Равновесия в буферных растворах

Буферными называют растворы, способные поддерживать определенное значение рН при разбавлении, а также при добавлении некоторых количеств сильной кислоты или щелочи.

Буферное действие основано на связывании добавляемых ионов Н ⁺ или ОН ^- в молекулы малодиссоциированных соединений.

Различают следующие типы буферных растворов.

1. Смесь слабой кислоты и ее соли, например, СН₃СООН + NaCH₃COO (уксусная кислота + ацетат натрия). При добавлении сильной кислоты к этому раствору анионы соли связывают ионы Н ⁺ в молекулы малодиссоциированной уксусной кислоты:

СН₃СОО^- + Н⁺ Û СН₃СООН

(78)

При добавлении щелочи протекает реакция нейтрализации:

СН₃СООН + ОН^- Û СН₃СОО^- + Н₂О.	(79)
,	(80)

где p K_d – показатель константы диссоциации слабой кислоты, p K_d = –lg K_d; С _с и С _к – концентрации соли и килоты соответственно, моль/л

2. Смесь средней и кислой соли или двух кислых солей слабой многоосновной кислоты, например, Na₂CO₃ + NaHCO₃ или Na₂HPO₄ + NaH₂PO₄. Анионы кислой соли реагируют подобно слабой кислоте в п.1.

(81)

где С _с и С _к – концентрации кислой и средней соли соответственно, моль/л

3. Кислые соли слабых многоосновных кислот, при добавлении к растворам которых сильных кислот или щелочей протекают аналогичные реакции:

НСО₃^- + Н⁺ Û Н₂СО₃;	(82)
НСО₃^- + ОН^- Û СО₃²^- + Н₂О	(83)
,	(84)

где p K_n – показатель контснты диссоциации кислоты по соответствующей ступени.

4. Смесь слабого основания и его соли, например, NH₄OH + NH₄Cl. Буферное действие основано на реакциях:

NH₄OH + H⁺ Û NH₄⁺ + H₂O;	(85)
NH₄⁺ + OH^- Û NH₄OH.	(86)
,	(87)

где p K_d – показатель константы диссоциации слабого основания; С _с и С _осн – концентрации соли и основания соответственно, моль/л

5. Соли слабых кислот и слабых оснований, например, NH₄CH₃COO. Буферное действие обусловлено реакциями:

NH₄⁺ + OH^- Û NH₄OH;	(88)
CH₃COO^- + H⁺ Û CH₃COOH.	(89)

Емкостью буферного раствора В называют количество сильной кислоты или щелочи, которое требуется добавить к 1 л раствора для изменения его рН на единицу. Раствор утрачивает буферные свойства при добавлении сильной кислоты или щелочи в количестве, превышающем буферную емкость. Различают буферную емкость раствора по кислоте и по щелочи.

Емкость кислого буфера по щелочи, В _Щ.

(90)

При решении уравнения получаем:

(91)

емкости кислого буфера по кислоте:

(92)

Отсюда получаем формулу для расчета

(93)

Емкости основного буфера по кислоте и по щелочи:

.	(94)
.	(95)

Выбор состава буферного раствора. Отношение С _с/ С _к или С _с/ С _осн выбирают в пределах 0,1< С _соли/ С _к-ты<10. По таблицам констант диссоциации подбирают слабую кислоту с p K_d = pH±1(или слабое основание с p K_d = pOH ±1), исходя из заданного рНвычисляют отношение концентраций С _с / С _к (или С _с / С _осн).

Примеры решения задач

Пример 1. Вычислить изменение рН ацетатного буферного раствора, содержащего по 1 моль/л кислоты и соли после добавления к 1 л раствора 0,1 моль соляной кислоты.

Решение. 1. вычислим рН данного буферного раствора по формуле (112)

2. После добавления к буферному раствору соляной кислоты концентрация ацетата натрия уменьшится, концентрация уксусной кислоты увеличится вследствие протекания реакции:

CH₃COONa + HCl ® CH₃COOH + NaCl на величину 0,1 моль/л.

3. Вычислим рН нового раствора:

4. Найдем изменение рН: ΔрН = 4,75 - 4,66 = 0,09.

Пример 2. К 0,8 л 0,5 М раствора НСООН (K_d = 1,8×10^-4) добавили 0,2 л 0,4 М раствора NaOH. Вычислить рН образовавшегося формиатного буфера и его буферную емкость по кислоте и щелочи.

