10 Лабораторная работа №10

Изучение свойств буферных растворов потенциометрическим методом (рН-метрия)

Цель работы: приготовление буферных растворов и изучение их свойств.

Оборудование и реактивы: штативы с пробирками, держатель для пробирок, индикаторы: фенолфталеин, метиловый оранжевый, лакмус, универсальная индикаторная бумага с цветной шкалой значений рН, рН-метр, 0,1М растворы уксусной кислоты, ацетата натрия, гидроксида аммония, хлорида аммония, гидроксида натрия и соляной кислоты.

10.1 Теоретические пояснения

Кислотно-основными буферными растворами называют растворы, рН которых не изменяется при разбавлении или добавлении небольших количеств сильной кислоты или сильного основания.

Буферный раствор состоит из растворенных в воде слабой кислоты и ее соли, например, СН₃СООН и СН₃ССОNa, или из слабого основания и его соли, например, NH₄OH и NH₄Cl.

Из слабых многоосновных кислот и их кислых солей также можно приготовить буферные системы, например, Н₃РО₄ – NaH₂PO₄ или NaH₂РО₄ – Na₂HPO₄.

Значения рН буферного раствора, состоящего из слабой кислоты и ее соли, рассчитывают по формуле (10.1):

рН= рК_НА - lg, (10.1)

где С_НА и С_ВА – молярные концентрации кислоты и соли соответственно в буферном растворе, моль/л;

К_НА – константа диссоциации кислоты;

;

.

Из уравнения (10.1) следует, что значения рН буферных растворов зависит только от отношения общих концентраций компонентов раствора и не зависит от разбавления (до определенных пределов). При изменении объема раствора концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз, а отношение концентраций не изменяется.

При условии С_НА= С_ВА отношение =1, и lg=0, то есть, рН= рК_НА.

В действительности рН буферного раствора при сильном разбавлении несколько изменяется. Дело в том, что для более точных расчетов в уравнение (10.1) нужно подставлять вместо концентраций активности, которые связаны с концентрациями через коэффициент активности:

a=fC.

Коэффициенты активности f для различных частиц будут изменяться с разбавлением по-разному, что приводит к неодинаковому изменению активностей.

Главное свойство буферных смесей – противостоять изменению рН при добавлении кислоты или щелочи. Это свойство называется буферным действием. Оно – результат наличия равновесия между водой и растворенными в ней слабой кислотой (слабым основанием) и солью. Так, буферное действие ацетатного буфера, приготовленного из уксусной кислоты и ацетата натрия, объясняется тем, что при добавлении щелочи ионы ОН^-- будут связываться катионами водорода кислоты с образованием воды:

CH₃COOH ⇆ H⁺ + CH₃COO ^–

H⁺ + OH ^- = H₂O.

При добавлении кислоты катионы водорода связываются ацетатными ионами, и образуется слабая, малодиссоциированная уксусная кислота:

H⁺ + CH₃COO ^- ⇆CH₃COOH.

Для буферных растворов, состоящих из слабого основания ВОН и его соли ВА, значение рН рассчитывают по формуле (10.2):

рН=14 - рК_ВОН + lg (10.2)

Буферное действие проявляется лишь при добавлении определенных количеств кислоты или щелочи. Количество вещества эквивалентов сильной кислоты (основания), выраженное, которое необходимо прибавить к одному литру буферной смеси, чтобы изменить ее рН на единицу, называется буферной емкостью по кислоте (по основанию). Буферная емкость измеряется в моль экв./л или в ммоль экв./л.

Буферная емкость зависит от природы и общих концентраций компонентов буферного раствора, а также от соотношения их концентраций. Чем больше концентрация компонентов буферного раствора и чем ближе к единице отношение (в случае кислых буферов) и (в случае основных буферов), тем больше буферная емкость. Буферная емкость максимальна, когда вышеприведенные отношения равны единице.

Пусть Б – буферная емкость, а и b – количество вещества эквивалентов соответственно кислоты и основания, тогда справедливы формулы (10.3) и (10.4):

(10.3)

, (10.4)

где – изменение рН при добавлении данного количества кислоты или основания;

C_н(К) и C_н(ОС.) – нормальные концентрации кислоты и основания соответственно, моль экв./л;

V_К, V_ОС., V_b – объемы кислоты, щелочи и буферного раствора соответственно, л;

1000 – коэффициент пересчета только для того случая, когда буферная емкость измеряется в ммоль экв./л.

Буферные растворы играют большую роль в технике и природе. При проведении многих технологических процессов рН среды поддерживается постоянной с помощью буферных систем. Постоянство рН в крови и тканях живых организмов достигается за счет буферного действия карбонатной (NaHCO₃ + H₂CO₃), отчасти фосфатной (NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄) и белковой буферных систем. Почвенные растворы также обладают буферным действием. В почвах широко распространена буферная система из угольной кислоты и бикарбоната кальция.

10.2 Методика проведения опытов

10.2.1 Опыт №1. Приготовление буферных растворов и определение их рН

Ацетатный буфер – это водный раствор уксусной кислоты и ацетата натрия, аммонийный буфер – водный раствор гидроксида аммония и хлорида аммония. В опыте предлагается приготовить по 40 мл двух буферных растворов путем смешивания равных объемов: а) 0,1М растворов уксусной кислоты и ацетата натрия; б) 0,1М растворов гидроксида аммония и хлорида аммония.

С помощью рН-метра определите значения рН полученных буферных растворов.

Пользуясь справочными данными для констант диссоциации и формулами (10.1) и (10.2), вычислите теоретические значения рН для приготовленных буферных растворов. Сопоставьте экспериментальные и теоретические значения рН.

10.2.2 Опыт №2. Влияние разбавления буферных смесей на значение рН

В стакан на 100 мл пипеткой отмерить 1 мл ацетатной буферной смеси. Разбавить содержимое стакана в 50 раз, прилив 49 мл воды. Аналогичным образом разбавить аммонийный буфер. Используя универсальный индикатор или рН-метр (для большей точности), определить, изменилась ли реакция среды после разбавления растворов.

10.2.3 Опыт №3. Определение буферной емкости

Возьмите оставшиеся неиспользованными объемы ацетатного и аммонийного буферного раствора (по 39 мл) и оттитруйте содержимое одного стаканчика 0,1н. раствором соляной кислоты, а другого – 0,1н. раствором гидроксида натрия до изменения рН на 0,3 – 0,5. Изменение рН устанавливается при помощи рН-метра.

Зафиксируйте объемы прибавленных растворов кислоты и щелочи. По формулам (10.3) и (10.4) вычислите буферные емкости ацетатной и аммонийной буферных смесей по кислоте и по основанию.

10.3 Примеры решения задач

Пример 1

Вычислить [Н⁺], [ОН^-] и рН раствора, образовавшегося в результате смешивания 30 мл 0,1М раствора уксусной кислоты СН₃СООН и 50 мл 0,3М раствора ацетата калия СН₃СООК.

Решение

Объем образовавшегося раствора V= 30+50=80 мл.

Концентрации уксусной кислоты и ацетата калия после смешивания:

[СН₃СООН] =моль/л,

[СН₃СООК] = моль/л.

Так как катионы водорода образуются только за счет диссоциации уксусной кислоты, а ацетат анионы также и за счет диссоциации ацетата калия, то, принимая за Х количество продиссоциировавшей кислоты, получим:

[СН₃СООН]_ост = (0,0375 – Х) моль/л;

[Н⁺]= Х моль/л;

[СН₃СОО^-] = (0,188+Х) моль/л.

Выражение для константы диссоциации уксусной кислоты:

Так как Х<< 0,0375 то его вкладом в сумму и разность предыдущего выражения можно пренебречь.

Тогда

Х = [H⁺] = 1,75·10^-5·0,0375 : 0,188= 3,5·10^-6 моль/л;

[OH^-] = 10^-14 : 3,5·10^-6 =2,9·10^-9 моль/л;

рН= -lg(3,5·10^-6) = 5,46.

Такой же результат может быть получен, если воспользоваться формулой (10.1)

рН = рК_НА - lg = - lg (1,74·10^-5) - lg = 4,76 – (-0,7) = 5,46.

Пример 2

Определить рН раствора, получившегося в результате смешения равных объемов 0,12М растворов СН₃СООН и СН₃СООК.

Решение

После смешения С_кис= С_соль= 0,12/2=0,06 моль/л

рН = рК_НА - lg = -lg(1,74·10^-5 ) - lg = 4,76 – lg1 = 4,76 - 0 = 4,76.

Пример 3

Сколько миллилитров 0,25М раствора ацетата калия СН₃СООК следует прибавить к 50 мл 1,0М раствора уксусной кислоты СН₃СООН, чтобы получить буферную систему с рН=3?

Решение

Воспользуемся формулой (10.1):

рН = рК_НА - lg;

lg = рК_НА – рН = 4,76 - 3=1,76;

= 10^1,76 = 57,5

Это означает, что после смешения в полученном растворе концентрация кислоты в 57,5 раза должна быть выше, чем концентрация соли. В растворе кислоты содержится 0,05·1,0=0,05 моль кислоты. Следовательно, количество вещества соли в этом растворе должно быть в 57,5 раза меньше, а именно 0,05:57,5=0,00087 моль.

Найдем объем 0,25М раствора ацетата калия:

V=0,00087/ 0,25 = 0,00348 л= 3,48 мл.

Пример 4

Буферная система, состоящая из дигидрофосфата калия КН₂РО₄ и гидрофосфата калия К₂НРО₄ приготовлена при мольном соотношении солей 16:1. Определить рН данного раствора.

Решение

В данном случае роль слабой кислоты играет анион Н₂РО₄^– (К₂= 6,2·10^-8 или рК = 7,2).

рН = рК_НА – lg,

рН = 7,2 – lg16= 6,0

Пример 5

Вычислить рН буферного раствора, содержащего 0,2 моль NH₄Cl и 0,2 моль NH₄ОН.

Решение

В соответствии с формулой (10.2),

рН=14 - рК_ВОН + lg.

Так как рК(NH₄ОН) = 4,755, то

рН= 14 - 4,755 + lg= 9,25.

10.4 Требования к уровню подготовки студентов

• Знать понятия: буферные растворы, буферное действие, буферная емкость.

• Знать от чего зависит буферная емкость, уметь ее рассчитывать.

• Уметь готовить буферные растворы с заданным значением рН, производить необходимые для этого расчеты.

• Иметь представление о значении буферных растворов в природе и технике.

10.5 Задания для самоконтроля

1. Что такое буферные растворы? На чем основано их буферное действие?

2. Какое применение находят буферные растворы в быту, технике и науке?

3. Из каких веществ готовят буферные растворы? Можно ли приготовить буферный раствор исходя только из двух солей? К какому классу относятся эти соли?

4. Почему рН буферных растворов не изменяется при разбавлении?

5. Не прибегая к эксперименту, определите рН ацетатного и аммонийного буферов, при условии, что в них концентрация соли равна концентрации кислоты (основания).

6. Можно ли приготовить буферный раствор, смешивая сильную кислоту с её солью с сильным основанием или сильное основание с его солью с сильной кислотой?

7. Можно ли, исходя из одних и тех же компонентов, приготовить буферные смеси с различными значениями рН в широком диапазоне? Ответ обоснуйте на основе математического анализа соответствующей формулы.

8. Вычислить рН и рОН буферной смеси, содержащей 0,1 моль/л гидроксида аммония и 0,01 моль/л нитрата аммония.

9. Определить рН буферной смеси, состоящей из 0,01М раствора муравьиной кислоты и 0,02М раствора формиата калия.

10. Сколько граммов формиата калия НСООК следует взять, чтобы при растворении в 25 мл 0,03М раствора муравьиной кислоты НСООН, получить смесь с рН=4,0?

11. Безводный ацетат калия массой 4,9 г растворили в 250 мл 0,2н. раствора уксусной кислоты. Определить рН раствора.

12. Сколько граммов хлорида аммония нужно растворить в 20 мл 0,5М раствора гидроксида аммония, чтобы получить концентрацию гидроксид-ионов 5·10^-4 моль/л.

13. Рассчитать рН буферного раствора, содержащего в 0,5 л 30 г уксусной кислоты и 41,0 г ацетата натрия.

14. Рассчитать рН и рОН раствора, если к 1,0 литру воды прибавить 11,5 г муравьиной кислоты и 10,5 г формиата калия.

15. К 100 мл аммонийной буферной смеси добавили 400 мл воды. Найти величину рОН полученного раствора, если исходный раствор имел рН = 10,2?

16. Определить рН буферного раствора, содержащего 1,1 моль/л NH₄OH и 1,1моль/л NH₄Cl.

17. Определить рН буферного раствора, полученного при смешении 50мл 0,1М раствора дигидрофосфата калия КН₂РО₄ и 25 мл 0,2М раствора гидрофосфата калия К₂НРО₄.

10.6 Список рекомендуемой литературы

10.6.1 Коровин Н.В. Общая химия: Учебник для технических направ. и спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2009. – 557 с.

10.6.2 Л.М.Романцева, З.Л.Лещинская, В.А.Суханова. Сборник задач и упражнений по общей химии. – М.: Высш. шк., 1991. – С.138 – 140.