Контрольная работа № 3.1.3. Буферные растворы Теоретические пояснения

Буферными называют раствор, рН которого не изменяется при его разбавлении или добавлении небольших объемов сильной кислоты или сильного основания. Буферный раствор состоит из слабой кислоты и ее соли (СН₃СООН-СН₃ССОNa) или слабого основания и его соли (NH₄OH - NH₄Cl). Из слабых многоосновных кислот и их солей также можно приготовить буферные растворы, например Н₃РО₄ – NaH₂PO₄ и NaH₂ РО₄ – Na₂HPO₄ .

Значения рН буферного раствора, состоящего из кислоты и его соли, рассчитывают по уравнению

рН= рК_НА- lg (1)

где: С_НА и С_ВА- молярные концентрации кислоты и соли в буферном растворе, моль/л; К_НА- константа диссоциации кислоты, моль/л.

Из уравнения 1 следует, что значения рН буферных растворов зависит только от отношения общих концентраций компонентов раствора и не зависит от разбавления (в определенных пределах). При изменении объема раствора концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз, а отношение концентраций не меняется.

При условии С_НА= С_ВА отношение =1 и lg=о. То есть, рН= рК_НА

Для буферных растворов, состоящих из слабого основания ВОН и его соли ВА, значение рН рассчитывают по формуле

рН=14- рК_{ВОН +} lg ( 2).

Величину буферного действия характеризуют с помощью буферной емкости, равной числу молярных масс эквивалента сильной кислоты или сильного основания , которое можно добавить к 1 литру буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.

Буферная емкость зависит от природы и общих концентраций компонентов буферного раствора, а также от соотношения их концентраций. Чем больше концентрация компонентов буферного раствора и чем ближе к единице отношение (в случае кислых буферов) и (в случае основных буферов), тем больше буферная емкость. Буферная емкость максимальна, когда вышеприведенные отношения равны единице.

Если Б - буферная емкость, а и b- число молярных масс эквивалентов соответственно кислоты (НCl) и основания (NaOH), то

где - изменение рН при добавлении данного количества кислоты или основания к объему (V_b) буферного раствора.

Приметы решения задач

Задача 1. Вычислить [Н⁺], [ОН^-] и рН раствора, образовавшегося в результате смешивания 30 мл 0,1м раствора уксусной кислоты СН₃СООН и 50 мл 0,3м раствора ацетата калия СН₃СООК.

Решение: Объем образовавшегося раствора образовавшегося в результате смешивания V_общ= 30+50=80мл.

Концентрации уксусной кислоты и ацетата калия после смешивания

[СН₃СООН] =моль/л,

[СН₃СООК] моль/л.

Так как ионы водорода образуются только за счет диссоциации уксусной кислоты, а ацетат анионы также и за счет диссоциации ацетата калия, то, принимая Х количество диссоцированной кислоты, получим:

[СН₃СООН]_ост = (0,0375 - Х) моль/л; [Н⁺]= Х моль/л;

[СН₃СОО^-] = (0,188+ Х ) моль/л.

Из уравнения К_Han = ; 1,7410^-5=

Так как Х<< 0,0375 то им можно пренебречь.

Тогда Х = [H⁺] = 3,510^-6 моль/л; [OH^-] = (10^-14 /3,510^-6 )моль/л;

рН= -lg (3,510^-6) = 5,46.

Такой же результат может быть получен, если пользоваться уравнением 1

рН = рК_НА - lg = - lg (1,7410^-5) - lg = 4,76 – (-0,7) = 5,46.

Пример 2. Определить рН раствора, получившегося в результате смешения равных объемов растворов 0,12м СН₃СООН и СН₃СООК.

Ответ. После смешения С_кис= С_соль= 0,12/2=0,06 моль/л

Пользуясь уравнением рН = рК_НА - lg = -lg (1,7410^-5 ) - lg =

= 4,76 – lg1 = 4,76 - 0 = 4,76.

Пример 3. Сколько миллилитров 0,25м раствора ацетата калия СН₃СООК следует прибавить к 50 мл 1,0 м раствора уксусной кислоты СН₃СООН, чтобы получить буферную систему с рН=3,0?

Ответ: Подставим соответствующие значения в формулу:

рН = рК_НА - lg; lg = рК_НА – рН = 4,76-3=1,76;

= 10^1,76 = 57,5; Это означает, что после смешения растворов в полученном растворе концентрация кислоты в 57,5 раза должна быть выше, чем концентрация соли. С растворе имеется 0,051,0=0,05 моль кислоты. Следовательно, количество вещества соли в этом растворе должно быть в 57,5 раза меньше, а именно 0,05:57,5=0,00087 моль ацетата калия.

V=0,00087/ 0,25 = 0,00348л= 3,48 мл.

Задача 4. Буферная система, состоящая из дигидрофосфата калия КН₂РО₄ и гидрофосфата калия К₂НРО₄ приготовлена при мольном соотношении солей 16 : 1. Определить рН данного раствора.

Ответ: В данном случае кислотой является КН₂РО₄, то есть кислота Н₂РО₄^- (К₂= 6,210^-8 или рК = 7,2).

Используя уравнение рН = рК_НА - lg, получим: рН = 7,2 – lg16= 6,0

Задача 5. Вычислить рН буферного раствора, содержащего 0,2м NH₄Cl и 0,2м и NH₄OH.

В соответствии с уравнением 2, рН=14- рК_{ВОН +} lg .

Так как рК (NH₄ОН) = 4,755, то рН= 14 - 4,755 + lg= 9,25 .