Решение. 1. Вычислим количество вещества НСООН и NaOH:

2. Объем буферного раствора V равен:

3. Определим количество вещества формиата натрия, образующегося по реакции NaOH+HCOOH®HCOONa+H₂O:

моль.

Найдем молярную концентрацию формиата натрия в буферном растворе:

моль/л.

4. Найдем остаточное количество вещества муравьиной кислоты:

и ее молярную концентрацию в буферном растворе

моль/л.

5. Определим рН буферного раствора

6. Буферную емкость по кислоте определим при помощи уравнения (120):

Буферную емкость по щелочи определим при помощи уравнения (119):

Пример 3. Сколько граммов твердого формиата натрия HCOONa надо добавить к 100 мл 0,2 М раствора соляной кислоты, чтобы получить буферный раствор с рН = 4,3?

Решение. 1. При добавлении к раствору соляной кислоты формиата натрия образуется муравьиная кислота по реакции: HCOONa + HCl ® HCOOH + NaCl,

С (HCOOH) = С (HCl) = 0,2 моль/л.

2. Для образования формиатного буферного раствора необходима определенная концентрация формиата натрия, которую найдем исходя из формулы (114):

откуда моль/л.

3. Определим количество вещества формиата натрия, необходимого для получения данного буферного раствора: моль и его массу г.

Задачи для решения

390. К 200 мл 0,5 н. раствора уксусной кислоты добавили 10 мл 0,8 н. раствора едкого натра. Определить рН полученного раствора.

391. Какой объем 20 % раствора уксусной кислоты плотностью 1,026 г/см³ следует прилить к 1 л 0,075 н. раствора ацетата натрия, чтобы получить буферный раствор с рН = 2,75?

392. Рассчитать рН раствора, содержащего 1,5 моль/л ацетата натрия и 0,75 моль/л уксусной кислоты. На сколько изменится величина рН в результате добавления к 50 мл этого раствора 1 мл 2 н. раствора едкого натра?

393. Сколько граммов безводного бензойнокислого натрия необходимо прибавить к 100 мл 0,02 моль/л раствора бензойной кислоты С₆Н₅СООН, чтобы получить буферный раствор с рН=5?

394. К 25 мл 2 % раствора гидроксида аммония плотностью 0,99 г/см³ добавили 1,5 г хлорида аммония. Определить рН полученного раствора, если его плотность равна 1,01 г/см³.

395. Как изменится рН в 0,1 н. растворе уксусной кислоты после добавления к нему кристаллического ацетата натрия до концентрации 0,1 моль/л?

396. На сколько изменится рН раствора, полученного смешиванием 100 мл 5 % раствора муравьиной кислоты плотностью 1,008 г/см³ и 100 мл 7 % раствора формиата калия плотностью 1,01 г/см³, если к нему прилить 50 мл 0,2 н. раствора едкого калия?

397. Какой объём 20 % фосфорной кислоты (плотность 1,113 г/мл) надо добавить к 2 л раствора едкого калия с концентрацией 0,2 моль/л для получения буферного раствора с рН=6?

398. На сколько изменится рН раствора, содержащего в 200 мл 2,14 г хлорида аммония и 2,1 г гидроксида аммония, в результате добавления к нему 10 мл 2 н. раствора соляной кислоты?

399. Какой объем 0,5 моль/л раствора гидроксида бария следует добавить к 1,5 л 5 % раствора уксусной кислоты (плотность 1,006 г/см³), чтобы получить буферный раствор с рН=4?

400. Рассчитать рН раствора, полученного смешиванием 10 м³ 2 % раствора едкого натра (плотность 1,021 г/см³) и 15 м³ 5 % фосфорной кислоты (плотность 1,026 г/см³).

401. Какой объем 20 %-ной серной кислоты (плотность 1,139 г/мл) необходимо добавить к 5 л раствора этиламина с концентрацией 0,02 моль/л для получения буферного раствора с рН=9,8?

402. К 5 л 5 % раствора гидроксида аммония плотностью 0,986 г/мл добавили 10 л 3 % раствора серной кислоты плотностью 1,019 г/мл. Определить рН полученного раствора.

403. Определить рН, борно-натриевого буферного раствора, если концентрация Н₃ВО₃ 15 %, NaH₂BO₃ 10 %, а средняя плотность раствора 1,12 г/см³.

404. Рассчитать рН раствора, полученного путем поглощения 20 л углекислого газа раствором едкого натра в количестве 6 л и с концентрацией 0,1 моль/л. Процесс вели при температуре 25°С и давлении 1 атм.

405. Определить рН, фосфорно-натриевого буфера, если в 1 л раствора содержится 19,6 г фосфорной кислоты и 30 г дигидрофосфата натрия.

406. Объем хлористого водорода, равный 5 м³, был измерен при температуре 100°С и давлении 1,5 атм. Определить рН раствора, полученного в результате поглощения этого газа 5 м³ раствора гидроксида аммония с концентрацией 0,1 моль/л.

407. Рассчитать рН раствора, в 1 л которого содержится 12,5 г ацетата натрия и 17,5 г уксусной кислоты.

408. Какой объем аммиака должен быть поглощен при 25°С и давлении 1 атм 2 % раствором серной кислоты плотностью 1,012 г/мл в количестве 300 мл, чтобы полученный раствор имел значение рН=10?

409. Каков рН аммиачно-хлоридного буфера, содержащего в 1 л 70 г гидроксида аммония и 26,7 г хлорида аммония?

410. Какой объем 4,27 % раствора аммиака плотностью 0,98 г/см³ надо добавить к 200 мл 0,1 н. раствора соляной кислоты, чтобы получить буферный раствор с рН=8,24?

411. Рассчитать рН смеси карбоната и гидрокарбоната калия с концентрацией по 0,02 моль/л.

412. Сколько миллилитров 6 % раствора уксусной кислоты плотностью 1,007 г/см³ следует прилить к 100 мл 0,6 % раствора едкого натра плотностью 1,005 г/см³, чтобы получить буферный раствор с рН=4,18?

413. Рассчитать рН раствора дигидрофосфата натрия с концентрацией 1 моль/л

414. Сколько граммов гипобромита натрия NaBrO следует добавить к 10 л 0,5 н. раствора бромноватистой кислоты, константа диссоциации которой равна 2,06×10^-9, чтобы получить буферный раствор с рН=6,74?

415. Рассчитать рН раствора гидросульфида калия с концентрацией 1 моль/л.

416. Какой объем аммиака должен быть поглощен при 25°С и давлении 1 атм 2 % раствором соляной кислоты (плотность 1,008 г/см³) в количестве 300 мл, чтобы полученный раствор имел значение рН=10?

417. Каково значение рН аммиачно-хлоридного буфера, содержащего в 1 л 70 г гидроксида аммония и 26,7 г хлорида аммония?

418. Как изменится рН СН₃СООН в 0,2 М растворе, если к 100 мл этого раствора прибавили 30 мл 0,3 М раствора ацетата натрия.

419. Рассчитать рН полученного раствора, если к 100 мл 0,0375 М СН₃СООН прибавили 0,102 г CH₃COONa.

420. Вычислить рН раствора, полученного смешиванием 25 мл 0,2 М СН₃СООН и 15 мл 0,1 М CH₃COONa.

421. Вычислить рН полученного раствора, если в 1 л воды содержится 60,05 г СН₃СООН и 82,03 г CH₃COONa.

422. Вычислить рН раствора, если к 2 л воды прибавили 23 г НСООН и 21 г НСООК.

423. Вычислить рН раствора, полученного смешиванием 15 мл 0,1 м НСООН и 12 мл 0,2 М HCOONa.

424. Какой объем 0,2 М NaOH надо прибавить к 40 мл 0,1 М раствора лимонной кислоты, чтобы получить раствор с рН = 3,0?

425. Какой объем раствора NaOH концентрацией 0,4 % надо прибавить к 23 мл 0,2 М раствора ортофосфорной кислоты, чтобы получить раствора с рН = 2,3?

426. Какую массу гидроксида натрия надо растворить в 100 мл 0,1 М раствора гидрокарбоната натрия, чтобы получить раствор с рН = 10?

427. Какую массу гидрокарбоната натрия надо растворить в 30 мл раствора гидроксида натрия концентрацией 1 %, чтобы получить раствор с рН = 10,0?

428. Как изменится рН 1 % раствора НСООН, если к 230 мл этого раствора прибавить 540 мл раствора НСООK концентрацией 0,5 %?

429. Сколько миллилитров 0,2 м HCl надо добавить к 50 мл 0,1 М Na₂CO₃, чтобы получить раствор с рН=10,5?