Обучающие задачи

Задача 1. Оценить щелочной резерв крови, который определяют гидрокарбонатная и фосфатная буферные системы, если рН_кровь = 7,40 ± 0,04 и Т = 37⁰С = 310 К.

Решение:

а) Гидрокарбонатная буферная система:

рассчитаем отношение [HCO₃^-] / [H₂CO₃] на основе уравнения (3)

pН_кровь = рК₁^*(Н₂СО₃ / человек) + lg ([HCO₃^-] / [H₂CO₃]) или

7,4 = 6,1 + lg ([HCO₃^-] / [H₂CO₃]), откуда

[HCO₃^-] / [H₂CO₃] = 10^7,4-6,1 = 10^1,3 = 19,95 » 20/1.

б) фосфатная буферная система: аналогично получаем

pН_кровь = рК₂^*(Н₃РО₄ / человек) + lg ([HPO₄^2-] / [H₂PO₄^-]) или

7,4 = 6,8 + lg ([HPO₄^2-] / [H₂PO₄^-]), откуда

[HPO₄^2-] / [H₂PO₄^-] = 10^7,4-6,8 = 10^0,6 = 3,98 » 4/1.

В обоих случаях содержание компонента, выполняющего роль основания, значительно превышает содержание сопряжённой кислоты и, следовательно, эти буферные системы имеют буферную ёмкость по кислоте больше, чем по щёлочи. Это отвечает особенностям обмена веществ в организме человека.

Задача 2. Определить рН ацетатного буферного раствора, приготовленного из 100 мл 0,1М раствора НAс и 200 мл 0,2М раствора NaAc. Как изменится рН при добавлении к нему 30 мл 0,2М раствора NaOH ?

Решение:

а) Рассчитаем количество компонентов в буферном растворе:

n_к^(буф.) (НАс) = 0,1 × 0,1 = 0,01 моль

n₀^(буф.) (NaAc) = 0,2 × 0,2 = 0,04 моль , подставляем в уравнение Г-Х:

рН= рК (НАс) + lg (n₀/n_к) = 4,75 + lg (0,04/0,01) = 5,35

б) Рассчитаем число моль ионов ОН, ^- внесённых с добавкой щелочи:

n (ОН^-) = С(NaOH) × V_доб.[л] = 0,2 × 0,03 = 0,006 моль.

В результате связывания ионов ОН^- кислотой НАс происходит, согласно (2), изменение количеств сопряжённых кислоты и основания в буферном растворе:

n _к¢(НАс) = 0,01 – 0,006 = 0,004моль

n₀¢(NaAc) = 0,04 + 0,006 = 0,046 моль , подставляем в уравнение Г-Х:

рН = 4,75 + lg (0,046/0,004) = 5,8

Задача 3. Необходимо приготовить буферный раствор с рН = 4,3. В нашем распоряжении имеются муравьиная и угольная кислоты, гидроксид натрия. Какие вещества и в каких молярных соотношениях следует смешать для приготовления нужного раствора?

Анализ: формиатный буфер.

Решение:

а) Проведём анализ возможных буферных систем, которые можно приготовить на основе указанных в задаче веществ:

Формиатный НСООН рК = 3,75 Þ обл. буф. действия рН = от 2,75 до 4,75

буфер НСООNa

Г идрокарбонатный Н₂СО₃ рК₁ = 6,37 Þ рН = от 5,37 до 7,37

буфер NaHCO₃

Карбонатный NaHCO₃ рК₂ = 10,32 Þ рН = от 9,32 до 11,32

буфер Na₂CO₃

Величина рН требуемого буферного раствора лежит в области буферного действия формиатного буфера, поэтому для его приготовления необходимо взять муравьиную кислоту и гидроксид натрия.

б) Требуемый буферный раствор готовят методом частичной нейтрализации муравьиной кислоты гидроксидом натрия.

где n_к – количество кислоты в исходном растворе, х – количество добавленного NaOH, приводящее к формиатному буферному раствору с рН = 4,3. Дальнейший расчёт ведём по уравнению Г-Х:

Таким образом, для приготовления буферного раствора с рН = 4,3 необходимое количество муравьиной кислоты должно превышать необходимое количество гидроксида натрия в 1,28 раза.