Расчет рН и состава буфера

Буферные растворы находят широкое применение в практике, например в титровании, особенно в редоксиметрии и комплексонометрии, качественном анализе и при дробном осаждении из растворов. Буферное влияние также следует учитывать в протолитометрии при титровании слабых электролитов. При получении буфера используют либо реакции нейтрализации, руководствуясь справочными данными, либо выполняют расчет по формулам приближенного вычисления (ЭУК, гл 4).

Под буферным раствором (буфером) понимают такую 2-х и более компонентную систему, которая при добавлении малых количеств сильного электролита (Δx) способна сохранять постоянным значение кислотности среды. Следовательно, буферным действием будут обладать такие 2-х компонентные системы, в которых одно из веществ реагирует с кислотами, а второе – со щелочами. Подобные свойства проявляют системы, состоящие из слабого электролита и сопряженной с ним соли этого же слабого электролита, либо смесь из 2-х солей.

1. Кислотный буфер - его образует слабая кислота и сопряженная с ней соль этой слабой кислоты и сильного основания. Концентрация протонов в таком буфере рассчитывается по формуле: [H⁺]= ; где К_кис – константа диссоциации (ионизации) слабой кислоты; а ν – количество вещества (моль) кислоты или ее соли.

2. Основный буфер -состоит из слабого основания и сопряженной с ним соли этого слабого основания и сильной кислоты. Концентрация протонов в таком буфере рассчитывается по формуле: [H⁺] =

где К_кис – константа диссоциации (ионизации) слабого основания; а ν – количество вещества (моль) основания или его соли; К_W = 10^-14 – ионное произведение воды.

3. Солевой буфер - представляет собой систему, состоящую: а) из двух кислых солей многоосновных кислот, б) средней и кислой соли многоосновной кислоты; в) многоосновной кислоты и ее кислой соли.

Пример 1. Смешали 50 мл 0,5 моль/л раствора CH₃COOH и 40 мл 0,4 моль/л раствора CH₃COONa. Определить рН, если К_д = 1,75×10^-5.

Решение:

При смешении растворов образуется сопряженная система из слабой кислоты и ее соли: CH₃COOH - CH₃COONa. Эта система составляет кислотный буфер, концентрация протонов в котором определяется по формуле:

[H⁺] = , где n(CH₃COOH) и n(CH₃COONa) – количество вещества кислоты и соли в новом растворе соответственно.

Рассчитаем n(CH₃COOH) и n(CH₃COONa), исходя из определения молярной концентрации: n = С_М×V/1000, где С_М и V – исходные концентрация и объем каждого из веществ.

n(CH₃COOH) = 50×0,5/1000 = 0,025 (моль);

n(CH₃COONa) = 40×0,4/1000 = 0,016 (моль).

Подставим полученные значения в формулу и вычислим [H⁺] и рН:

[H⁺] = = 2,734×10^-5; рН = -log[H⁺] = -log(2,734×10^-5) = 4,56

Раствор полученного буфера имеет значение рН = 4,56

Когда надо дополнительно рассчитать титр или иную концентрацию веществ в растворе буфера, полученного смешением, то учитывают весь объем нового раствора путем суммирования исходных объемов.

Вместо количества вещества в расчетах можно использовать и значение молярной концентрации, однако это не всегда удобно, так как при смешении растворов значения концентраций компонентов необходимо пересчитывать по формулам разведения, тогда как количество вещества остается величиной постоянной.

Задание 6. Расчет рН для буферов.

6.1. Смешали 150 мл 5М азотистой кислоты (К_д(HNO₂) = 5,1×10^-4) и 200 мл 3М раствора нитрита калия. Определите значение pH среды.

6.2. Определите рН среды, если к 75мл 2,5М раствора NH₄OH добавить 5,885 г соли NH₄Br. (К_д(NH₄OH) =1,74×10^-5)

6.3. К 120мл 1,5М раствора ацетата натрия добавили 240мл раствора уксусной кислоты с w = 15,4% и r = 1,02г/мл. Определите рН и титр соли такого раствора (К_д(CH₃COOН) = 1,76×10^-5).

6.4. Смешали 185мл 5,2М азотистой кислоты (К_д (HNO₂) = 5,1×10^-4) и 255мл 2,8М раствора нитрита калия. Определите значение pH среды. Как называется такой раствор?

6.5. В 200мл молочной кислоты с концентрацией 1,54М растворили 20г лактата натрия (CH₃CH(OH)СOONа). Определите рН и титр кислоты в растворе. (К_д(CH₃CH(OH)СOOH) = 1,5×10^-4).

6.6. К 20мл 3М раствора ацетата натрия добавили 40мл раствора уксусной кислоты с w = 15,4% и r = 1,02г/мл. Определите рН такого раствора (К_д(CH₃COOН) = 1,76×10^-5).

6.7. В 450мл 4,5М раствора пропионовой кислоты растворили 2,64 г пропианата калия. Определите рН и титр кислоты в этом растворе. (К_д(CH₃CH₂COOН) = 1,3×10^-5).

6.8. В 100мл раствора муравьиной кислоты с концентрацией 2,5М растворили 10г формиата натрия. Определите рН полученного раствора. (К_д(HCOOH) = 1,76×10^-4)

6.9. Вычислите рН раствора, содержащего в 150мл 3,75 г NH₄OH и 1,4г хлорида аммония. Чему равен титр гидроксида аммония такого раствора? (К_д(NH₄OH) =1,74×10^-5).

6.10. Cмешали 100мл 2М раствора NH₄Cl и 200мл 3М NH₄OH. Определите рН среды (К_д(NH₄OH) =1,74×10^-5).

6.11. Смешали 300 мл 6М дихлоруксусной кислоты и 250 мл натриевой соли дихлоруксусной кислоты (СНCl₂COONа) с концентрацией 4,5М. Чему равно рН полученного раствора. Как называется такой раствор? (К_д(СНCl₂COOH) = 5,0×10^-2).

6.12. Чему будет равно рН, если в растворе циановой кислоты объемом 350мл и с концентрацией 3,2М, растворить 0,8 г цианата калия (К_д(HСОN) =2,7×10^-4).

6.13. В 200 мл раствора буфера, с концентрацией гидроксида аммония 2,5М растворили 17,12 г соли NH₄Cl. Рассчитайте значение рН и титр NH₄OH в этом буфере. (К_д(NH₄OH) =1,74×10^-5).

6.14. Определите рН среды, если к 50мл 2М раствора NH₄OH добавить 40мл 1,5М раствора NH₄Br. Вычислите титр соли в этом растворе. (К_д(NH₄OH) =1,74×10^-5)

6.15. К 10мл 2,5М раствора ацетата натрия добавили 40мл раствора уксусной кислоты с концентрацией 1,25М. Определите рН и титр соли такого раствора (К_д(CH₃COOН) = 1,74×10^-5).

6.16. В 250 мл муравьиной кислоты с титром 0,0956 г/мл растворили 18 г формиата натрия. Определите рН и концентрацию кислоты (г/л) в этом растворе. (К_д(HCOOH) = 1,76×10^-4).

6.17. Определите рН ацетатного буфера, если к 160мл уксусной кислоты (r= 1,025г/мл, w = 39,18%) добавить 36,9 г ацетата натрия. Чему равен титр уксусной кислоты в этом растворе?

6.18. Определите рН и молярную концентрацию соли в растворе буфера NH₄OH - NH₄Cl, если концентрация NH₄OH составляет 0,295М, а титр Т(NH₄Cl) = 0,00845 г/мл, объем буфера равен 850 мл. (Кд(NH₄OH) =1,76^.10^-5).