Рассмотрите действие формиатного буфера напишите уравнения реакций (3 видео)

Рассмотрим механизм действия буферных растворов.

Если к 1 л смеси CH₃COOH и CH₃COONa с концентрациями 0,1 М, прибавить 0,01 моль HCl, протекает реакция:

CH₃COONa + HCl → CH₃COOH + NaCl.

В результате качественный состав буферной смеси практически не изменяется. Концентрация ионов H + в растворе сильно не увеличится, так как они будут связываться ионами CH₃COO — соли в недиссоциированные молекулы слабой кислоты CH₃COOH, при этом рН раствора понизится с 4,73 до 4,64, то есть разница составит 0,09 единиц: рН=4,76−lg(0,11/0,09)= 4,64. Если 0,01 моль HCl прибавить к 1 л чистой воды, произойдет понижение рН от 7 до 2, то есть разница составит 5 единиц.

Если к 1 л ацетатной буферной смеси прибавить 0,01 моль NaOH, то протекает реакция: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + Н₂О.

Ионы OH — щелочи будут связываться ионами H + уксусной кислоты. И в этом случае рН раствора изменится мало – повысится с 4,73 до 4,82 единиц: рН=4,76−lg(0,09/0,11)= 4,84. Прибавление 0,01 моль NaOH к 1 л чистой воды повышает рН от 7 до 12, то есть разница составляет 5 единиц.

Если к 1 л 0,1 М раствора HCl прибавить 0,01 моль NaOH, то концентрация ионов H + понизится до величины 0,1-0,01=0,09 моль/л, а рН раствора повысится с 1 до 1,05, то есть разница составит 0,05 единиц.

Не происходит заметного изменения рН и при разбавлении буферных растворов водой.

Пример. Рассчитать, как изменится рН смеси, состоящей из CH₃COOH и CH₃COONa и содержащей по 0,1 моль каждого из веществ: а) при разбавлении смеси водой в 100 раз; б) при увеличении концентрации CH₃COOH в 10 раз; в) при увеличении концентрации CH₃COONa в 10 раз.

Решение. рН ацетатного буфера рассчитывается по формуле

а) при разбавлении раствора в 100 раз: рН=4,76−lg(0,001/0,001)= 4,76;

б) концентрация кислоты стала 1 моль/л: рН=4,76−lg(1/0,1)= 3,76;

в) концентрация соли стала 1 моль/л: рН=4,76−lg(0,1/ 1)= 5,76.

В химическом анализе используется большой набор буферных смесей, позволяющих поддерживать рН в необходимых пределах. Состав и характеристики наиболее часто встречающихся буферных растворов приведены в таблице:

Название смеси	Состав буферной смеси	Рабочая область рН
Названия веществ	Формулы
Формиатная	Муравьиная кислота и формиат натрия	HCOOH HCOONa	2,7-4,7
Бензоатная	Бензойная кислота и бензоат натрия	C₆H₅COOH C₆H₅COONa	3,2-5,2
Ацетатная	Уксусная кислота и ацетат натрия	CH₃COOH CH₃COONa	3,7-5,7
Фосфатная	Дигидрофосфат натрия и гидрофосфат натрия	NaH₂PO₄ NaHPO₄	5,8-7,8
Аммиачная	Гидроксид аммония и хлорид аммония	NH₄OH NH₄Cl	8,2-10,2

Методики приготовления буферных растворов с различными значениями рН приведены в справочнике по аналитической химии.

Контрольные вопросы

1. Какие растворы называются буферными?

2. Рабочая область рН буферного раствора.

3. Буферная емкость.

4. Типы буферных растворов.

5. Формулы для расчета рН кислотной и щелочной буферных смесей.

6. Какое значение имеют буферные растворы в химическом анализе?

Список рекомендуемой литературы

1. Васильев В.П. Аналитическая химия. Кн. 1. Титриметрические и гравиметрический методы анализа. — М.: Дрофа, 2005. — С. 112 – 117.

2. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика): учебник для вузов. В 2 кн. Кн. 2. Количественный анализ. Физико-химические (инструментальные) методы анализа. – М.: Высшая школа, 2001. – С.106 — 108.

3. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. — М.: Химия, 1989. – С. 267 — 275.

