Файл: Расчеты рН для кислот, оснований и солей. Буферные растворы.docx

H₃O⁺ + A^-

A^- + H₂O HA + OH^-

Оба равновесия сильно сдвинуты влево, поскольку в растворе находятся достаточные количества как кислоты НА, так и основания A−. Константа первого равновесия является константой кислотности НА:

K_a =

отсюда

[H₃O^-] = K_а

Поскольку равновесия сдвинуты влево, в первом приближении можно считать, что [HA] ≈ C_к-ты, [A^-] ≈ С_осн, поэтому

[H₃O^-] = K_а , pH = pK_a + lg

К этому же выражению мы пришли бы исходя из второго равновесия. Заметим, что уравнение не меняется, если кислота заряжена, а сопряженное основание — нет, или если оба компонента несут заряд. В общем случае имеем

pH = pK_a + lg

При выводе уравнения (5.15) не учитываем ионы водорода, образовавшиеся в результате диссоциации воды, полагая, что автопротолиз подавлен в присутствии частиц НА и А^-.

Однако если кислота или основание диссоциированы в заметной степени, сделанные допущения могут оказаться неправомерными. В этом случае имеем С_к-ты ≠ [HA], [HA] = С_к-ты − [H⁺]; С_осн ≠ [A^-], [A^-] = С_осн − [OH^-], а если учесть автопротолиз воды, то получим

[HA] = C_к-ты – [H⁺] + [OH^-]

[A^-] = C_осн – [OH^-] + [H⁺]

Тогда в буферном растворе

[H⁺] = K_а

Свойства буферных растворов

Значение рН буферного раствора остается неизменным при разбавлении, поскольку отношение С_к-ты/C_осн не меняется. И лишь при очень большом (в 10⁴ раз и более) разбавлении следует учесть автопротолиз воды: значение рН при этом может измениться на 0,5–1,0 единиц рН. При точных расчетах или при точном измерении рН следует учитывать изменения коэффициентов активности кислоты и основания, а они изменяются по-разному для заряженных и незаряженных электролитов.

---

Буферные растворы мало изменяют рН при добавлении кислоты или основания. Действительно, при добавлении к раствору, содержащему частицы НА и А^-, сильной кислоты ионы лиония (в воде это ионы гидроксония) взаимодействуют с основанием А^-, образуя кислоту НА. При этом суммарная концентрация частиц А^- и НА сохраняется; меняется соотношение [НА]/[А^-], но логарифм этого отношения изменяется мало. Аналогично, при добавлении к буферному раствору сильного основания ионы лиата (в воде это ионы ОН^-) реагируют с кислотой НА, образуя основание А^-. Соотношение концентраций компонентов меняется, но на значении рН это мало сказывается

Буферная ёмкость

Очевидно, что добавлять сильную кислоту или сильное основание к буферному раствору и надеяться на несущественное изменение рН можно лишь в определенных пределах. Каждый буферный раствор характеризуется сопротивляемостью к изменениям, количественно ее выражают буферной емкостью

Буферная емкость π определяется числом молей сильной кислоты или сильного основания, которое нужно добавить к 1 л раствора, чтобы изменить рН раствора на единицу:

 = ,  = ,

где dС_кисл, dС_осн — прирост концентрации соответственно сильной кислоты и сильного основания, вызвавший изменение на dрН (знак «минус» указывает на уменьшение рН при добавлении сильной кислоты НА)

Бесконечно малый прирост концентрации сильной кислоты dС_к-ты вызывает такой же прирост концентрации слабой кислоты d[HA], а бесконечно малый прирост концентрации сильного основания dС_осн приводит к появлению такого же количества слабого основания d[A^-], только в первом случае рН немного уменьшится, а во втором — увеличится. Суммарная концентрация компонентов буферного раствора С_буф не меняется (уравнение материального баланса):

С_буф = [НА] + [А^-]

Учитывая, что pH = −lg[H⁺], получаем

 = = = -2,3 * = -2,3 * (*)

Буферная емкость зависит от концентрации компонентов буферного раствора. Из выражения для константы диссоциации кислоты НА находим

---

[H⁺] = K_а

Из уравнения материального баланса получаем

[HA] = С_буф − [А^-],

следовательно,

[H⁺] = K_а = K_а

Дифференцируя по [А^-], находим

= - K_а

Подставляя полученные выражения в уравнение (*), имеем

 = -2,3 = -2,3K_а ( ) = 2,3 = 2,3*

Таким образом, окончательно получим

 = 2,3*

Буферную емкость можно связать с другим параметром системы — константой диссоциации K_а. Используем константу диссоциации кислоты НА и уравнение материального баланса:

К_а = =

отсюда

[A^-] =

При добавлении dС_осн сильного основания образуется d[А⁻] основания А⁻, поэтому

= = -

 = 2,3

Зная буферную емкость, можно найти изменение рН раствора при добавлении сильной кислоты или сильного основания, определить состав буферной смеси.

Буферная емкость зависит от суммарной концентрации компонентов и соотношения их концентраций. Из последнего уравнения видно, что чем больше С_буф, тем больше буферная емкость. Максимальное значение π имеет при равенстве концентраций компонентов сопряженной пары

ВЫВОД

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что для расчета значений водородного показателя pH необходимо знать значения концентраций различных соединений: кислот, солей и оснований, также нам для расчета pH солей необходимо знать значения констант диссоциаций кислот и оснований, которыми образованы эти соли

---

Также мы узнали про буферные растворы, вывели формулу, по которой можно рассчитать pH таких раствором, также мы узнали про свойства буферных растворов и узнали про буферные ёмкости

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Основы аналитической химии. В 2 т. Т. 1 : учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования / [Т.А.Большова и др.] ; под ред. Ю.А.Золотова. — 5-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с
   
2. 
   Герасимова Н.С., Логинова А.Ю. Расчет рН и ПР в растворах Методические указания к выполнению домашних заданий по аналитической химии Под редакцией проф. И.В. Федосеева 2009 г.
   
3. 
   Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 1. Титриметрические и гравиметрические методы анализа: Учеб. Для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец. – 2-е изд., прераб. и доп. – М.: Дрофа, 2002. – 368 с.: ил.
   
4. 
   https://www.youtube.com/watch?v=FYoA-XQedW0
   
5. 
   https://studopedia.ru/25_11700_vichislenie-rn-pri-gidrolize-soley.html
   

---