Вычисление рН буферных растворов, образованных слабой кислотой и ее солью

Вычисление рН буферных растворав

Буферные системы и их значение в анализе

Для поддерживания определенной величины рН в исследуемом растворе пользуются буферными системами.

Чаще всего в качестве буферных растворов используют смеси растворов слабых кислот и их солей, или же смеси растворов слабых оснований и их солей, или, наконец, смеси растворов солей многоосновных кислот различной степени замещения (табл. 3.3).

Таблица 3.3 Буферные растворы, применяемые в анализе

Состав буферной смеси (при молярном соотношении 1: 1)	Название смеси	рН
Смесь муравьиной кислоты НСООН и формиата натрия HCOONa Смесь уксусной кислоты СН3СООН и ацетата натрия CH3COONa, Смесь дигидрофосфата натрия NaH2PO4 и гидрофосфата натрия Na2HPO4 Смесь аммиака и хлорида аммония NH4Cl	Формиатная смесь   Ацетатная смесь   Фосфатная смесь   Аммонийная смесь	3,8   4,7   6,6   9,25

Способность буферных систем поддерживать постоянство рН при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или сильного основания основана на том, что одна составная часть буферной системы может взаимодействовать с ионами Н⁺ кислоты, а другая — с ионами ОН^- прибавляемого основания. Вследствие этого буферная система может связывать как Н⁺, так и ОН^- ионы приливаемых кислот и оснований и до определенного предела со­хранять постоянство величины рН. Например, если к ацетатной буферной системе приливать силь­ную кислоту (НС1, Н₂SO₄, НNO₃), то пойдет реакция между ацетат-ионом и ионами водорода кислоты, что можно выразить уравнением:

CH₃COONa + НCl ↔ СН₃СООН + NaCI

СН₃СОO^- + Н⁺ ® СН₃СООН

Сильная кислота (НС1 или H₂SO₄) замещается слабой уксусной кислотой, посылающей в раствор ничтожно малое количество ионов водорода.При добавлении же к ацетатной буферной системе сильной щелочи (NaOH, КОН) пойдет реакция нейтрализации уксусной кислоты сильным основанием:

СН₃СООН + NaOH ® CH₃COONa + H₂O

Н⁺ + ОН^- ® H₂O

В том и другом случае в растворе существенно не изменяются концентрации ни [Н⁺], ни [ОН^-] ионов.

В аммиачной буферной системе протекают следующие реакции. При добавлении сильной кислоты идет нейтрализация раствора аммиака кислотой:

NH₄OH + НNО₃ ®NH₄NO₃ + Н₂О

ОН^- + Н⁺ ® Н₂О

При добавлении сильного основания идет реакция обмена между солью и сильным основанием с образованием слабого основания NH₄OH:

NH₄Cl + NaOH ® NH₄OH + NaCI

NH₄⁺ + ОН^- ® NH₄OH

Величину рН, создаваемую тем или иным буферным раствором, можно вычислить.

Пример 1. Вычислить рН смеси уксусной кислоты с ее натриевой солью.

Решение.

1. Из уравнения константы ионизации кислоты находим кон­центрацию ионов водорода:

Уксусная кислота присутствует в растворе в смеси с ацетатом натрия CH₃COONa в виде неионизированных молекул. Поэтому концентрацию молекул можно принять равной общей молярной концентрации кислоты в растворе, т. е. [CH₃COOH] =С кисл. Концентрацию анионов уксусной кислоты можно принять равной концентрации соли, т. е. [CH₃COO^-] = Ссоли, так как ацетат натрия CH₃COONa — сильный электролит, диссоциирующий в растворе на

100 %. Приняв эти упрощения, получим:

2. Логарифмируя полученное уравнение и заменяя знаки логарифмов на обратные, получаем:

но -lg [Н⁺] есть рН, а -lg К есть рК — силовой показатель кис­лоты.

Если при приготовлении буферной системы взять одинаковые концентрации кислоты и соли, то концентрация ионов водорода в таком растворе будет равна константе ионизации кислоты, так как отношение

Скисл	= 1 и [Н^+] = К · 1, т. е. [Н^+] = К, по­этому рН = рК.
с соли

Изменяя отношение концентрации кислоты к концентрации соли, можно получить серию буферных систем с различной вели­чиной рН.

Обычно приготовляют ряд буферных систем из одних и тех же компонентов, меняя лишь отношение концентрации кислоты к концентрации соли от 10: 1 до 1: 10. В таких растворах водородный показатель будет изменяться от рН =рК — 1 до рН = рК + 1.

Пример 2. Сколько 0,5 М раствора ацетата натрия CH₃COONa нужно прибавить к 100 мл 2М раствора уксусной кислоты CH₃COOH, чтобы получить буферный раствор с рН = 4?

Решение.

Число lg 0,76 = 5,754. Следовательно, отношение концентрации кислоты к концентрации соли должно быть равно 5,754: 1.

2. Находим концентрацию кислоты в буферной системе:

в 1000 мл 2 М раствора содержится 2 моль СН₃СООН

в 100 мл 2 М»» 0,2 моль СН₃СООН

3. Зная концентрацию кислоты, находим концентрацию соли в буферной системе; она должна быть равна 0,2: 5,754 = 0,03475 (моль).

4. Находим количество 0,5 М раствора ацетата натрия CH₃COONa, содержащего 0,03475 моль:

в 1000 мл 0,5 М раствора содержится 0,5 моль CH₃COONa

в х мл 0,5 М»» 0,03475 моль СН₃СООNа

Пример 3. Вычислить рН раствора, полученного путем смешивания 20 мл 0,05 М. раствора азотистой кислоты HNQ₂ и 30 мл 1,5 М раствора нитрита натрия NaNO₂.

Решение.

1. Находим объем раствора после смешивания кислоты HNO₂ и соли NaNO₂ и их концентрации в полученной смеси;

2. По табличным данным находим, что рК_HNO2, = 3,29.

3. Вычисляем рН:

Пример 4. В каких молярных соотношениях следует взять растворы солей состава NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄, чтобы получить буферную систему с рН = 6?

Решение.

1. По условию задачи нам известна лишь величина рН. По­этому по величине рН находим концентрацию ионов водорода:

2. В данной буферной системе в качестве кислоты выступает ион Н₂РО₄^-, получающийся при диссоциации соли дигидрофосфата натрия NaH₂PO₄. Константа диссоциации фосфорной кислоты по второй ступени K₂, _H3PO4 = 6,2 · 10^-8.

3. Зная концентрацию ионов водорода и величину константы диссоциации кислоты, вычисляем отношение концентрации кислоты к концентрации соли в данной буферной системе:

Отсюда молярное отношение солей, составляющих буферный раствор, будет равно:

Дата добавления: 2015-06-30