Содержание

Значение рН различных систем
Вычисление концентраций кислоты и соли для получения буферной смеси
Получение буферной системы
Формиатный буферный раствор
📺 Видео

Видео:Буферные системы, ацидоз и алкалоз, ур-ие Гендерсона-Гассельбаха (Атриум и Учим химию)Скачать

Значение рН различных систем

Среды организма	рН
Сыворотка крови	7,36-7,44
Чистый желудочный сок	0,9
Сок поджелудочной железы	7,5-7,8
Желчь в протоках	7,4-8,5
Желчь в пузыре	5,4-6,9
Моча	4,8-7,5
Молоко	6,6-6,9
Дистиллированная вода, находящаяся в равновесии с воздухом	5,5
Морская вода	8,0
Свежий яичный белок	8,0

Значение рН, благоприятные для развития патогенных бактерий

Вид бактерий	рН
Стафилококки	7,4
Стрептококки	7,4-76
Пневмококки	7,6-7,8
Менингококки	7,4-7,6
Гонококки	7,0-7,4

В организме человека присутствуют различные буферные системы. Из них наиболее важными являются: гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая.

Гидрокарбонатная система образована оксидом углерода (IV) (как кислота) и гидрокарбонат-ионом (как сопряженное основание). Для гидрокарбонатного буфера рН рассчитывают по формуле:

Это уравнение носит название уравнения Гендерсона-Гассельбаха. Значение рК для данного уравнения отличается от справочной величины рК_а для Н₂СО₃, и равно 6,1.

С учетом коэффициента растворимости СО₂ получим другую форму уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

, где

— парциальное давление СО₂.

В организме протекает обратимая реакция:

СО₂ + Н₂О « Н₂СО₃ « Н + + НСО

Она ускоряется ферментом карбоангидразой. Изменение концентрации любой составной части этого буфера приводит к смещению равновесия и соотношение концентраций остается постоянным. Буферная емкость гидрокарбонатного буфера по кислоте значительно выше, чем буферная емкость по основанию. Поэтому главное назначение этого буфера в нейтрализации кислот.

Гидрокарбонатный буфер является основной буферной системой плазмы крови и является системой быстрого реагирования, т.к. продукт его взаимодействия с кислотами – СО₂ быстро выводится через легкие. Гидрокарбонатный буфер также содержится в эритроцитах, почечной ткани и интерстициальной жидкости.

Гемоглобиновая буферная система представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином – и сопряженными им основаниями, соответственно гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:

HHbO₂ « H + + HbO

Гемоглобиновый буфер является буферной системой эритроцитов. Оксигемоглобин – более сильная кислота (рК_а=6,95), чем гемоглобин (рК_а=8,20). Поэтому присоединение кислорода к гемоглобину понижает рН крови. С другой стороны, при отдаче кислорода в тканях рН крови вновь возрастает.

Фосфатная буферная система функционирует в основном в плазме. Она представлена ионами Н₂РО (кислота) и НРО (основание). Фосфатная буферная система более консервативна, т.к. избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки.

В организме также функционируют:

· белковая или протеиновая;

· аммиачная (в почках) буферные системы.

Разбор типовых задач

1. Вычислите рН фосфатного буфера, составленного 100 мл 0,1 М КН₂РО₄ и 50 мл 0,15 М К₂НРО₄.

Решение: Расчет рН фосфатного буфера проводим по формуле:

Значение = 6,8 (берем из справочника).

Так как концентрация вещества пропорциональна количеству вещества:

то в формулу подставим количества вещества КН₂РО₄ и К₂НРО₄.

2. При смешении 10 мл 0,1 М формиата натрия с 5 мл 0,05 М раствора НС1 был получен формиатный буфер. Рассчитайте значение рН этого раствора.

Решение: При смешении этих растворов протекает реакция:

HCOONa + HCl = HCOOH + NaCl

Из расчета количества вещества видно, что HCOONa в избытке.

n_HCOONa = 0,01×0,1 = 0,001 моль

n_НС1 = 0,005×0,05 = 0,00025 моль

После реакции формиата натрия останется:

n_HCOONa = 0,001 — 0,00025 = 0,00075 моль

Вместе с образовавшейся муравьиной кислотой формиат натрия образует формиатный буфер n_HCOO_Н = n_НС1 = 0,00025 моль.

Расчет рН ведем по формуле:

Здесь учли, что рК_НСООН = 3,75.

