ROZWAŻANIA NAD ODCZYNEM BUFORU Bufory są takimi

DUŻE KOŁO CHEMICZNE 3GA 2012/2013
ZAJĘCIA 4: SŁABE KWASY I ZASADY, BUFORY
opr. Kuba Skrzeczkowski
ROZWAŻANIA NAD ODCZYNEM BUFORU
Bufory są takimi roztworami w których występuje jednocześnie para sprzężony kwas –
sprzężona zasada o przyzwoitych stężeniach molowych.
Dotychczas rozważaliśmy takie układy w których:


Składnik roztworu dysocjował 100% - liczyliśmy wtedy stężenie jonów wodorowych
korzystając z faktu, że dysocjacja była 100-procentowa a następnie pH (przypadek:
mocne kwasy oraz mocne zasady).
Substancja dysocjowała na jony – korzystając ze stałej równowagi wyznaczaliśmy
stężenie jonów wodorowych/hydroksylowych a następnie pH (przypadek: słabe
kwasy oraz słabe zasady).
Rozważmy teraz przypadek szczególny: jak obliczyć pH roztworu w którym mamy sprzężony
kwas oraz sprzężoną zasadę w jednym roztworze, na przykład amoniak oraz salmiak
(o przyzwoicie podobnym stężeniu) czyli pH buforu.
Niech c1 oraz c2 oznaczają analityczne stężenia amoniaku oraz salmiaku. Rozważając
równowagę która pomiędzy nimi funkcjonuje (opisana stałą dysocjacji zasadowej Kb):
NH3 + H2O  NH4+ + OHForma
Na początku
NH3
c1
+
NH4
c2
OH
--Idąc w ten sposób otrzymujemy równanie:
(
)
(
(
W stanie równowagi
c1 – x
c2 + x
x
)
)
Co rozwiązuje się za pomocą wzorów na równanie kwadratowe i daje wynik:
(
)
√(
)
Przykładowo, dla stężenia w roztworze buforowym: amoniaku c1 = 0,1 M oraz salmiaku c2 =
0,05 M i wartości Kb = 1,6 * 10-5 otrzymujemy wynik px = pOH = 4,5. Stąd otrzymujemy
wartość pH = 14 – pOH = 14 – 4,5 = 9,5.
DUŻE KOŁO CHEMICZNE 3GA 2012/2013
ZAJĘCIA 4: SŁABE KWASY I ZASADY, BUFORY
opr. Kuba Skrzeczkowski
Analogicznie można powiedzieć (no bo kto nam zabroni), że rozpatrujemy taką równowagę
która funkcjonuje pomiędzy formami obecnymi w roztworze (opisaną stałą równowagi
kwasowej Ka):
NH4+ + H2O  NH3 + H3O+
Bilans form przedstawia się następująco:
Forma
Na początku
NH3
c1
+
NH4
c2
H3O+
--Idąc w ten sposób otrzymujemy równanie:
(
)
(
(
W stanie równowagi
c1 + x
c2 - x
x
)
)
Co rozwiązuje się za pomocą wzorów na równanie kwadratowe i daje wynik:
(
)
)
√(
Dla analogicznych danych (musimy tylko przeliczyć Kb na Ka) uzyskujemy wynik pH = 9,5.
Identyczne wyniki wskazują na to, że tak jak wykazano przy zadaniu 3 z I etapu 59 Olimpiady
Chemicznej, założenie o kierunku biegu reakcji równowagowej nie wpływa na obliczenia
związane z równowagą.
Porównując wartość x ze stężeniami c1, c2 dochodzimy do wniosku, że c1>>x oraz, że c2>>x
i praktycznie mogliśmy tak założyć na początku rozważań (to uprościłoby je zdecydowanie
i sprowadziło do równania liniowego).
Rozwiązując wielokrotnie zadania ze słabych kwasów i słabych zasad przekonaliśmy się, że
0,1 M roztwory dysocjowały np. w 1%. Taki mały stopień dysocjacji jest skutkiem małej
wartości stałej dysocjacji kwasowej bądź zasadowej (na ogół są to bardzo małe liczby).
Jednak w przypadku buforów tą wartość zmniejsza jeszcze bardziej poznana reguła przekory.
Chęć zachodzenia tej reakcji: NH3 + H2O  NH4+ + OH- zmniejsza obecność jonów
amonowych. Analogicznie chęć zachodzenia tej reakcji: NH4+ + H2O  NH3 + H3O+ zmniejsza
obecność amoniaku. Kończy się na tym, że z reguły w roztworze buforowym c 1>>x oraz, że
c2>>x. Upraszcza to równania wyprowadzane powyżej, np. na stężenie jonów [H+]:
(
)
(
)
DUŻE KOŁO CHEMICZNE 3GA 2012/2013
ZAJĘCIA 4: SŁABE KWASY I ZASADY, BUFORY
opr. Kuba Skrzeczkowski
W literaturze podaje się taki wzór na [H+] (a zatem pośrednio i na pH):
[
]
Porównując równania zauważamy, że dotyczą tego samego. Jon amonowy jest kwasem
(zdolny do oddania protonu), natomiast amoniak jest zasadą. K a dotyczy równowagi
zachodzącej pomiędzy sprzężonym kwasem oraz zasadą.
Ciekawą konskewencją tego wzoru może być wykorzystanie faktu, że występuje tam
stosunek stężeń składników będących w jednym roztworze, zatem o takiej samej objętości.
Pozwala to na ujarzmienie wzoru do takiej postaci:
[
]
Zadania ćwiczeniowe
1. Wyznacz pH roztworu buforowego otrzymanego przez rozpuszczenie 30 g azotynu
potasu (KNO2) w 100 ml 1 M roztworu HNO2. Dla kwasu azotawego pKa = 3.4.
2. Jak przygotować cały litr buforu cyjankowego o pH = 3,75? Dla kwasu HCN: pKa = 10.
Masz do dyspozycji roztwór kwasu solnego o c = 1 M oraz stały cyjanek potasu, KCN.
3. Do roztworu z pktu (1) wprowadzono 1 ml 1 M roztworu NaOH. Oblicz o ile zmieni się
pH tego buforu.
4. Do roztworu z pktu (1) wprowadzono 1 ml 1 M roztworu HCl. Oblicz o ile zmieni się
pH tego buforu.
5. Do roztworu z pktu (1) wprowadzono litr wody destylowanej. Oblicz jak zmieni się pH
tego buforu.