Eräässä tehtävässä piti laskea, mikä on muodostuvan liuoksen pH, kun sekoitetaan yhtä suuret tilavuudet natriumhydroksidiliuoksia, joiden pH:t ovat 11,00 ja 12,00. Kun tehtävän teki laskemalla [H3O+]:ksi uudessa liuoksessa (10−11 + 10−12)/2 mol/dm3, tuli pH:ksi 11,26. Osa opiskelijoista laski tehtävän hydroksidi-ionien avulla. Uudessa liuoksessa [OH−] = (0,001 + 0,01)/2 mol/dm3, joten pOH on 2,26 ja pH on 11,74. Miksi tulokset eroavat toisistaan?
Sekoituslaskuissa tulee aina tarkastella, miten kemiallinen tasapaino asettuu uudessa liuoksessa. Laskujen yksinkertaistamiseksi taas on hyvä miettiä, onko jotakin tasapainoreaktioihin osallistuvaa ainetta selvästi muita enemmän. Tässä tehtävässä oksoniumionien määrä on sen verran pieni, että [H3O+]:n laskeminen tasapainossa ei ole niin suoraviivaista kuin voisi helposti ajatella.
Tehtävän seoksessa ainoa happo-emästasapainoreaktio on 2 H2O ⇌ H3O+ + OH−. Tätä tasapainoa kuvaava veden ionitulo Kw = [H3O+][OH−] on 1 · 10−14 mol2/dm6 lämpötilassa 25 °C. Sekoitushetkellä [H3O+][OH−] ≈ 3 · 10−14 mol2/dm6, eli liuos ei ole tasapainossa. Liuos saavuttaa ionitulon 1 · 10−14 mol2/dm6, kun osa ioneista neutraloi toisensa.
Koska liuoksessa on hydroksidi-ioneja valtavan paljon enemmän kuin oksoniumioneja, neutraloituminen ei muuta merkittävästi [OH−]:ta. Lopullinen [OH−] on siis suunnilleen yhtä suuri kuin sekoittamishetken [OH−], joten pH:ksi saadaan [OH−]:sta helposti 11,74.
Oletetaan nyt tilanteen havainnollistamiseksi, että kumpaakin liuosta on aluksi yksi litra. Tällöin sekoitushetkellä n(H3O+) = 1,1 · 10−11 mol ja n(OH−) = 0,011 mol. Reaktioyhtälön mukaan kumpaakin ionia neutraloituu yhtä paljon, ja veden ionitulon avulla voidaan laskea, että tämä ainemäärä on noin 7,4 · 10−12 mol.
Tasapainon asetuttua n(H3O+) = 1,1 · 10−11 mol − 7,4 · 10−12 mol = 3,6 · 10−12 mol ja n(OH−) = 0,011 mol − 7,4 · 10−12 mol ≈ 0,011 mol. Tällöin lopullisessa kahden litran liuoksessa pH = −lg(3,6 · 10−12 / 2) = 11,74 tai toisaalta pH = 14 − pOH = 14 + lg(0,011/2) = 11,74. Liuoksen pH on siis sama niin oksoniumioneilla kuin hydroksidi-ioneillakin laskettuna, mutta tässä tehtävässä [OH−] on paljon helpompi selvittää kuin [H3O+].
Teemu Arppe
Kemian laitos, Helsingin yliopisto
