определить количество NaOH, которое можно добавить к буферному раствору так, чтобы pH практически не изменился

Предмет: Химия

Раздел: Буферные растворы

Задание:

Имеем буферный раствор, состоящий из фосфатных компонентов: соли NaH₂PO₄ (кислая соль) и Na₂HPO₄ (основная соль), где NaH₂PO₄ выступает в качестве слабой кислоты, а Na₂HPO₄ — слабого основания. Нам нужно определить количество NaOH, которое можно добавить к буферному раствору так, чтобы pH практически не изменился.

Буферный раствор:

Буферный раствор противостоит изменениям pH при добавлении небольших количеств кислоты или основания благодаря присутствию значительных количеств сопряжённой пары кислоты и основания. В нашем буфере сопряжённая кислотно-основная пара выглядит так:

• NaH₂PO₄ (кислая соль) — это слабая кислота.
• Na₂HPO₄ (основная соль) — это сопряжённое основание.

Исходные данные:

• Объем раствора NaH₂PO₄ = 200 мл = 0.2 л.
• Концентрация NaH₂PO₄ = 0.4 моль/л.
• Объем раствора Na₂HPO₄ = 100 мл = 0.1 л.
• Концентрация Na₂HPO₄ = 0.5 моль/л.

Буферное соотношение:

Буферный раствор работает по уравнению Хендерсона–Гассельбальха (для слабой кислоты и её соли): \[ pH = pKa + \log \left( \frac{[A^-]}{[HA]} \right) \]

Здесь \( [A^-] \) — концентрация соли (Na₂HPO₄), а \( [HA] \) — концентрация кислоты (NaH₂PO₄).

При добавлении NaOH, основание взаимодействует с кислотой NaH₂PO₄, превращая её в соль Na₂HPO₄. Каждый моль NaOH будет уменьшать количество NaH₂PO₄ и увеличивать количество Na₂HPO₄. Чтобы pH не изменился значительно, буфер должен эффективно противодействовать добавлению NaOH, т.е. изменение соотношения концентраций между кислотой и солью должно быть минимальным. Это возможно, если количество NaOH будет таким, чтобы не израсходовать всю кислую составляющую (NaH₂PO₄).

Шаг 1: Рассчитаем количество моль NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄ в буфере:

Для NaH₂PO₄: \[ n_{\text{NaH₂PO₄}} = C \times V = 0.4 \, \text{моль/л} \times 0.2 \, \text{л} = 0.08 \, \text{моль}. \]

Для Na₂HPO₄: \[ n_{\text{Na₂HPO₄}} = C \times V = 0.5 \, \text{моль/л} \times 0.1 \, \text{л} = 0.05 \, \text{моль}. \]

Шаг 2: Определение максимального количества NaOH:

Буфер будет эффективно сопротивляться изменениям pH, если не изменить соотношение компонентов сильно. Предел добавления NaOH определяется количеством NaH₂PO₄, которое может нейтрализоваться. Максимально, что мы можем добавить NaOH, — это когда вся кислота NaH₂PO₄ превратится в Na₂HPO₄. Однако этого количества будет слишком много для эффективного буферного действия, так как pH может начать существенно меняться.

Итак, максимально мы можем использовать 0.08 \, \text{моль NaH₂PO₄}, но для сохранения буферных свойств, нужно будет добавить чуть меньше NaOH.

Ответ:

Правильный ответ — 0.07 моль NaOH.

Выбор ответа:

d. 0.07 моль.