bufory.pdf

(103 KB) Pobierz
bufory
8. ROZTWORY BUFOROWE
Wzór na pH buforu, b d cego mieszanin słabej zasady i jej soli z mocnym
kwasem, mona wyprowadzi analogicznie:
B + H 2 O ® BH + + OH -
Stała dysocjacji słabej zasady B wynosi:
Iwona ak, Paweł Niemiec
[
BH
+
][
OH
−
]
K
×
[
B
K z
=
[
OH
−
]
=
z
[
B
[
BH
+
]
Roztwory buforowe posiadaj zdolno buforowania, tzn. przeciwstawiania
si znacznym zmianom pH po dodaniu do nich niewielkich iloci mocnego kwasu
lub mocnej zasady.
Buforami s mieszaniny roztworów słabego kwasu i jego soli z mocn zasa-
d (np. CH 3 COOH i CH 3 COONa) lub słabej zasady i jej soli z mocnym kwasem
(np. NH 3 H 2 O i NH 4 Cl). Według teorii protonowej roztwory buforowe s układami
zawierajcymi sprzon par kwas-zasada. Przykładowo, w buforze octanowym
kwasem jest kwas octowy, zasad jony octanowe, natomiast w buforze amonowym
zasad jest amoniak a kwasem jony amoniowe. W buforze b d cym mieszanin
słabego kwasu i jego soli z mocn zasad kwas jest słabo zdysocjowany:
HA + H 2 O H 3 O + + A -
jego stała protolizy wyraa si wzorem:
[
OH
−
]
=
K
w
, co po podstawieniu daje
K
w
=
K
×
[
B
+
[
H
O
+
]
z
[
BH
]
[
H
O
]
+
3
3
st d:
K
×
[
BH
+
]
K
×
C
[
H
O
+
]
=
w
=
w
s
3
K
×
[
B
K
×
C
z
z
z
Podobnie jak w poprzednim przypadku, sól jest dobrze zdysocjowana i st-
enie [BH + ] równa si całkowitemu st eniu soli C s , natomiast [B] odpowiada st -
eniu słabej zasady C z , uytej do sporzdzenia buforu.
Po zlogarytmowaniu powy szego wzoru otrzymuje si :
C
pH
=
pK
−
pK
−
lg
s
lub:
[
H
O
+
][
A
−
]
w
z
C
K
=
3
z
k
[
HA
]
Sól natomiast jest dobrze zdysocjowana, dlatego stenie anionu [A - ] równa
si całkowitemu st eniu soli C s . St enie niezdysocjowanego kwasu [HA] równa
si praktycznie całkowitemu steniu kwasu C k , uytego do sporzdzenia buforu.
Stenie jonów wodorowych buforu złoonego ze słabego kwasu i jego soli wyraa
si równaniem:
pH
= −
14
pK
z
−
lg
C
C
s
z
= −
14
pK Ig C
C
z
+
z
s
Kady roztwór buforowy charakteryzuje si okrelonym zakresem pH.
W przypadku buforu octanowego (według Walpoe’a) zakres ten wynosi 3,48–6,04,
a w przypadku buforu amoniakalnego 7,96–10,52. Z podanych wczeniej wzorów
wynika, e pH roztworu buforowego zale y od pK kwasu (lub zasady) oraz od
stosunku st e soli do kwasu lub zasady. Dowodz tego nast puj ce przykłady:
[
H
O
+
]
=
K
×
[
HA
]
=
K
×
C
k
,
3
k
[
A
−
]
k
C
s
po zlogarytmowaniu otrzymuje si równanie Hendersona - Hasselbalcha:
pH pK
=
k
−
lg
C
C
k
s
=
pK Ig
k
+
C
C
s
k
PRZYKŁAD 1.
Jakie bdzie pH roztworu buforowego otrzymanego ze zmieszania 80 ml kwasu
octowego o steniu 0,2 mol/l i 20 ml octanu sodu o steniu 0,2 mol/l.
106
107
84291760.021.png 84291760.022.png 84291760.023.png 84291760.024.png 84291760.001.png 84291760.002.png 84291760.003.png 84291760.004.png 84291760.005.png 84291760.006.png 84291760.007.png 84291760.008.png
Rozwi zanie:
Naley obliczy stenie molowe kwasu i soli w roztworze buforowym:
Rozwi zanie:
0
2
mol
/
l
×
50
ml
[ 3
CH
COOH
]
=
=
0
mol/l
0
2
mol
/
l
×
80
ml
50
ml
+
50
ml
[ 3
COOH
]
=
=
0
16
mol
/
l
80
ml
+
20
ml
0
2
mol
/
l
×
50
ml
[ 3
CH
COONa
]
=
=
0
mol
/
l
0
2
mol
/
l
×
20
ml
50
ml
+
50
ml
[ 3
COONa
]
=
=
0
04
mol
/
l
80
ml
+
20
ml
to
K
=
1
86
10
−
5
pK COOH
CH 3
=
−
lg
K
=
4
73
CH
COOH
lub mona obliczy liczb moli kwasu i soli wprowadzon do roztworu:
liczba moli = C mol/l V l
3
pH
=
pK
+
lg
C
s
=
4
73
+
lg
1
=
4
73
k
C
CH 3 COOH = 0,2 mol/l 0,08 l = 0,016 mol
k
CH 3 COONa = 0,2 mol/l 0,02 l = 0,004 mol
Do obliczania pH roztworu mona wykorzysta zarówno stenie molowe
składników, jak i liczb ich moli, poniewa w obu przypadkach stosunek ich st e
pozostaje ten sam, czyli:
Odp . Gdy stosunek soli do kwasu wynosi 1:1, warto pH równa si wartoci pK k ,
czyli 4,73.
PRZYKŁAD 3.
Jakie bdzie pH roztworu buforowego otrzymanego ze zmieszania 20 ml kwasu
octowego o st eniu 0,2 mol/l z 80 ml octanu sodu o st eniu 0,2 mol/l.
0,16 mol/l/0,04 mol/l = 4, lub
0,016 mol / 0,004 mol = 4
Rozwi zanie:
K 3
=
1
86
×
10
−
5
CH
COOH
0
2
mol
/
l
×
20
ml
[ 3
COOH
]
=
=
0
04
mol
/
l
pK = -lgK = -lg 1,86 × 10 -5 = - [0,27 + (-5)] = - [0,27 – 5] = - (- 4,73) = 4,73
20
ml
+
80
ml
C
C
s
k
[ 3
COONa
]
=
0
2
mol
/
l
×
80
ml
=
0
16
mol
/
l
pH pK
=
+
lg
=
4 73
,
+
lg ( ,
0 04
mol l
/ / ,
0 16
mol l
/ )
=
k
80
ml
+
20
ml
=
4 73
−
lg ( ,
0 16
mol l
/ / ,
0 04
mol l
/ ) ,
=
4 73
−
lg
4 4 73 0 6 4 13
=
,
−
,
=
,
C
pH
=
pK
+
lg
s
=
4
73
+
lg(
0
16
/
0
04
)
=
4
73
+
0
=
5
33
k
C
Odp . Gdy stosunek soli do kwasu wynosi 1:4, warto pH buforu octanowego rów-
na si 4,13.
k
PRZYKŁAD 2.
Jakie bdzie pH roztworu buforowego otrzymanego ze zmieszania 50 ml kwasu
octowego o st eniu 0,2 mol/l z 50 ml octanu sodu o st eniu 0,2 mol/l.
Odp. Gdy stosunek soli do kwasu wynosi 4:1, warto pH buforu octanowego
równa si 5,33.
108
109
CH
CH
×
CH
CH
,
84291760.009.png 84291760.010.png
Siła jonowa roztworu ma wpływ na warto pH buforu, dlatego aby dokładnie
obliczy wartoci pH roztworu buforowego naley uwzgldni warto współ-
czynnika aktywno ci f , wówczas pH buforu oblicza si ze wzoru:
pH = pK k + lg ( f × C s /C k )
Podstawiamy do tego wzoru dane z przykładu 1, dla których warto f wy-
nosi 0,82. Warto współczynnika aktywnoci oblicza si ze wzoru:
PRZYKŁAD 4.
Jakie jest pH roztworu buforowego otrzymanego ze zmieszania 90 ml roztworu
amoniaku o steniu 0,2 mol/l z 10 ml roztworu chlorku amonu o steniu 0,2
mol/l.
Rozwi zanie:
z
2
A
[
NH
]
=
0
2
mol
/
l
×
90
ml
=
0
18
mol
/
l
log
f
=
−
i
,
3
90
ml
+
10
ml
1
+
gdzie:
f – współczynnik aktywnoci; C i – całkowite stenie molowe roztworu; z i – ładunek jo-
nu; A = 0,51 dla roztworów wodnych o temperaturze 25 o C, µ – siła jonowa roztworu.
[
NH
Cl
]
=
0
2
mol
/
l
×
10
ml
=
0
02
mol
/
l
4
90
ml
+
10
ml
K
=
1
75
×
10
−
5
,
pK
=
−
lg
K
=
4
75
NH
H
O
NH
NH
Warto siły jonowej oblicza si , korzystajc ze wzoru:
3
2
3
3
C
pH
=
pK
−
pK
+
lg
z
n
1
w
z
=
2
Cs
=
C
i z
×
= 0,5 (0,04 mol/l 1 2 + 0,04 mol/l 1 2 ) = 0,04
2
i
i
1
pK w =
14
1
2
×
0
51
0
04
0
102
0
18
mol
/
l
log
f
=
−
=
−
= 0,82
pH
=
14
−
4
75
+
lg
=
10
,
2
0
02
mol
/
l
1
+
0
04
1
2
uwzgl dniaj c warto współczynnika aktywno ci, pH tego buforu wynosi:
Odp . Gdy stosunek soli do zasady wynosi 1:9, warto pH buforu amonowego wy-
nosi 10,2.
pH = 4,73 + lg (0,82 0,04/0,16) = 4,73 + lg (0,205) = 4,73 – 0,69 = 4,04
Obliczona warto pH tego buforu, bez uwzgldnienia współczynnika
aktywno ci, wynosiła 4,13. W buforze tym ró nica wynikaj ca z oblicze jest sto-
sunkowo nieznaczna, rzdu 0,09 jednostki pH. W przypadku buforów bardziej
rozcieczonych rónica ta jest jeszcze mniejsza, wówczas warto współczynnika
aktywnoci w obliczaniu pH roztworu buforowego mona pomin. Bardzo due
ró nice dotycz buforów opartych na solach kwasów wieloprotonowych, np.
w buforze fosforanowym. W takich przypadkach, obliczajc warto pH zawsze
naley uwzgldnia współczynniki aktywnoci dla obu rodzajów jonów.
Przykłady oblicze pH roztworu buforowego, bdcego mieszanin słabej
zasady i jej soli przedstawiono poniej.
PRZYKŁAD 5.
Jakie jest pH roztworu buforowego otrzymanego ze zmieszania 50 ml roztworu
amoniaku o steniu 0,2 mol/l z 50 ml roztworu chlorku amonu o steniu 0,2
mol/l.
Rozwi zanie:
[
NH
]
=
[
NH
Cl
]
=
0
2
mol
/
l
×
50
ml
=
0
mol
/
l
3
4
50
ml
+
50
ml
pH
=
14
−
4
75
+
lg
0
mol
/
l
=
9
24
0
mol
/
l
110
111
×
84291760.011.png 84291760.012.png 84291760.013.png 84291760.014.png 84291760.015.png 84291760.016.png
Odp . Gdy stosunek soli do zasady wynosi 1:1, warto pH buforu amonowego wy-
nosi 9,24.
PRZYKŁAD 7.
Do 100 ml 0,2 M roztworu buforowego, bdcego mieszanin roztworu kwasu
octowego o steniu 0,16 mol/l i roztworu octanu sodu o steniu 0,04 mol/l doda-
no: a) 1 ml HCl o steniu 0,9 mol/l; b) 1 ml NaOH o steniu 0,9 mol/l. Oblicz
pojemno buforow roztworu wobec mocnego kwasu i mocnej zasady.
PRZYKŁAD 6.
Jakie jest pH roztworu buforowego otrzymanego ze zmieszania 10 ml roztworu
amoniaku o steniu 0,2 mol/l z 90 ml roztworu chlorku amonu o steniu 0,2
mol/l.
Rozwi zanie:
ad. a . W 1000 ml znajduje si 0,9 mola HCl, to w 1 ml znajdzie si:
1000 ml – 0,9 mola HCl
1 ml – 0,0009 mola HCl
Do 100 ml buforu dodano 0,0009 mola HCl.
Jeli dodany kwas lub zasad wyraamy liczb moli, to obliczajc pH po dodaniu
mocnego kwasu lub zasady do okre lonej obj to ci buforu, innej ni 1 litr, nale y
take stenia składników buforu wyrazi liczb moli.
W 100 ml buforu jest 0,004 mola CH 3 COONa i 0,016 mola CH 3 COOH; pH buforu
przed dodaniem do niego kwasu wynosi:
Rozwi zanie:
[
NH
]
=
0
2
mol
/
l
×
10
ml
=
0
02
mol
/
l
3
10
ml
+
90
ml
[
NH
Cl
]
=
0
2
mol
/
l
×
90
ml
=
0
18
mol
/
l
4
10
ml
+
90
ml
pH
=
14
−
4
75
−
lg
0
18
mol
/
l
=
8
29
0
02
mol
/
l
0
004
mola
pH
=
4
73
+
lg
=
4
13
Odp. Gdy stosunek soli do zasady wynosi 9:1, warto pH buforu amonowego wy-
nosi 8,29.
0
016
mola
po dodaniu do niego mocnego kwasu:
Pojemno buforowa ( b ) jest wielkoci charakteryzujc zdolno buforowa-
nia przez dany roztwór, czyli przeciwstawiania si zmianom pH po dodaniu do
roztworu mocnego kwasu lub zasady. Miar pojemnoci buforowej jest stosu-
nek liczby dodanych moli jonów H + lub OH - do zmiany pH w przeliczeniu na 1
litr roztworu buforowego:
pH
=
4
73
+
lg
0
004
mola
−
0
0009
mola
=
3
99
0
016
mola
+
0
0009
mola
pH = 4,13 – 3,99 = 0,14
b
=
dC
(
mol
/
)
Stenie molowe dodanego do roztworu buforowego mocnego kwasu, który spo-
wodował zmian pH wynosi 0,0089 mol/l, poniewa:
0,0009 mola – 101 ml
x – 1000 ml
D
pH
gdzie:
dC – stenie mocnego kwasu lub mocnej zasady (mol/l), które spowodowało zmian pH
roztworu buforowego; pH – zmiana wartoci pH roztworu buforowego.
x = 0,0089 mol/l
Pojemno buforowa przyjmuje tym wiksz warto, im wiksze jest ste-
nie buforu, natomiast maleje wraz z rozcie czaniem buforu. Bufory o tym samym
steniu maj najwiksz pojemno wówczas, gdy stosunek ich składników
sprzonej pary kwas – zasada jest równy jednoci.
Pojemno buforowa wynosi:
=
dC
=
0
0089
mol
/
l
=
0
064
D
pH
0
14
112
113
l
84291760.017.png 84291760.018.png
ad. b . St enie NaOH = 0,9 mol/l, dodano 1 ml, który zawiera 0,0009 mola NaOH.
