16.6
적정 용액의 pH 계산: 강산/강염기
0.100M HCl(강산) 25.00mL에 대해 0.100M 강염기 NaOH를 사용하여 적정을 수행합니다. 첨가된 염기 용액의 다양한 부피에서의 pH는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
(a) 적정제 부피 = 0mL. 용액 pH는…
강산을 강염기로 적정화하거나 그 반대인 경우 적정화 전체의 pH는 남은 하이드로늄 또는 수산화 이온의 농도를 측정하여 계산할 수 있습니다. 예를 들어 0.10 몰의 염산 50밀리리터는 0.10 몰 하이드로늄과 염화물 이온으로 해리되며 이 때 초기 pH는 1입니다. 0.10 몰의 수산화나트륨 25 밀리리터를 첨가하면 새로운 수소 이온 농도는 총 몰의 히드로늄이온 이온에서 총 몰의 수산화물을 빼고 75 밀리리터 또는 0.075리터의 총 부피로 나누어 계산할 수 있습니다.
0.10 몰의 염산 50밀리리터에는 0.0050 몰의 하이드로늄이 들어 있고 0.10몰의 수산화나트륨 25밀리리터에는 0.0025 몰의 수산화물 이온이 들어 있습니다. 이 값들을 방정식에 대입하면 하이드로늄 이온 농도는 0.033 몰과 같습니다. 따라서 솔루션의 pH는 1.48로 상승했습니다.
수산화나트륨을 50밀리리터까지 첨가하면 염산의 모든 하이드로늄 이온은 중화되며 pH가 7로 상승할 때 당량점에 도달합니다. 당량점 이상에서 용액의 pH는 염산이 완전히 중화되었기 때문에 수산화 이온에 의해 결정됩니다. 0.0070몰의 수산화물 이온을 포함하는 수산화나트륨 용액 70밀리리터를 용액에 첨가하면 수산화물 이온의 최종 농도는 수산화물 이온의 총 몰에서 히드로늄이온의 초기 몰 수를 빼고 용액의 총 부피로 나누어 계산할 수 있습니다.
최종 수산화물 이온 농도는 0.017 몰이므로 용액의 pOH와 pH는 각각 1.78과 12.22입니다.
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Q1: How do you calculate pH before any base is added to a strong acid?
For a strong acid like hydrochloric acid, complete ionization occurs, so the hydronium ion concentration equals the acid's molarity. For example, 0.10 M HCl produces 0.10 M hydronium ions, giving a pH of 1.0. Simply use pH = -log[H+] to find the initial pH of the solution.
Q2: What happens to pH when you add base before reaching the equivalence point?
Before the equivalence point, excess acid remains in solution. Calculate the moles of hydronium ions remaining by subtracting moles of added hydroxide from initial moles of hydronium, then divide by total volume. For instance, adding 25 mL of 0.10 M NaOH to 50 mL of 0.10 M HCl leaves 0.0025 moles of hydronium in 75 mL, yielding pH 1.48.
Q3: What is the pH at the equivalence point for a strong acid-strong base titration?
At the equivalence point, all hydronium ions from the acid are neutralized by hydroxide ions from the base, producing only water and salt. Neither the cation nor anion undergoes acid-base ionization, so only water autoprotolysis generates hydronium ions. The pH equals 7.0, making the solution neutral.
Q4: How do you determine pH after adding excess base past the equivalence point?
Beyond the equivalence point, all acid is consumed and pH is determined by excess hydroxide ions. Calculate the moles of hydroxide remaining by subtracting initial moles of hydronium from total moles of hydroxide, then divide by total volume. Use pOH = -log[OH-] and pH = 14 - pOH to find the final pH.
Q5: Why does pH change more dramatically near the equivalence point in strong acid-strong base titrations?
Near the equivalence point, small additions of base cause large changes in hydronium ion concentration because the buffer capacity is minimal. Before the equivalence point, excess acid resists pH change, but as the equivalence point approaches, nearly all acid is consumed, making the solution sensitive to small base additions.
Q6: What is the relationship between moles of acid and moles of base at the equivalence point?
At the equivalence point, the moles of hydronium ions from the acid equal the moles of hydroxide ions from the base. For monoprotic strong acid and strong base, this means the moles of acid and base are equal. Using the equation moles = molarity × volume, you can determine the volume of titrant needed to reach equivalence.
Q7: How does the volume of titrant added affect the total volume used in pH calculations?
The total volume in pH calculations includes both the initial acid solution and all added base titrant. For example, adding 25 mL of base to 50 mL of acid gives a total volume of 75 mL. This dilution effect is critical because it reduces the concentration of remaining hydronium or excess hydroxide ions, directly affecting the calculated pH.