Расчет концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов в буферных растворах

Буферными растворами называют такие растворы, рН которых остается приблизительно постоянным при добавлении небольших количеств сильной кислоты или щелочи. Буферными свойствами обладают растворы, образованные:

- слабой кислотой и ее солью;

- слабым основанием и его солью;

- средней и кислой солями;

- двумя кислыми солями.

Во всех этих случаях при добавлении сильной кислоты или щелочи происходит смещение равновесия диссоциации соответствующего слабого электролита (кислоты или основания), в результате чего рН раствора почти не изменяется.

Рассмотрим буферный раствор, образованный слабой уксусной кислотой и ее солью ацетатом натрия (ацетатный буферный раствор). Запишем реакции диссоциации этих веществ:

C_к – х х х

CH₃COOH ↔ CH₃COO^– + H⁺

С_с С_с С_с

CH₃COONa → CH₃COO^– + Na⁺

Обозначим начальную концентрацию кислоты С_к. Если продиссоциировало х моль/л кислоты, то осталось (С_к – х) CH₃COOH и образовалось х моль/л CH₃COO^– и х моль/л H⁺. Если начальная концентрация соли C_с, то в результате ее полной диссоциации образуется столько же ионов CH₃COO^– и Na⁺. Запишем выражение константы диссоциации уксусной кислоты:

(21)

Выразим х:

(22)

Обычно, х<<С_с и х<<С_к, тогда (х + С_с) ≈ С_с, а (С_к– х) ≈ С_к. Тогда уравнение (22) примет следующий вид:

(23)

Задача 7

К V₁ (мл) C₁ молярного раствора одноосновной кислоты НА с константой диссоциации К добавили V₂ (мл) Сн₂ нормального раствора щелочи (таблица 13). Рассчитайте рН и степень диссоциации в исходном (1) и в полученном (2) растворах. Объясните изменение степени диссоциации кислоты.

Таблица 13 – Условие задачи 7

Разберем решение задачи на примере 1 варианта.

Рассчитаем рН и степень диссоциации в растворе чистой одноосновной кислоты (раствор 1). Запишем реакцию диссоциации кислоты:

0,044–х х х

HA ↔ H⁺ + A^–

Пусть продиссоциировало х моль/л кислоты НА, тогда осталось в (С₀ – х) или (0,044 – х) и образовалось х моль/л ионов Н⁺ и х моль/л ионов А^–. Подставим эти обозначения в константу диссоциации кислоты:

Решим это уравнение исходя из предположения, что х<<С₀ (20), тогда:

Степень диссоциации кислоты больше 0,1 %. Поэтому этот расчет необходимо повторить с использованием точного уравнения (18):

(моль/л).

Рассчитаем рН раствора и степень диссоциации кислоты:

Запишем уравнение реакции, протекающей в растворе 2:

HA + NaOH → NaA + H₂O

HA + Na⁺ + OH^– → Na⁺ + A^– + H₂O

HA + OH^– → A^– + H₂O.

Рассчитаем количества щелочи и кислоты, которые были взяты для реакции. Фактор эквивалентности NaOH равен 1, и его нормальная концентрация равна молярной концентрации:

n(NaOH) = 0,04 ∙ 0,036 = 0,001400 (моль);

n(HA) = 0,044 ∙ 0,037 = 0,001628 (моль).

Кислота взята в избытке, который равен:

n(HA)_изб = 0,001628 – 0,001400 = 0,0001880 (моль).

В результате реакции образовалась соль, количество которой будет равно количеству щелочи (n(NaA) = n(NaOH) = 0,001400 моль). В растворе протекают следующие реакции:

HA ↔ H⁺ + A^–

NaA → Na⁺ + A^–

Рассчитаем концентрации веществ, находящихся в растворе. Общий объем раствора равен: V_общ = 36 + 37 = 73 мл или 0,073 л.

(моль/л).

(моль/л).

Для расчета рН буферного раствора используем уравнение (23):

(моль/л).

По сравнению с исходным раствором НА степень диссоциации значительно уменьшилась (с 2,11 до 0,101 %), несмотря на то, что концентрация кислоты также уменьшается с 0,044 моль/л до 0,002575 моль/л (уменьшение концентрации, как известно, должно приводить к увеличению степени диссоциации). Это можно объяснить тем, что при добавлении щелочи в раствор кислоты образуется большой избыток ионов А^–, которые смещают равновесие диссоциации НА влево и уменьшают степень диссоциации.

Таблица 14 – Ответы к задаче 7

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: