3.1.3. Буферные растворы
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ
Буферным 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 NaH2РО4 – Na2HPO4 .
Значения рН буферного раствора, состоящего из кислоты и его соли, рассчитывают по уравнению
рН= рКНА-
lg
, (1)
где СНА и СВА – молярные концентрации кислоты и соли в буферном
растворе, моль/л;
КНА – 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 СНА= СВА отношение =1 и lg =о. То есть, рН= рКНА
Для буферных растворов, состоящих из слабого основания ВОН и его соли ВА, значение рН рассчитывают по формуле
рН=14 – рКВОН
+ 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
(4)
где
-
изменение рН при добавлении данного
количества кислоты или основания к
объему (Vb)
буферного раствора.
Примеры решения типовых 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:
1. Общий объем образовавшегося раствора образовавшегося в результате смешивания Vобщ= 30 + 50= 80 мл.
2. 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 количество диссоцированной кислоты за Х, получим:
[СН3СООН]ост = (0,0375 – Х) моль/л; [Н+]= Х моль/л;
[СН3СОО-] = (0,188+ Х ) моль/л.
Из уравнения КHan
=
;
1,74
10-5
=
Так как Х<< 0,0375 то им можно пренебречь.
Тогда Х = [H+] = 3,5 10-6 моль/л; [OH-] = 2,85 10-9 моль/л;
рН= – lg (3,5 10-6) = 5,46.
Такой же результат может быть получен, если пользоваться уравнением 1.
рН = рКНА
– lg
= – lg (1,74
10-5)
– lg
= 4,76 – (– 0,7) = 5,46.
Ответ: [H+] = 3,5 10-6 моль/л; [OH-] = 2,85 10-9 моль/л; рН = 5,46.
Пример 2. Определить рН раствора, получившегося в результате смешения равных объемов растворов 0,12М СН3СООН и СН3СООК.
Ответ. После смешения Скис= Ссоль= 0,12/2=0,06 моль/л.
Пользуясь уравнением
рН = рКНА -
lg
= –lg (1,74
10-5
) – lg
=
= 4,76 – lg1 = 4,76 - 0 = 4,76.
Ответ: рН = 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 = рКНА – lg ;
lg = рКНА – рН = 4,76 – 3= 1,76;
= 101,76 = 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 0,05 1,0 = 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.
Ответ: V = 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- (из таблицы К2= 6,2 10-8 или рК = 7,2).
Используя уравнение рН = рКНА – lg, получим: рН = 7,2 – lg16= 6,0
Ответ: рН = 6.
Задача 5. Вычислить рН буферного раствора, содержащего 0,2 М NH4Cl и 0,2 М NH4OH.
В соответствии с уравнением 2,
рН=14 – рКВОН + lg .
Так как рК (NH4ОН) = 4,755, то
рН = 14 – 4,755 +
lg
=
9,25 .
Ответ: рН = 9,25.