Найти, сколько вещества можно добавить в буферный раствор, чтобы pH не менялся значительно

Предмет: Химия

Раздел предмета: Буферные растворы

Задание связано с буферными растворами, их эксплуатацией и свойством поддерживать pH стабильным при добавлении небольшого количества кислот или оснований.

Пояснение:

Буферный раствор состоит из слабого основания NH₄OH и его сопряжённой соли NH₄NO₃. В данном случае буферный раствор поддерживает равновесие между \( NH₄OH \) и \( NH₄^+ \), которое создается нитратом аммония \( NH₄NO₃ \), распадающимся в растворе на ион \( NH₄^+ \).

\[ NH₄OH \rightleftharpoons NH₄^+ + OH^- \]

Когда мы добавляем HCl, кислота приводит к нейтрализации OH⁻ (гидроксид-ионов), а небольшой избыток \( Cl^- \) от HCl не оказывает влияния, кроме предоставления ионов водорода \( H^+ \). Буферный раствор может поглощать такие добавки, поддерживая стабильный pH в следующих пределах:

\[ pH = pKa + \log \left(\frac{[Base]}{[Acid]}\right) \]

Задача состоит в том, чтобы найти, сколько \( HCl \) можно добавить в буферный раствор, чтобы pH не менялся значительно.

Определение количества NH₄OH и NH₄⁺ в растворе:

1. Мольное количество NH₄OH: \[ C_1 = 0.4 \, \text{моль/л}, \, V_1 = 250 \, \text{мл} = 0.250 \, \text{л} \] \[ n_{\text{NH₄OH}} = C_1 \times V_1 = 0.4 \times 0.250 = 0.1 \, \text{моль} \]
2. Мольное количество NH₄NO₃: \[ C_2 = 0.5 \, \text{моль/л}, \, V_2 = 200 \, \text{мл} = 0.200 \, \text{л} \] \[ n_{\text{NH₄NO₃}} = C_2 \times V_2 = 0.5 \times 0.200 = 0.1 \, \text{моль} \]

В данном буферном растворе аммоний \( NH₄^+ \) (из \( NH₄NO₃ \)) и \( NH₄OH \) находятся в эквимолярном соотношении:

\[ n_{\text{NH₄OH}} = n_{\text{NH₄^+}} = 0.1 \, \text{моль} \]

Анализ реакции при добавлении HCl:

При добавлении HCl происходит реакция аммония с гидроксид-ионами:

\[ NH₄OH + HCl \rightarrow NH₄^+ + H₂O \]

Каждая добавленная моль HCl нейтрализует эквивалентное количество \( NH₄OH \). Максимальное количество HCl, которое можно добавить без значительного изменения pH, будет таково, чтобы не истощить весь запас \( NH₄OH \). Так как количество \( NH₄OH \) равно 0.1 моль, можно добавить 0.1 моль HCl, прежде чем pH начнёт изменяться заметно.

Ответ:

Наибольшее количество \( HCl \), которое можно добавить, чтобы pH практически не изменился, составляет 0,1 моль.

Правильный ответ: - e. 0,10 моль