Типовые упражнения и задачи с решениями

Задача № 1

Рассчитайте рН ацетатного буферного раствора, приготовленного из 80 мл 0,1 н. раствора СН₃СООН и 20 мл 0,1н. раствора СН₃СООNa. K_а(СН₃СООН) = 1,74×10^–5.

Решение:

Расчет рН буферных растворов производится по уравнению Гендерсона-Гассельбаха:

рН = рК_а + , где рK_а = –lgK_а

рН = 4,76 + = 4,16.

Ответ: рН ацетатного буферного раствора 4,16.

Задача № 2

Рассчитайте значение рН аммиачного буфера, в 1 л которого содержится 0,1 моль аммиака и 0,2 моль нитрата аммония NH₄NO₃. Константа основности аммиака K_в = 1,7610^–5.

Решение:

рН = 14 + lgK_в + ;

рН = 14 + lg1,7610^–5 + lg = 8,94.

Ответ: рН = 8,94.

Задача № 3

К 10 мл 0,1 М раствора формиата натрия прибавили 5 мл 0,05 М раствора соляной кислоты. Обладает ли полученный раствор буферным действием?

Решение:

Между реагентами происходит взаимодействие:

HCOONa + HCl = HCOOH + NaCl;

n(HCOONa) = c×V = 0,1моль/л× 0,01 л = 0,001 моль;

n(HCl) = 0,05 моль/л × 0,005 л = 0,00025 моль;

Из полученных данных видно, что соляная кислота израсходована полностью, и раствор содержит 0,001 – 0,00025 = 0,00075 моль формиата натрия и столько же (по уравнению) муравьиной кислоты.

Таким образом, раствор содержит слабую кислоту и соль, образованную этой слабой кислотой и сильным основанием, что придает ему буферные свойства.

Ответ: данный раствор обладает буферными свойствами.

Задача № 4

Как изменится рН, если к ацетатному буферному раствору, состоящему из 100 мл раствора кислоты и 100 мл раствора соли, с концентрацией компонентов по 0,1 моль/л, прибавить 10 мл раствора с концентрацией гидроксида натрия 0,1 моль/л? рK_a = 4,76.

Решение:

Ацетатный буфер состоит из уксусной кислоты и соли – ацетата натрия, т.е. сопряженной пары: СН₃СООН/СН₃СОО^–.

При добавлении сильного основания положение равновесия в растворе СН₃СООН + Н₂О ((;(( СН₃СОО^– + Н₃О⁺ будет сдвинуто вправо, т.к. уксусная кислота будет взаимодействовать с добавленными гидроксид-ионами:

СН₃СООН + ОН^– ((;(( СН₃СОО^– + Н₂О.

Количество израсходованной кислоты равно количеству добавленной щелочи, а количество ацетат-ионов (соли), соответственно, на эту же величину возрастает; в связи с этим, уравнение Гендерссона-Гассельбаха принимает вид:

рН = рK (CH₃COOH) + lg =

= 4,76 +lg =4,85;

рН=4,85 – 4,76 = 0,09.

Этот результат демонстрирует возможность буферной системы достаточно стойко сохранять постоянство рН.

Ответ: рН изменится на 0,09 ед.

Задача № 5

Рассчитайте объемы 0,1 М раствора гидрофосфата и 0,05 М раствора дигидрофосфата натрия, которые нужно взять для приготовления 1,5 л буферного раствора с рН = 7,4. рK_а(Н₂РО ) = 7,21.

Решение:

рН = рK_а(Н₂РО ) + .

После арифметических преобразований получаем:

;

;

= 10^–0,111 = 0,774;

= 0,774, отсюда

V(NaH₂PO₄) = 0,846 л; V(Na₂HPO₄) = 1,5 – 0,846 = 0,654 л.

Ответ: V(NaH₂PO₄) = 0,846 л; V(Na₂HPO₄) = 0,654 л.

Задача № 6

Два буферных раствора имеют следующий состав: а) 100 мл 0,1 н. раствора СН₃СООН и 100 мл 0,1 н. раствора CH₃COONa; б) 100 мл 0,01 н. раствора СН₃СООН и 100 мл 0,01 н. раствора CH₃COONa. Сопоставьте рН этих растворов. Рассчитайте изменение рН этих растворов при добавлении к ним 20 мл 0,01 н. раствора HCl, а также их буферную емкость по кислоте. Ответ поясните. pK(СН₃СООН) = 4,76.

Решение:

рН = рK(СН₃СООН) + .

рН₁ = 4,76 + = 4,76;

рН₂ = 4,76 + = 4,76.

Таким образом, рН буферных растворов практически не зависит от разбавления.

Рассчитаем изменение рН этих растворов при добавлении к ним раствора HCl.

рН = –

–

рН₁ = – = 0,0174;

рН₂ = – = 0,176.

Рассчитаем буферную емкость растворов по кислоте:

В = ;

В₁ = = 5,7510^–2 моль/л; В₂ = = 5,6810^–3 моль/л.

Таким образом, чем большее количество вещества содержит буферный раствор, тем меньше изменение рН при добавлении кислоты и выше буферная емкость.

Ответ: рН₁ = 0,0174; В₁ = 5,7510^–2 моль/л

рН₂ = 0,176; В₂ = 5,6810^–3 моль/л

Задачи и упражнения для самостоятельного решения

1. В раствор уксусной кислоты добавлено некоторое количество ацетата натрия. Как при этом изменится концентрация ионов водорода и рН этого раствора?

2. При введении в раствор ацетата аммония: а) ионов водорода; б) гидроксид-анионов протекают процессы:

1) Н⁺+СН₃СОО^– ((;(( CH₃COOH; 2) OH^– + NH ((;(( NH₃H₂O. Будет ли раствор ацетата аммония проявлять буферные свойства?

3. Вода океана ведёт себя как буферный раствор при поступлении в него кислых или щелочных вод. Опишите процессы, ответственные за буферное действие воды, учитывая, что над водой в воздухе содержится углекислый газ, а в морских осадках имеется карбонат кальция.

4. При исследовании активности трансфераз динитрофенилгидразиновым методом применяют фосфатный буфер. Для его приготовления смешивают 840 мл 0,1 М раствора гидрофосфата натрия и 160 мл 0,1 М раствора дигидрофосфата натрия. Вычислите рН такого буферного раствора. (Ответ: рН = 7,93)

5. Как изменится рН, если к ацетатному буферному раствору, состоящему из 100 мл кислоты и 100 мл соли, с концентрацией компонентов по 0,1 моль/л, прибавить 10 мл раствора с концентрацией соляной кислоты 0,1 моль/л? pK(к-ты) = 4,76. (Ответ: рН = 0,09)

6. В лабораторной биохимической практике часто используют фосфатный буфер с рН = 7,0. В каком соотношении нужно взять компоненты фосфатного буфера (гидро- и дигидрофосфат калия) для приготовления некоторого объема данного буфера?

(Ответ: : = 1:1,6).