast nie są uwzględnione azotan baru oraz woda? Ponieważ oba związki są obojętne (pH = 7), zatem ,,nie wpływają na odczyn roztworu” i wystarczy tylko ustalić czy po reakcji zostało trochę kwasu lub zasady.

W ostatnim przykładzie mogłoby się wydawać, że kwas jest w nadmiarze (bo jest go 1,5 mola, a wodorotlenku tylko 1 mol), ale w jeśli spojrzymy na równanie reakcji, to widać, że na 1 mol wodorotlenku potrzeba aż dwóch moli kwasu, więc okazuje się, że wodorotlenku jest za dużo i dlatego odczyn jest zasadowy.

4. pH roztworu mocny kwas + słaba zasada

Zmieszajmy ze sobą mocny kwas solny i słabą zasadę, czyli klasyczny amoniak :

HCl + NH3 ⟶ NH4Cl

StechiometriaOdczyn (pH)Wyjaśnienie
nHCl = nNH3kwasowy (pH < 7)Powstała kwaśna sól NH4Cl.
NH4+ NH3 + H+
nHCl > nNH3kwasowy (pH < 7)Po reakcji pozostał kwas
(użyty w nadmiarze) i
powstała kwaśna sól.
nHCl < nNH3?Odczyn może być kwasowy, obojętny
czy zasadowy, a wszystko zależy od
użytych ilości reagentów.
Powstanie roztwór buforowy[5].
Jakie będzie pH jeśli zmieszamy ze sobą mocny kwas i slabą zasadę?

5. pH roztworu słaby kwas + mocna zasada

Zareagujmy ze sobą słaby kwas fluorowodorowy z wodorotlenkiem sodu, który jest oczywiście mocną zasadą :

HF + NaOH ⟶ NaF + H2O

StechiometriaOdczyn (pH)Wyjaśnienie
nHF = nNaOHzasadowy (pH > 7)Powstała zasadowa sól NaF.
F + H2O HF + OH
nHF < nNaOHzasadowy (pH > 7)Po reakcji pozostała zasada
(użyta w nadmiarze)i
powstała zasadowa sól.
nHF > nNaOH?Odczyn może być kwasowy, obojętny
czy zasadowy, a wszystko zależy od
użytych ilości reagentów.
Powstanie roztwór buforowy[5].
Jakie będzie pH jeśli zmieszamy ze sobą slabyy kwas i mocną zasadę?

6. pH roztworu słaby kwas + słaba zasada

Zmieszajmy ze sobą słaby kwas fluorowodorowy ze słabą zasadą, czyli amoniakiem.

HF + NH3 ⟶ NH4Cl

Sytuacja jest generalnie dość skomplikowana i stanowi raczej przedmiot zainteresowania Olimpiady Chemicznej. Tutaj nawet jeśli zmieszalibyśmy 1 mol kwasu z 1 molem zasady to odczyn wcale nie byłby obojętny, ponieważ wszystko zależy od stałych kwasowych i zasadowych.


[1] Chyba, że oczywiście są słabo/trudnorozpuszczalne. Wtedy nie dysocjują.

[2] My oczywiście wiemy już z poprzedniego artykułu, że NH4OH jest nietrwały, analogicznie jak kwas węglowy H2CO3 i trzeba by to rozpisać na NH3 + H2O, ale amoniak to oczywiście słaba zasada.

[3] Jeśli chodzi o mieszaninę słabego kwasu ze słabą zasadą to akurat sprawa jest dosyć skomplikowana – to akurat jest zagadnienie z zakresu II/III etapu Olimpiady Chemicznej, przy czym mówimy już o konkretnym obliczaniu pH takiej soli w zależności od jej stężenia oraz stałych dysocjacji Ka oraz Kb . Tego typu zadania można dla ciekawości podpatrzeć tutaj (kliknij).

[4] W zadaniu pewnie będzie to nieco ,,utrudnione”, czyli zamiast wprost podawać liczby moli to będą podane masy (gramy) lub kombinacja stężenia i objętości. W obu przypadkach najlepiej zacząć od obliczenia liczby moli.

[5] Ustalanie pH buforów wykracza poza program matury rozszerzonej.

Leave a Reply

%d bloggers like this: