3.5. Значение буферных растворов в анализе

Буферные растворы широко применяют в качественном и количественном анализе для создания и поддержания определенного значения рН среды. Рассмотрим несколько примеров. Ионы бария открывают и осаждают в вида осадка ВaCrО₄ в присутствия ионов стронция и кальция, используя ацетатный буферный раствор (рН 5), при этом ионы стронция и кальция остаются в растворе. При осаждении карбонатов бария, стронция, кальция и отделении их от ионов магния применяют аммиачно-аммонийный буферный раствор (NH₄ОН и NH₄Cl; рН  9). В ацетатной буферной среде (рН  5) ведут разделение гидроксидов железа (III), хрома (III), алюминия от ионов, не осаждаемых в виде гидроксидов. Амфотерный характер гидроксидов алюминия, хрома не позволяет вести их осаждение щелочью.

Фракционное выделение сульфидов различных катионов осуществляется путем регулирования рН растворов. Осаждение сероводородом ионов цинка ведут при рН  3,8 (формиатный буферный раствор НСООН и HCOONa). Катион магния обнаруживают в исследуемом растворе действием гидрофосфата натрия Na₂HPO₄ в слабощелочной среде (рН  8,5; аммонийный буферный раствор NH₄OH и NH₄Cl); при этом не происходит осаждения Mg(OH)₂ и ион магния выделяется в виде соли МgNH₄PO₄. Фосфатный буферный раствор (Na₂НPO₄ и NаН₂РО₄; рН  8) используют при проведении многих реакций окисления-восстановления.

Цветные качественные реакции с органическими реагентами выполняют при строго определенных значениях рН, создаваемых с помощью буферных растворов. Открытие ионов никеля (II) диметилглиоксимом в присутствии ионов кобальта (II), цинка, хрома (III), алюминия, железа (III) ведут в среде аммиачно-тартратного буферного раствора (К₂С₄H₄О₆ и NH₄ОH, рH  8). При этом одновременно тартрат-ионы маскируют ионы хрома (III) и железа (III).

Титриметрическое определение многих металлов с помощью комплексона III проводят при определенном рН, создаваемом аммонийной буферной смесью рН = 8 - 10 .

В фотометрическом анализе при комплексонометрическом открытии ионов цинка взаимодействием с дитизоном в присутствии ионов ртути (II) используют ацетатный буферный раствор (рН  5) (дитизонат цинка - красного цвета - разрушается в присутствии комплексона III, окраска переходит в зеленую вследствие выделения свободного дитизона, а дитизонат ртути оранжевого цвета остается).

В химическом анализе широко применяются и другие буферные системы.

3.6. Решение типовых задач

Задача 1. Вычислить рН буферной смеси, в 1 л которой содержится 0,01 моль муравьиной кислоты и 0,02 моль формиата натрия.

Решение. Расчет ведем по формуле III.2:

рН_HCOOH = 3,75 (табл. 1)

рН = 3,75 - = 3,75 - lg 0,5 = 3,75 + 0,3 = 4,05.

Задача 2. Вычислить рН буферного раствора, полученного при сливании 50 мл 2 М раствора NН₄ОH и 150 мл 1 М раствора NH₄Cl (температура раствора 25 °C).

Решение. Находим концентрацию NН₄ОH и NH₄Cl после сливания растворов:

Дня вычисления рН раствора воспользуемся формулой (III.5)

при 25 °С pK_W = 14; рК (NН₄ОH) = 4,76;

рН = 14 - 4,76 + = 9,24 + lg 0,667 = 9,24 - 0,176 = 9,064  9,06.

Задача 3. Какую массу безводного ацетата натрия следует растворить в 250 мл 0,2 М раствора уксусной кислоты, чтобы рН раствора стал 4,76?

Решение. Буферная смесь состоит из слабой кислоты и ее соли и для вычислений воспользуемся формулой (III.2):

т.к. рК(СН₃СООН) = 4,76, то , а ,

т.е. С (СН₃СООNa) = 2 моль/л; в 250 мл раствора следует растворить:

n (СН₃СООNa) = 0,2  0,25 = 0,05 (моль),

m (СН₃СООNa) = M(СН₃СООNa)  n (СН₃СООNa) = 82  0,05 = 4,1 (г).

Задача 4. Вычислить концентрацию ионов водорода буферной смеси, в 1 л которой растворено 7,1 г гидрофосфата натрия и 3 г дигидрофосфата натрия.

Решение. Находим концентрации солей:

M (Na₂HPO₄) = 142 г/моль;

M (NaH₂PO₄) = 120 г/моль;

Используем для вычисления [H⁺] формулу (III.1)

(табл. 1)

(моль/л)

Задача 5. Вычислить, как изменится рН буферной смеси, к 1 литру которой, содержащему 0,1 моль СН₃СООН и 0,1 моль CH₃COONа, добавлена 0,01 моль соляной кислоты. Какова буферная емкость исходной смеси?

Решение. 1. Вычислим рН исходной буферной смеси:

т.к. С (СН₃СООН) = С (СН₃СООNa), то рН = рK(СН₃СООН);

рК (СН₃СООН) = 4,76 (табл. 1), рН = 4,76.

2. Изменение рК оценивается величиной:

т.е. рН исходного раствора при добавлении 0,01 моль/л НСl уменьшится на 0,087 единиц рН.

3. Буферная емкость () оценивается количеством вещества эквивалентов НСl, при добавлении которого к 1 л исходного буферного раствора рН его изменится на 1:

HCl

Задача 6. Вычислить буферную емкость ацетатного буферного раствора, содержащего равные количества 0,2 моль/л уксусной кислоты и ацетата натрия.

Решение. 1. Для исходного буферного раствора

т.к. С(СН₃СООН) = С(СН₃СООNa), то рН = рK(СН₃СООН); рК(СН₃СООН) = 4,76 (табл. 1), рН = 4,76.

2. Пусть рН уменьшится на 1, т.е.

;

3. Находим конечные концентрации кислоты и соли.

Т.к. С_к-ты + С_соли = 10 + 1 = 11 частей, а исходные концентрация были равны 0,2 + 0,2 = 0,4, находим

С_соли = 0,4/11 = 0,0364; С_к-ты = 0,036410 = 0,364

и отношение С_к-ты : С_соли = 0,364 : 0,0364 = 10.

Буферная емкость определяется как количество вещества эквивалентов кислоты, вызывающей изменение рН на 1. Концентрация кислоты с 0,2 увеличилась до 0,364, т.е. 0,364 - 0,2 = 0,164( моль/л). Следовательно, буферная емкость раствора равна 0,164 моль/л.