Laboratorki_po_khimii / 11

30

5 Лабораторная работа №11

Буферные растворы

Цель работы: приготовление буферных растворов и изучение их свойств.

Оборудование и реактивы: мерные цилиндры, стаканчики на 100 мл (5 шт.), пробирки, рН-метр, универсальная индикаторная бумага с цветной шкалой рН, градуированные пипетки, бюретки с титрованными 0,1н. растворами NaOH и HCl, фильтровальная бумага, 0,1М растворы СH₃COOH, CH₃COONa, NH₄OH, NH₄Cl, дистиллированная вода.

5.1 Теоретические пояснения

Буферными растворами называются растворы, рН которых заметно не изменяется при добавлении небольших количеств сильной кислоты, сильного основания или при разбавлении раствора.

Приготовить буферные растворы можно из смеси растворов слабой кислоты и соли, образованной этой кислотой и сильным основанием, либо из смеси растворов слабого основания и соли, образованной этим основанием и сильной кислотой.

Для буферной смеси, приготовленной из слабой кислоты и ее соли, рН раствора рассчитывается по формуле:

, (5.1)

где К_К – константа диссоциации кислоты;

С_К и С_С – молярная концентрация в буферной смеси кислоты и соли соответственно.

Для буферной смеси, приготовленной из слабого основания и его соли, рН раствора рассчитывается по формуле:

, (5.2)

где К_О – константа диссоциации основания;

С_О и С_С – молярная концентрация в буферной смеси основания и соли соответственно.

Из уравнений (5.1) и (5.2) следует, что, изменяя соотношение концентраций кислоты и ее соли (основания и его соли), можно получить буферные растворы с различными значениями рН. Кроме того, рН буферов зависит не от абсолютных значений концентраций, а от их отношения. При разбавлении буферных растворов отношение концентраций не изменяется, а, следовательно, не изменяется и рН.

В действительности рН буферного раствора при сильном разбавлении несколько изменяется. Дело в том, что для более точных расчетов в уравнения (5.1) и (5.2) нужно подставлять вместо концентраций активности, которые связаны с концентрациями через коэффициент активности:

a=fC.

Коэффициенты активности f для различных частиц будут изменяться с разбавлением по-разному, что приводит к неодинаковому изменению активностей.

Главное свойство буферных смесей – противостоять изменению рН при добавлении кислоты или щелочи. Это свойство называется буферным действием. Оно – результат наличия равновесия между водой и растворенными в ней слабой кислотой (слабым основанием) и солью. Так, буферное действие ацетатного буфера, приготовленного из уксусной кислоты и ацетата натрия, объясняется тем, что при добавлении щелочи ионы ОН^-- будут связываться катионами водорода кислоты с образованием воды:

CH₃COOH ⇆ H⁺ + CH₃COO ^–

H⁺ + OH ^- = H₂O.

При добавлении кислоты катионы водорода связываются ацетатными ионами, и образуется слабая, малодиссоциированная уксусная кислота:

H⁺ + CH₃COO ^-- ⇆CH₃COOH.

Буферное действие проявляется лишь при добавлении определенных количеств кислоты или щелочи. Количество вещества эквивалентов сильной кислоты (основания), выраженное в моль, которое необходимо прибавить к одному литру буферной смеси, чтобы изменить ее рН на единицу, называется буферной емкостью по кислоте (по основанию). Буферная емкость выражается в моль экв./л и рассчитывается по формулам:

, (5.3)

, (5.4)

где В_К и В_О – буферные емкости по кислоте и по основанию соответственно;

Э_К и Э_О – количество вещества эквивалентов сильной кислоты и сильного основания соответственно, прибавленных к одному литру буфера;

(рН)₀ – исходное значение водородного показателя;

(рН)₁ – значение водородного показателя после прибавления кислоты;

(рН)₂ – значение водородного показателя после прибавления основания.

Буферная емкость при постоянной температуре зависит от концентраций компонентов буферной смеси и от соотношения между этими концентрациями. С увеличением концентраций компонентов буферной смеси увеличивается резерв, с помощью которого удерживается постоянство рН. Максимальная буферная емкость проявляется в том случае, когда компоненты буферной смеси присутствуют в растворе в эквивалентных количествах.

Буферные растворы играют большую роль в технике и природе. При проведении многих технологических процессов рН среды поддерживается постоянной с помощью буферных систем. Постоянство рН в крови и тканях живых организмов достигается за счет буферного действия карбонатной (NaHCO₃ + H₂CO₃), отчасти фосфатной (NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄) и белковой буферных систем. Почвенные растворы также обладают буферным действием. В почвах широко распространена буферная система из угольной кислоты и бикарбоната кальция.

5.2 Методика проведения опытов

5.2.1 Приготовить по 40 мл ацетатной и аммонийной буферных смесей. Для приготовления ацетатного буфера смешать равные объемы 0,1М растворов уксусной кислоты и ацетата натрия, а для приготовления аммонийного буфера – равные объемы 0,1М растворов гидроксида аммония и хлорида аммония.

В отдельных пробах (по 1 мл) определить рН этих растворов при помощи универсального индикатора. Сравнить значения рН с рассчитанными по формулам (1) и (2).

Для более точного определения рН можно воспользоваться рН-метром (см. инструкцию по работе с прибором). Перед работой прибор настраивается лаборантом по ранее приготовленным буферным растворам. Исследуемую буферную смесь помещают в стакан на 100 мл и опускают в него электроды. Электроды должны быть погружены в раствор приблизительно на 3 см. Перед каждым измерением электроды промывают дистиллированной водой, остатки воды удаляют фильтровальной бумагой. Во время измерений хлорсеребряный электрод должен быть заполнен насыщенным раствором хлорида калия.

5.2.2 Пипеткой отмерить в стакан 1 мл ацетатной буферной смеси. Разбавить содержимое стакана в 100 раз, прилив 99 мл воды. Аналогичным образом разбавить аммонийный буфер. Используя универсальный индикатор или рН-метр (для большей точности), определить, изменилась ли реакция среды после разбавления растворов.

5.2.3 Взять две пробирки и поместить в каждую по 1 мл ацетатной буферной смеси. В одну пробирку прибавить каплю 1н. раствора соляной кислоты, а в другую – одну каплю 1н. раствора гидроксида натрия. Определите рН этих растворов при помощи универсального индикатора. На много ли изменилось значение рН по сравнению с исходными растворами? Сделайте вывод по результатам опыта.

Аналогичный опыт повторить с аммонийной буферной смесью.

5.2.4 В два стаканчика налить по 35 мл ацетатного буфера и титровать содержимое одного стаканчика 0,1н. раствором соляной кислоты, а другого – 0,1н. раствором гидроксида натрия до изменения рН на единицу, которое устанавливается при помощи рН-метра.

Рассчитать буферную емкость по кислоте и по основанию.

5.3 Примеры решения задач

Пример 1

Сколько мл 0,1М раствора муравьиной кислоты (НСООН) нужно прилить к 100 мл 0,5М раствора формиата натрия (НСООNa), чтобы водородный показатель буфера равнялся 3,8? Константа диссоциации кислоты равна 1,810^--4. Диссоциацию соли считать полной.

Решение

рН буферного раствора можно рассчитать по формуле:

,

следовательно,

.

.

С другой стороны:

.

Тогда

Итак, к 100 мл 0,5М раствора НСООNa нужно прилить 440 мл 0,1М раствора НСООН.

Пример 2

На какую величину изменится рН формиатного буфера из примера 1, если прилить: а) 20 мл 1М HCl; б) 20 мл 1М NaOH; в) разбавить раствор в 10 раз? Рассчитайте буферную емкость раствора по кислоте и по основанию.

Решение

а) Найдем число моль HCl, содержащихся в 20 мл 1М раствора соляной кислоты:

(HCl)=C(HCl)V(HCl)=1(моль/л)0,02(л)=0,02(моль).

При добавлении соляной кислоты произойдет реакция:

HCOONa+HCl=HCOOH+NaCl,

при этом число моль кислоты увеличится на 0,02 по сравнению с первоначальным, а количество моль формиата натрия уменьшится на 0,02.

_нач.(HСООН)=C_нач.(HCООН)V(HCООН)=0,10,440=0,044(моль)

_нач.(HСООNa)=C_нач.(HCООNa)V(HCООNa)=0,50,1=0,05(моль).

После прибавления HCl:

(HCOOH)=0,044+0,02=0,064(моль)

(HCOONa)=0,05–0,02=0,03(моль)

Найдем рН буфера после прибавления соляной кислоты:

=3,74 – lg2,13=3,41

Изменение рН при добавлении соляной кислоты равно:

рН=3,8 – 3,41=0,39

б) Изменение рН при добавлении 1М раствора NaOH рассчитывается аналогично предыдущему случаю.

При добавлении щелочи протекает реакция:

HCOOH+NaOH=HCOONa+H₂O.

(NaOH)=C(NaOH)V(NaOH)=1(моль/л)0,02(л)=0,02(моль).

При добавлении щелочи количество формиата натрия увеличивается на 0,02моль, а количество муравьиной кислоты уменьшается на 0,02 моль.

(HCOOH)=0,044 – 0,02=0,024(моль)

(HCOONa)=0,05+0,02=0,07(моль)

=3,74 – lg0,34=4,21

рН=4,21 – 3,8=0,41.

в) При разбавлении раствора в 10 раз концентрации муравьиной кислоты и формиата натрия уменьшатся в 10 раз каждая, при этом отношение их величин не изменится. В соответствии с формулой (5.1), при этом не изменится и рН буферного раствора.

Рассчитаем буферную емкость по кислоте, то есть, сколько моль эквивалентов соляной кислоты нужно прибавить к 1 л буфера, чтобы понизить его рН на единицу.

П о данным примера 1 вычислим начальные концентрации муравьиной кислоты и формиата натрия в буферном растворе:

П усть х – число моль эквивалентов соляной кислоты, прибавленных к 1 литру буфера для уменьшения рН на единицу, то есть буферная емкость. Тогда концентрация муравьиной кислоты возрастет на х моль/л и станет равной (0,081+х) моль/л, а концентрация формиата натрия уменьшится на х моль/л и станет равной (0,093 – х) моль/л, при этом рН понизится до 2,8.

С учетом уравнения (5.1), запишем:

.

Из данного выражения можно найти буферную емкость, обозначенную переменной х. Буферная емкость по кислоте равна 0,075 моль/л.

Рассчитаем буферную емкость по основанию. Пусть у – буферная емкость по основанию, тогда при добавлении гидроксида натрия концентрация муравьиной кислоты уменьшится на у моль/л, а концентрация формиата натрия увеличится на у моль/л, при этом водородный показатель буфера возрастет на единицу и станет равным 4,8.

В соответствии с уравнение (5.1), запишем:

.

Отсюда у=0,067 моль/л. Итак, буферная емкость по основанию равна 0,067 моль/л.

5.4 Требования к уровню подготовки студентов

• Знать понятия: буферные растворы, буферное действие, буферная емкость.

• Знать от чего зависит буферная емкость, уметь ее рассчитывать.

• Уметь готовить буферные растворы с заданным значением рН, производить необходимые для этого расчеты.

• Иметь представление о значении буферных растворов в природе и технике.

5.5 Задания для самоконтроля

5.5.1 Объясните буферное действие аммонийного буфера при добавлении к нему небольших количеств соляной кислоты и гидроксида натрия. Ответ аргументируйте при помощи соответствующих уравнений реакций.

5.5.2 Ацетатную буферную смесь приготовили сливанием 30 мл раствора ацетата натрия концентрацией 0,4 моль/л и 20 мл раствора уксусной кислоты концентрацией 0,2 моль/л. Константа диссоциации уксусной кислоты равна 1,810^--5. Диссоциацию соли считать полной. Определить рН буферной смеси.

5.5.3 Сколько мл раствора хлорида аммония концентрацией 0,5 моль/л нужно прилить к 20 мл раствора гидроксида аммония концентрацией 0,2 моль/л, чтобы водородный показатель полученного буфера равнялся 9,2? Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1,810^--5. Диссоциацию соли считать полной.

5.5.4 Буферная емкость по основанию ацетатного буфера равна 0,052 моль экв./л. Сколько мл 1н. раствора гидроксида натрия нужно прилить к 10 мл буферной смеси, чтобы водородный показатель изменился на единицу?

5.5.5 При сливании растворов каких из перечисленных веществ: а) NaHCO₃; б) NaCl; в) NaOH; г) H₂CO₃ – можно получить кислотно-основные буферные смеси?

5.5.6 К 200 мл аммонийного буферного раствора прибавили 100 мл воды. Как при этом изменится pH раствора?

5.5.7 Какова буферная емкость по кислоте, если прибавление к 40 мл буферного раствора 15 мл 0,1 М раствора HCl вызвало изменение pH на единицу?

5.5.8 При сливании растворов каких из перечисленных веществ: а) NaH₂PO₄; б) H₂SO₄; в) Ca₃(PO₄)₂; г) Na₂HPO₄ – можно получить кислотно-основные буферные смеси?

5.5.9 Какова величина pH аммонийного буферного раствора, содержащего в 1,5 л раствора 0,3 моль NH₄OH и 0,1 моль NH₄Cl? Константа диссоциации гидроксида аммония равна 1,77∙10^–5.

5.5.10 Какова величина pH ацетатного буферного раствора, содержащего в 3 л раствора 0,4 моль CH₃COOH и 0,2 моль CH₃COONa? Константа диссоциации уксусной кислоты равна 1,75∙10^–5.

5.5.11 Какой объем 0,5 М раствора NaOH нужно прибавить к 500 мл буферного раствора, чтобы его водородный показатель pH изменился на единицу? Буферная емкость по основанию составляет 0,136 моль/л.

5.5.12 Какова буферная емкость по основанию, если прибавление к 25 мл буферного раствора 20 мл 0,5 М раствора NaOH вызвало изменение pH на единицу?

5.5.13 Какова буферная емкость по кислоте, если прибавление к 100 мл буферного раствора 80 мл 0,2 М раствора HCl вызвало изменение pH на единицу?

5.5.14 Какой объем 0,6 М раствора NaOH нужно прибавить к 0,4 л буферного раствора, чтобы его водородный показатель pH изменился на единицу? Буферная емкость по основанию составляет 0,561 моль/л.

5.6 Список рекомендуемой литературы

5.6.1 Л.М.Романцева, З.Л.Лещинская, В.А.Суханова. Сборник задач и упражнений по общей химии. – М.: Высш. шк., 1991. – С.138 – 140.