Tampon çözelti nasıl hazırlanır (Zayıf asit ve konjuge bazı) Test 2

Laboratuvarda pH'ı 9.25 olan bir amonyak/amonyum klorür tampon çözeltisi hazırlanacaktır. Amonyak için pKₐ = 9.25 olduğuna göre, 0.2 M NH₃ ve 0.2 M NH₄Cl çözeltilerinden 500 mL tampon çözelti hazırlamak için kaçar mL kullanılmalıdır?

A) 250 mL NH₃ + 250 mL NH₄Cl
B) 300 mL NH₃ + 200 mL NH₄Cl
C) 200 mL NH₃ + 300 mL NH₄Cl
D) 350 mL NH₃ + 150 mL NH₄Cl

Merhaba sevgili öğrenciler!

Bugün, laboratuvarda bir tampon çözelti hazırlama sorusunu adım adım çözeceğiz. Tampon çözeltiler, pH değişimlerine karşı direnç gösteren ve biyolojik sistemler ile kimyasal süreçler için hayati öneme sahip çözeltilerdir. Bu soruda, amonyak/amonyum klorür tampon çözeltisi hazırlayacağız.

• Adım 1: Tampon Çözelti ve Henderson-Hasselbalch Denklemini Anlamak

Amonyak ($NH_3$) zayıf bir bazdır ve amonyum klorür ($NH_4Cl$) ise bu zayıf bazın eşlenik asidi olan amonyum iyonunu ($NH_4^+$) sağlar. Bu ikili, bir bazik tampon çözeltisi oluşturur. Bir tampon çözeltinin pH'ını hesaplamak veya istenen pH'a ulaşmak için gerekli bileşen oranlarını bulmak için Henderson-Hasselbalch denklemini kullanırız. Bu denklem, bir zayıf asit ve onun eşlenik bazını içeren tamponlar için genellikle şu şekilde yazılır:

$pH = pK_a + \log \frac{[Eşlenik \ Baz]}{[Zayıf \ Asit]}$

Bizim durumumuzda, amonyak ($NH_3$) zayıf baz, amonyum iyonu ($NH_4^+$) ise onun eşlenik asididir. Soruda bize amonyak için $pK_a = 9.25$ verilmiş. Bu aslında $NH_4^+$ iyonunun $pK_a$ değeridir. Dolayısıyla, denklemi doğrudan kullanabiliriz:

$pH = pK_a + \log \frac{[NH_3]}{[NH_4^+]}$

• Adım 2: İstenen pH ve Verilen $pK_a$ Değerlerini Denkleme Yerleştirmek

Soruda istenen pH değeri $9.25$ ve amonyak için verilen $pK_a$ değeri de $9.25$'tir. Bu değerleri Henderson-Hasselbalch denklemine yerleştirelim:

$9.25 = 9.25 + \log \frac{[NH_3]}{[NH_4^+]}$

• Adım 3: Konsantrasyon Oranını Hesaplamak

Denklemdeki $9.25$ değerini her iki taraftan çıkarırsak:

$0 = \log \frac{[NH_3]}{[NH_4^+]}$

Logaritmanın tanımına göre, bir sayının logaritması $0$ ise, o sayı $1$'e eşittir. Yani:

$\frac{[NH_3]}{[NH_4^+]} = 10^0$

$\frac{[NH_3]}{[NH_4^+]} = 1$

Bu sonuç bize, tampon çözeltideki amonyak ($NH_3$) konsantrasyonunun, amonyum iyonu ($NH_4^+$) konsantrasyonuna eşit olması gerektiğini gösterir. Yani, $[NH_3] = [NH_4^+]$.

• Adım 4: Gerekli Hacimleri Belirlemek

Elimizde $0.2 \ M \ NH_3$ ve $0.2 \ M \ NH_4Cl$ çözeltileri var. Toplamda $500 \ mL$ tampon çözelti hazırlamamız gerekiyor. Konsantrasyonlar eşit olduğuna göre ($[NH_3] = [NH_4^+]$) ve başlangıç çözeltilerinin molariteleri de eşit olduğuna göre ($0.2 \ M$), bu iki çözeltiden eşit hacimlerde almamız gerekir.

Bunu matematiksel olarak da gösterebiliriz:

$[NH_3] = \frac{M_{NH_3} \times V_{NH_3}}{V_{toplam}}$

$[NH_4^+] = \frac{M_{NH_4Cl} \times V_{NH_4Cl}}{V_{toplam}}$

Madem ki $[NH_3] = [NH_4^+]$:

$\frac{M_{NH_3} \times V_{NH_3}}{V_{toplam}} = \frac{M_{NH_4Cl} \times V_{NH_4Cl}}{V_{toplam}}$

$V_{toplam}$ her iki tarafta da olduğu için sadeleşir:

$M_{NH_3} \times V_{NH_3} = M_{NH_4Cl} \times V_{NH_4Cl}$

Verilen molariteler $M_{NH_3} = 0.2 \ M$ ve $M_{NH_4Cl} = 0.2 \ M$ olduğundan:

$0.2 \ M \times V_{NH_3} = 0.2 \ M \times V_{NH_4Cl}$

Bu da bize $V_{NH_3} = V_{NH_4Cl}$ eşitliğini verir.

Toplam hacim $500 \ mL$ olacağına göre:

$V_{NH_3} + V_{NH_4Cl} = 500 \ mL$

$V_{NH_3} + V_{NH_3} = 500 \ mL$

$2 \times V_{NH_3} = 500 \ mL$

$V_{NH_3} = 250 \ mL$

Dolayısıyla, $V_{NH_4Cl} = 250 \ mL$ olur.

Yani, 250 mL 0.2 M $NH_3$ çözeltisi ile 250 mL 0.2 M $NH_4Cl$ çözeltisi karıştırılarak istenen tampon çözelti hazırlanmalıdır.

Cevap A seçeneğidir.