Буферные растворы

Растворы слабых кислот или оснований в присутствии их солей проявляют буферное действие: рН таких растворов мало изменяется при разбавлении и добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи.

Для вычисления концентрации водородных ионов в буферных растворах применимы уравнения (1.88) и (1.91). рН буферного раствора, содержащего слабую кислоту и ее соль, будет равен

(1.107)

Для рН буферной смеси, состоящей из слабого основания и его соли, имеем следующее выражение:

(1.108)

Если буферная смесь состоит из средней соли (М₂А) и кислой соли (МНА) двухосновной кислоты, то

(1.109)

где и - концентрации солей М₂А и МНА, - показатель константы диссоциации кислоты Н₂А по второй ступени.

Если буферная смесь образована кислыми солями (М₂НА, МН₂А) трехосновной кислоты, то для расчета рН применимо уравнение

(1.110)

Буферное действие характеризуется буферной емкостью (π). Буферная емкость измеряется количеством сильного основания (b) или кислоты (а), которое необходимо добавить к данному раствору, чтобы изменить рН на единицу.

	(1.111)
	(1.112)

В области максимального буферного действия буферная емкость раствора, содержащего слабую кислоту (НА) и ее соль (МА), выражается уравнением

(1.113)

С_А - общая концентрация раствора (С_А = [НА] + [A^-). Максимальное значение буферная емкость при данной концентрации С _А имеет при [Н⁺] = K _а.

(1.114)

Достаточное буферное действие проявляется в интервале

pH=pKa±1

(1.115)

При определении буферной емкости раствора, состоящего из слабого основания и его соли, в формулу (1.113) вместо К_а вводится константа сопряженной кислоты в соответствии с равенством (1.77).

Пример 26. К 15 мл 0.03 М раствора муравьиной кислоты прибавлено 12 мл 0.15 М раствора формиата калия. Вычислить рН этой смеси.

Решение. Найдем концентрацию кислоты и ее аниона после смешения двух растворов:

Подставляя эти значения в уравнение (1.88), най­дем

pH = 4.43

Эту задачу можно решить более просто, если концентрацию кислоты и соли выразить в миллимолях (мМ), учитывая, что объем раствора после разбавления входит в числитель и знаменатель данного выражения.

Подставляя эти значения в выражения для рН, получим

Пример 27. Смешано 10 мл 0.3 М раствора НС1 и 20 мл 0.2 М раствора аммиака. Определить рН полученного раствора.

Решение. В данном примере буферная смесь образовалась в результате реакции

Концентрация соли NH₄C1 (C _B+) равна взятой концентрации НСl с учетом разбавления раствора

Концентрацию NH₃ (С_BOH) находим по разности между начальной концентрацией (с учетом разбавления) и концентрацией НС1

Подставляя эти значения в уравнение (1.91), найдем [OH^-]:

Если выразить концентрацию НС1 и NH₃ в мМ, то решение можно провести следующим образом:

Пример 28. К 20 мл 0.2 М раствора гидрофосфата калия добавлено 10 мл 0.25 М раствора НСl. Определить рН полученного раствора.

Решение. При смешении данных растворов про­исходит следующая реакция:

К₂НРО₄ + НС1 = КН₂РО₄ + КС1.

В результате образовалась буферная смесь, состоящая из КН₂РО₄ и К₂НРО₄. Концентрации анионов Н₂РО₄^- и НРО₄^2- равны

[Н₂РО₄^-] = 10×0.25 2.5 мМ; [НРО₄^2-] = 20×0.2 - 10×0.25 = 1.5 мМ.

используя уравнение (1.110), находим рН

Пример 29. Сколько г ацетата натрия надо добавить к 200 мл 0.2 М раствора НСl, чтобы рН = 4.5?

Решение. Напишем уравнение реакции

CH₃COONa + HC1 = СН₃СООН + NaCl.

В результате данной реакции образовалась уксусная кислота, концентрация которой равна концентрации НС1 (С _НА = 0.2). Равновесная концентрация анионов СН₃СОО^- определяется по разности между начальной концентрацией соли (х), и концентрацией НС1

Подставляем данные значения в уравнение (1.107) и находим х

Количество CH₃COONa в г на 200 мл (В) равно

Пример 30. Вычислить буферную емкость раствора, состоящего из 1.140 М СН₃СООН и 0.205 М CH₃COONa, рН = 4.

Решение. Находим общую концентрацию компонентов

С _А = 1.140 + 0.205 = 1.345 М.

Подставив в формулу (1.113), получим:

Пример 31. Буферный раствор, приготовленный из раствора аммиака и хлорида аммония, имеет рН = 10. Вычислить буферную емкость этого раствора, если общая концентрация С_А= 0.336 М.

Решение. Константа диссоциации сопряженной кислоты согласно реакции

равна