Определить, какое количество гидроксида калия можно добавить в буферный раствор, приготовленный из аммиака и хлорида аммония, чтобы рН практически не изменился

Мы решаем задачу по химии в разделе "Буферные растворы".

Задача состоит в том, чтобы определить, какое количество гидроксида калия (KOH) можно добавить в буферный раствор, приготовленный из аммиака (NH₃·H₂O) и хлорида аммония (NH₄Cl), чтобы pH практически не изменился.

Буферные растворы: Основные принципы

Аммиачный буферный раствор состоит из слабого основания (аммиак, NH₃) и его соли (хлорид аммония, NH₄Cl). Такие растворы способны поддерживать относительно стабильное значение pH при добавлении небольших количеств кислоты или основания.

При добавлении KOH, который является сильным основанием, гидроксид-ион OH⁻ будет взаимодействовать с ионами NH₄⁺:

\[\text{NH₄⁺} + \text{OH⁻} \to \text{NH₃} + \text{H₂O}\]

При этом количество аммиака (NH₃) увеличится, а количество ионов аммония (NH₄⁺) уменьшится. Чтобы буферный раствор сохранял стабильный pH, важно, чтобы соотношение концентраций NH₃ и NH₄⁺ сильно не изменилось. Задача сводится к тому, чтобы найти количество KOH, которое можно нейтрализовать, не нарушив данное соотношение.

1. Рассчитаем количество веществ в растворе до добавления KOH.

Найдём количество NH₄Cl:

\[n(\text{NH₄Cl}) = C \times V = 0.5\, \text{моль/л} \times 0.020\, \text{л} = 0.01\, \text{моль} = 10\, \text{ммоль}\]

Найдём количество NH₃·H₂O:

\[n(\text{NH₃}) = C \times V = 0.4\, \text{моль/л} \times 0.050\, \text{л} = 0.02\, \text{моль} = 20\, \text{ммоль}\]

2. Сколько OH⁻ (от KOH) можно добавить, чтобы не нарушить буферную емкость?

Буферный раствор эффективен, если соотношение концентраций слабого основания (NH₃) и его соли (NH₄⁺) остаётся в пределах приблизительно от 1:10 до 10:1. То есть, при добавлении KOH мы будем уменьшать количество NH₄⁺ и увеличивать количество NH₃, но нужно следить, чтобы это соотношение не сильно изменилось.

Изначальное соотношение: \[\frac{[\text{NH₃}]}{[\text{NH₄⁺}]} = \frac{20\, \text{ммоль}}{10\, \text{ммоль}} = 2\]

Максимальная величина соотношения, при которой буферная система ещё будет действовать, — это примерно 10:1. Рассчитаем максимальное количество KOH, которое можно добавить так, чтобы pH сильно не изменился.

Количество буфера, при котором соотношение концентраций достигает 10.

Если буферное соотношение должно стать 10:1, тогда количество NH₃ должно быть в 10 раз больше, чем NH₄⁺ (4 из 10 ммоль NH₄⁺ превратятся в NH₃):

\[\frac{20 + x}{10 - x} = 10\]

\[20 + x = 10(10 - x)\]

\[20 + x = 100 - 10x\]

\[x + 10x = 100 - 20\]

\[11x = 80\]

\[x = \frac{80}{11} \approx 7.27 \, \text{ммоль}\]

Поскольку это приближенное значение, ближайший ответ в вариантах — 8 ммоль. Это количество KOH можно было бы добавить, чтобы соотношение компонентов буфера не изменилось критично и pH остался почти неизменным.

Ответ: b. 8 ммоль

Решаем это уравнение: