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.
Видео:pH и буферные растворы | Медицинская химия | МедвузаСкачать
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 рКа 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 (рКа=6,95), чем гемоглобин (рКа=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.
nHCOONa = 0,01×0,1 = 0,001 моль
nНС1 = 0,005×0,05 = 0,00025 моль
После реакции формиата натрия останется:
nHCOONa = 0,001 — 0,00025 = 0,00075 моль
Вместе с образовавшейся муравьиной кислотой формиат натрия образует формиатный буфер nHCOOН = nНС1 = 0,00025 моль.
Расчет рН ведем по формуле:
Здесь учли, что рКНСООН = 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 системы, ацидоз и алкалоз, ур-ие Гендерсона-Гассельбаха (Атриум и Учим химию)Скачать
Вычисление концентраций кислоты и соли для получения буферной смеси
Видео:Буферные растворы. 1 часть. 11 класс.Скачать
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:
KD(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 КD = 1,77 · 10 –4 .
Решение:
KD(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 + ] = КD . 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 = рКа + lg[соли]/[кислоты])
СM = СН/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 СН = СМ.
При смешивании растворов получен буферный раствор объемом 40 см 3 (38 + 2 = 40) = 0,04 дм 3 .
CМ(CH3COONa) = [CН(CH3COONa) . V(CH3COONa)]/V(буф.) = (6,2 . 0,038)/0,04 = 5,89 М;
CМ(CH3COOH) = [CН(CH3COOH) . V(CH3COOH)]/V(буф.) = (2 . 0,002)/0,04 = 0,10 М.
СM(CH3COONa, буф.) =CН(CH3COOH) . V(CH3COOH)]/V(буф.) = 6,2 . 0,019 /0,02 = 5,89 М;
СM(CH3COOH, буф.) = CН(CH3COONa) . V(CH3COONa)/V(буф.) = 2 . 0,001 / 0,02 = 0,1 М.
рКа (CH3COOH) = 4,76;
рН = 4,76 + lg(5,89/0,1) = 6,53.
Ответ: рН = 6,53.
📸 Видео
лекция 4 Протолитическая теория Буферные системы Решение задачСкачать
Расчёты pH буферных растворов (видео 5) | Буферные растворы | ХимияСкачать
Буферные растворы. 2 часть. 11 класс.Скачать
Буферные системыСкачать
Нормальная физиология | Регуляция кислотно-основного состояния крови. Буферные системы кровиСкачать
Буферная ёмкость (видео 7) | Буферные растворы | ХимияСкачать
Буферные растворы и уравнение Хендерсона-Хассельбаха (видео 4) | Буферные растворы | ХимияСкачать
Примеры решения задач на водородный показатель pH растворов. 11 класс.Скачать
Буферные растворыСкачать
Буферные растворы. Практическая часть. 11 класс.Скачать
Оптические свойства дисперсных системСкачать
Буферные системы. рНСкачать
Буферные системыСкачать
Химия 3.Буферные растворыСкачать
рН и буферы 22.10.22Скачать
Буферные системы крови I Медицинская химияСкачать