3. Как изменится рН фосфатного буфера, содержащего 100 мл дигидрофосфата калия и 300 мл раствора гидрофосфата калия (концентрации исходных растворов равны по 0,1 моль/л), при добавлении к нему 20 мл раствора NaOH с концентрацией 0,1 моль/л?

Решение: Сначала рассчитаем значение рН исходного раствора:

При добавлении NaOH с ним в первую очередь взаимодействует КН₂РО₄ по схеме:

Часть дигидрофосфата переходит в гидрофосфат.

= 0,1×0,1 = 0,01 моль; = 0,02×0,1 = 0,002 моль

После реакции дигидрофосфата калия останется:

= 0,01 — 0,002 = 0,008 моль

Общее количество гидрофосфата станет:

= 0,3 × 0,1 + 0,002 = 0,032 моль

Рассчитаем рН полученного раствора:

Изменение рН составит:

4. В каком мольном соотношении надо смешать аммиак и хлорид аммония, чтобы получить буферный раствор с рН = 9,0, если рК =4,75?

Решение: Расчет рН аммонийного буфера проводят по формуле:

Подставляя значения рН и рК получим:

Следовательно, мольное соотношение NH₄Cl к NH₃ должно быть:

n : n ® 1,78 : 1

5. К 100 мл крови для изменения рН от 7,36 до 7,00 надо дабавить 3,6 мл соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/л. Какова буферная емкость крови по кислоте?

Решение: Расчет буферной емкости по кислоте проводят по формуле:

Лабораторная работа

Задание 1. Приготовление буферного раствора.

В три пробирки внесите 0,1 М растворы СН₃СООН и СН₃СООNa в соотношении (по объему): 9:1, 5:5 и 1:9. Каждый приготовленный раствор хорошо перемешать. Во все три пробирки прибавьте по 3 капли индикатора метилового оранжевого или метилового красного. Сравните и запишите окраску растворов. По известной формуле рассчитайте значения рН во всех трех растворах. В каких пределах изменилось значение рН?

Задание 2. Влияние разбавления на рН буферных растворов.

Приготовьте 3 раствора ацетатного буфера в соотношении 9:1, 5:5 и 1:9 как в предыдущем опыте. Затем в 3 чистые пробирки отберите по 2 мл приготовленных буферных растворов и добавьте в каждую из них по 8 мл дистиллированной воды. Растворы хорошо перемешайте. Во вновь приготовленные растворы (с разбавлением) добавьте по 3 капли индикатора метилового красного как и в первом случае. Сравните окраски растворов между собой и с первыми тремя пробирками. Сделайте заключение по окраске содержимого пробирок. С учетом разбавления исходных растворов вновь рассчитайте значения рН полученных растворов. Результаты наблюдений и расчетов внесите в таблицу по форме и сделайте выводы.

Номера пробирок

Соотношение кислота : соль в буферном растворе

Окраска растворов после добавления индикатора

Расчетное значение рН

Задание 3. Определение буферной емкости по кислоте и по щелочи.

В конической колбе приготовьте буферный раствор, смешав 10 мл 0,1 М СН₃СООН и 10 мл 0,1 М раствора СН₃СООNa. В другой колбе приготовьте раствор – свидетель, смешивая 18 мл 0,1 М СН₃СООН и 2 мл 0,1 М СН₃СООNa.

В обе колбы внесите по 3 капли раствора метилового оранжевого. Сравните окраску растворов. Затем содержимое первой колбы титруйте из бюретки 0,1 М раствором НС1 до получения одинаковой окраски с раствором – свидетелем. Запишите затраченный объем раствора НС1 и рассчитайте по известной формуле буферную емкость ацетатного буфера. Значение рН содержимого 1 и 2 колб берите из расчетных величин 2 и 3 пробирок (см. табл. из пред. задания). Бюретку с 0,1 М раствором НС1 надо приготовить соблюдая правила ацидометрии параллельно с приготовлением содержимого 1 и 2 колб.

