Выбор буферной системы для поддержания pH

Буферный раствор - смесь компонентов протолитической пары слабых протолитов. При добавлении небольших количеств сильной кислоты или основания, а так же при разбавлении рН таких растворов почти не меняется.

Для таких систем верно равенство:

kobuf.png

Расчёт буферной ёмкости - т.е. способности раствора сохранять постоянную концентрацию определённых ионов, в данном случае H+.

Буферная ёмкость по кислоте:

bufernaya_yomkost_kisloty.png

Буферная ёмкость по основанию:

bufernaya_yomkost_osnovaniya.png

Буферная ёмкость:

buf_yomkost_raschyot.png

Задача №1:

Какой состав карбонатного буферного раствора способен обеспечить постоянство pH 10,00 ± 0,05 при добавлении к 200,0 мл этого раствора 0,0050 моль сильного основания или кислоты? Для H2CO3 pKa,1 = 6,35; pKa,2 = 10,32.

Дано:

Vбуф = 200,0 мл
pKa,1 (H2CO3) = 6,35
pKa,2 (H2CO3) = 10,32
nк-ты/осн = 0,0050 моль
pH = 10,00
ΔpH = ± 0,05
Состав буферного раствора - ?

Решение:

Рассчитаем буферную ёмкость необходимую для поддержания pH в указанных пределах:

buf_rasch_1.png

Учитывая что при pH = 10,00 буферный раствор имеет состав HCO3- + CO32-, рассчитаем Сбуф:

buf_rasch_2.png

Выразим Сбуф

buf_rasch_3.png

Обратим внимание при расчёте, что нам даны показатели величин, для пересчёта необходимо возвести 10 в степень минус показатель величины!

Воспользуемся формулой для вычисления pH буферного раствора:

buf_rasch_4.png

Выразив из уравнения отношение концентраций кислоты и основания:

buf_rasch_5.png

buf_rasch_6.png

Рассчитаем из выражения концентрацию бикарбонат-иона, приняв во внимание, что Cбуф = CCO32- + CHCO3- и приняв за X - [HCO3-].

buf_rasch_7.png

По итогу расчётов x = 0,6709 M = CHCO3-

CCO32- = Cбуф - CHCO3- = 0,9920 - 0,6709 = 0,3211 M

Ответ: CHCO3- = 0,6709 M; CCO32- = 0,3211 M.

Задача №2:

Сколько граммов твёрдого гидрооксида натрия необходимо добавить к 100,0 мл 0,1000 М раствора NH4Cl, чтобы полученный раствор имел pH = 9,75. Чему равна буферная ёмкость этого раствора?

Дано:

Vбуф = 100,0 мл
СNH4Cl = 0,1000 М
pH = 9,75
β; mNaOH - ?

Решение:

Выпишем из справочника необходимые данные:

pKa,NH3 = 9,25

MNaOH = 39,992 г/моль

При решении изменение объёма не учитываем, тогда:

buf_rasch_8.png

buf_rasch_9.png

buf_rasch_10.png

Согласно уравнению хлорид аммония реагирует с щёлочью, как 1 к 1:

NH4+ + OH- = NH3 + H2O

Приняв количество основания за Х и с учётом расхода кислоты-NH4+ на реакцию:

buf_rasch_11.png

x = 0,007596 моль = nNaOH

mNaOH = nNaOH * MNaOH = 0,007596 * 39,992 = 0,3038 г

Далее рассчитаем буферную ёмкость полученного раствора по формуле:

buf_rasch_12.png

где

buf_rasch_13.png

buf_rasch_14.png

Ответ: mNaOH = 0,3038 г; β = 0,04