|
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:
Cк – х х х
CH3COOH ↔ CH3COO– + H+
Сс Сс Сс
CH3COONa → CH3COO– + Na+
Обозначим начальную концентрацию кислоты Ск. Если продиссоциировало х моль/л кислоты, то осталось (Ск – х) CH3COOH и образовалось х моль/л CH3COO– и х моль/л H+. Если начальная концентрация соли Cс, 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<<Сс и х<<Ск, тогда (х + Сс) ≈ Сс, а (Ск– х) ≈ Ск. 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
№
| V1, мл
| C1,
моль/л
| К
| V2, мл
| Сн2,
моль экв/л
| №
| V1, мл
| C1,
моль/л
| К
| V2, мл
| Сн2,
моль экв/л
|
|
| 0,044
| 2,00∙10–5
|
| 0,040
|
|
| 0,134
| 2,60∙10–4
|
| 0,100
|
|
| 0,047
| 2,80∙10–5
|
| 0,042
|
|
| 0,137
| 2,68∙10–4
|
| 0,102
|
|
| 0,050
| 3,60∙10–5
|
| 0,044
|
|
| 0,140
| 2,76∙10–4
|
| 0,104
|
|
| 0,053
| 4,40∙10–5
|
| 0,046
|
|
| 0,143
| 2,84∙10–4
|
| 0,106
|
|
| 0,056
| 5,20∙10–5
|
| 0,048
|
|
| 0,146
| 2,92∙10–4
|
| 0,108
|
|
| 0,059
| 6,00∙10–5
|
| 0,050
|
|
| 0,149
| 3,00∙10–4
|
| 0,110
|
|
| 0,062
| 6,80∙10–5
|
| 0,052
|
|
| 0,152
| 3,08∙10–4
|
| 0,112
|
|
| 0,065
| 7,60∙10–5
|
| 0,054
|
|
| 0,155
| 3,16∙10–4
|
| 0,114
|
|
| 0,068
| 8,40∙10–5
|
| 0,056
|
|
| 0,158
| 3,24∙10–4
|
| 0,116
|
|
| 0,071
| 9,20∙10–5
|
| 0,058
|
|
| 0,161
| 3,32∙10–4
|
| 0,118
|
|
| 0,074
| 1,00∙10–4
|
| 0,060
|
|
| 0,164
| 3,40∙10–4
|
| 0,120
|
|
| 0,077
| 1,08∙10–4
|
| 0,062
|
|
| 0,167
| 3,48∙10–4
|
| 0,122
|
|
| 0,080
| 1,16∙10–4
|
| 0,064
|
|
| 0,170
| 3,56∙10–4
|
| 0,124
|
|
| 0,083
| 1,24∙10–4
|
| 0,066
|
|
| 0,173
| 3,64∙10–4
|
| 0,126
|
|
| 0,086
| 1,32∙10–4
|
| 0,068
|
|
| 0,176
| 3,72∙10–4
|
| 0,128
|
|
| 0,089
| 1,40∙10–4
|
| 0,070
|
|
| 0,179
| 3,80∙10–4
|
| 0,130
|
|
| 0,092
| 1,48∙10–4
|
| 0,072
|
|
| 0,182
| 3,88∙10–4
|
| 0,132
|
|
| 0,095
| 1,56∙10–4
|
| 0,074
|
|
| 0,185
| 3,96∙10–4
|
| 0,134
|
|
| 0,098
| 1,64∙10–4
|
| 0,076
|
|
| 0,188
| 4,04∙10–4
|
| 0,136
|
|
| 0,101
| 1,72∙10–4
|
| 0,078
|
|
| 0,191
| 4,12∙10–4
|
| 0,138
|
|
| 0,104
| 1,80∙10–4
|
| 0,080
|
|
| 0,194
| 4,20∙10–4
|
| 0,140
|
|
| 0,107
| 1,88∙10–4
|
| 0,082
|
|
| 0,197
| 4,28∙10–4
|
| 0,142
|
|
| 0,110
| 1,96∙10–4
|
| 0,084
|
|
| 0,200
| 4,36∙10–4
|
| 0,144
|
|
| 0,113
| 2,04∙10–4
|
| 0,086
|
|
| 0,203
| 4,44∙10–4
|
| 0,146
|
|
| 0,116
| 2,12∙10–4
|
| 0,088
|
|
| 0,206
| 4,52∙10–4
|
| 0,148
|
|
| 0,119
| 2,20∙10–4
|
| 0,090
|
|
| 0,209
| 4,60∙10–4
|
| 0,150
|
|
| 0,122
| 2,28∙10–4
|
| 0,092
|
|
| 0,212
| 4,68∙10–4
|
| 0,152
|
|
| 0,125
| 2,36∙10–4
|
| 0,094
|
|
| 0,215
| 4,76∙10–4
|
| 0,154
|
|
| 0,128
| 2,44∙10–4
|
| 0,096
|
|
| 0,218
| 4,84∙10–4
|
| 0,156
|
|
| 0,131
| 2,52∙10–4
|
| 0,098
|
|
| 0,221
| 4,92∙10–4
|
| 0,158
| 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: Vобщ = 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
№
| х
| α1, %
| рН1
| С(соли), моль/л
| Сизб(к-ты), моль/л
| С2(Н+), моль/л
| рН2
| α2, %
|
| 9,281∙10–4
| 2,11
| 3,0278
| 0,01973
| 2,575∙10–3
| 2,611∙10–6
| 5,5832
| 1,01∙10–1
|
| 1,133∙10–3
| 2,41
| 2,9404
| 0,02073
| 3,078∙10–3
| 4,158∙10–6
| 5,3811
| 1,35∙10–1
|
| 1,324∙10–3
| 2,65
| 2,8724
| 0,02173
| 3,580∙10–3
| 5,932∙10–6
| 5,2268
| 1,66∙10–1
|
| 1,505∙10–3
| 2,84
| 2,8161
| 0,02273
| 4,082∙10–3
| 7,903∙10–6
| 5,1022
| 1,94∙10–1
|
| 1,681∙10–3
| 3,00
| 2,7679
| 0,02373
| 4,584∙10–3
| 1,004∙10–5
| 4,9980
| 2,19∙10–1
|
| 1,852∙10–3
| 3,14
| 2,7255
| 0,02473
| 5,086∙10–3
| 1,234∙10–5
| 4,9087
| 2,43∙10–1
|
| 2,020∙10–3
| 3,26
| 2,6875
| 0,02573
| 5,588∙10–3
| 1,477∙10–5
| 4,8307
| 2,64∙10–1
|
| 2,185∙10–3
| 3,36
| 2,6531
| 0,02673
| 6,089∙10–3
| 1,731∙10–5
| 4,7617
| 2,84∙10–1
|
| 2,348∙10–3
| 3,45
| 2,6216
| 0,02773
| 6,590∙10–3
| 1,996∙10–5
| 4,6998
| 3,03∙10–1
|
| 2,510∙10–3
| 3,54
| 2,5925
| 0,02873
| 7,092∙10–3
| 2,271∙10–5
| 4,6439
| 3,20∙10–1
|
| 2,671∙10–3
| 3,61
| 2,5654
| 0,02973
| 7,593∙10–3
| 2,554∙10–5
| 4,5929
| 3,36∙10–1
|
| 2,830∙10–3
| 3,68
| 2,5400
| 0,03074
| 8,094∙10–3
| 2,844∙10–5
| 4,5460
| 3,51∙10–1
|
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2025 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|