Для определения емкости ацетатного буфера по щелочи надо приготовить колбу с содержанием 10 мл 0,1 М СН₃СООН и 10 мл 0,1 М СН₃СООNa и раствор – свидетель (другая колба), содержащий 18 мл 0,1 М СН₃СООNa и 2 мл 0,1 М СН₃СООН. После добавления 3 капель раствора метилового оранжевого в каждую колбу, содержимое 1-ой колбы титруйте из бюретки 0,1 М раствором NaOH до одинаковой окраски с раствором – свидетелем. Записав объем затраченного раствора NaOH рассчитайте буферную емкость по щелочи. Значения рН содержимого 1-ой и 2-ой колб берите из расчетных величин 2 и 1 пробирок (см. табл. из пред. задания). Бюретку с 0,1 М раствором NaOH надо приготовить соблюдая правила алкалиметрии параллельно с приготовлением содержимого 1-ой и 2-ой колб.

Сравните буферную емкость ацетатного буфера по кислоте и по щелочи. Сделайте выводы.

Видео:Буферные растворы. 1 часть. 11 класс.Скачать

Вычисление концентраций кислоты и соли для получения буферной смеси

Видео:pH и буферные растворы | Медицинская химия | МедвузаСкачать

Получение буферной системы

Задача 45.
Вычислите, в каком соотношении надо смешать ацетат натрия и уксусную кислоту, чтобы получить буферный раствор с рН = 5,00.
Решение:
K_D(CH₃COOH) = 1,78 · 10 –5 .
Зная рН раствора можно рассчитать концентрацию ионов водорода Н+, получим:

рН = 5,00, [H + ] = 10 -5 = 10 -5 · 0,00 = 1 · 10 –5 моль/дм 3 .

Для буферных растворов, образованных слабой кислотой и солью этой кислоты, [Н + ] находят по формуле:

Из этого выражения вычислим, в каком соотношении надо смешать ацетат натрия (CH₃COONa) и уксусную кислоту (CH₃COOН), чтобы получить буферный раствор с рН = 5,00, получим:

Таким образом, для получения буферного раствора с рН = 5 надо смешать CH₃COOH и CH₃COONa в отношении 1:1,8, т.е. на 1,0 частей CH₃COOH надо взять 1,8 частей CH₃COONa.

Формиатный буферный раствор

Задача 46.
Формиатный буферный раствор имеет рН = 5,50. Рассчитайте соотношение концентраций муравьиной кислоты и формиата натрия в этом растворе, если К_D = 1,77 · 10 –4 .
Решение:
K_D(НCOOH) = 1,77 · 10–4
рН = 5,50, [H + ] = 10 –5 ,50 = 10 –6 · 0,50 = 3,16 · 10 –6 моль/дм 3 . Из формулы примера [H + ] = К_D . Ск/Сс следует:

Таким образом, для получения буферного раствора с рН = 5,5 надо смешать НCOOH и НCOONa в отношении 0,018:1 = 1:55,5, т.е. на 1 часть НCOOH нужно взять примерно 55,5 частей НCOONa.

Задача 47
Вычислите рН раствора, полученного смешенного 38 см 3 6,2 Н. раствора уксусной кислоты и 2 см 3 2,0 Н. раствора ацетата натрия.
Решение:
Получается буферный раствор — смесь слабой кислоты и ее соли (анионов слабой кислоты):

рН = рК_а + lg[соли]/[кислоты])

С_M = С_Н/z, где z — число эквивалентности.

Для кислоты число эквивалентности (z) равно основности, для соли — числу катионов или анионов, умноженному на заряд соответствующего иона.
Уксусная кислота — одноосновная, поэтому z = 1.
В формулеле ацетата натрия имеется по 1 иону с единичным зарядом, поэтому для ацетата натрия z = 1.
Соответственно, для уксусной кислоты и ацетата натрия С_Н = С_М.

При смешивании растворов получен буферный раствор объемом 40 см 3 (38 + 2 = 40) = 0,04 дм 3 .

C_М(CH₃COONa) = [C_Н(CH₃COONa) . V(CH₃COONa)]/V(буф.) = (6,2 . 0,038)/0,04 = 5,89 М;
C_М(CH₃COOH) = [C_Н(CH₃COOH) . V(CH₃COOH)]/V(буф.) = (2 . 0,002)/0,04 = 0,10 М.

С_M(CH₃COONa, буф.) =C_Н(CH₃COOH) . V(CH₃COOH)]/V(буф.) = 6,2 . 0,019 /0,02 = 5,89 М;
С_M(CH₃COOH, буф.) = C_Н(CH₃COONa) . V(CH₃COONa)/V(буф.) = 2 . 0,001 / 0,02 = 0,1 М.