1000 ml – 0,9 mola NaOH
1 ml – 0,0009 mola NaOH
pH buforu po dodaniu do niego zasady wynosi:
St enie molowe dodanego do roztworu buforowego mocnego kwasu wynosi
0,0089 mol/l.
Pojemno buforowa wynosi:
=
dC
=
0
0089
mol
/
l
=
0
11
D
pH
0
08
0
,
016
mola
−
0
,
0009
mola
pH
=
4
,
73
−
lg
=
4
24
ad. b . pH buforu po dodaniu zasady wyniesie:
0
,
004
mola
+
0
,
0009
mola
pH = 4,24 – 4,13 = 0,11
Stenie molowe dodanej do roztworu buforowego mocnej zasady wynosi 0,0089
mol/l.
Pojemno buforowa wynosi:
pH
=
4
73
+
lg
0
01
mola
+
0
0009
mola
=
4
81
0
01
mola
−
0
0009
mola
pH = 4,81 – 4,73 = 0,08
=
dC
=
0
0089
mol
/
l
=
0
081
Stenie molowe dodanej do roztworu buforowego mocnej zasady wynosi 0,0089
mol/l.
Pojemno buforowa wynosi:
D
pH
0
11
Odp . Bufor octanowy (0,2 M), w którym stosunek soli do kwasu wynosi 1:4, ma
nisz pojemno buforow wobec mocnego kwasu rzdu 0,064, a wysz
pojemno buforow wobec mocnej zasady rzdu 0,081.
=
dC
=
0
0089
mol
/
l
=
0
11
D
pH
0
08
PRZYKŁAD 8.
Do 100 ml 0,2M roztworu buforowego, b d cego mieszanin roztworu kwasu
octowego o steniu 0,1 mol/l i octanu sodu o steniu 0,1 mol/l dodano: a) 1 ml HCl
o steniu 0,9 mol/l; b) 1 ml NaOH o steniu 0,9 mol/l. Oblicz pojemno bufo-
row tego roztworu wobec mocnego kwasu i mocnej zasady.
Odp. Bufor octanowy, w którym stosunek soli do kwasu wynosi 1:1, ma jednako-
w pojemno buforow zarówno wobec mocnego kwasu, jak i mocnej za-
sady, której wielko jest rz du 0,11; b d c jednocze nie najwy sz z wszy-
stkich buforów octanowych.
PRZYKŁAD 9.
Do 100 ml 0,2 M roztworu buforowego, bdcego mieszanin roztworu kwasu
octowego o steniu 0,04 mol/l i roztworu octanu sodu o steniu 0,16 mol/l doda-
no: a) 1 ml HCl o st eniu 0,9 mol/l; b) 1 ml NaOH o st eniu 0,9 mol/l. Oblicz
pojemno buforow roztworu wobec mocnego kwasu i mocnej zasady.
Rozwi zanie:
W 100 ml buforu znajduje si 0,01 mola CH 3 COOH i 0,01 mola CH 3 COONa. Gdy
stosunek soli do kwasu wynosi 1:1, warto pH buforu przed dodaniem do niego
kwasu lub zasady jest równa wartoci pK k , czyli pH= 4,73
ad. a . pH buforu po dodaniu mocnego kwasu wyniesie:
Rozwi zanie:
W 100 ml 0,2 M buforu octanowego znajduje si 0,016 mola soli i 0,004 mola
kwasu, natomiast pH tego buforu o stosunku soli do kwasu 4:1 przed dodaniem
kwasu lub zasady wynosi:
pH
=
4
73
+
lg
0
01
mola
−
0
0009
mola
=
4
65
0
01
mola
+
0
0009
mola
pH = 4,73 – 4,65 = 0,08
114
115
,
84291760.019.png 84291760.020.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin