Предмет: Химия
Раздел: Буферные растворы
Задание:
Выберите буфер, к которому можно больше всего добавить сильной кислоты без существенного изменения pH. Предлагаются четыре варианта буферных растворов.
Решение:
Буферные растворы — это смеси слабой кислоты и ее сопряженного основания или слабого основания и его сопряженной кислоты. Главная роль буферов заключается в том, чтобы противодействовать резким изменениям pH при добавлении небольших количеств сильной кислоты или щелочи.
Для оценки способности буферного раствора противостоять изменению pH при добавлении кислоты, важно смотреть на соотношение концентраций слабой кислоты и ее сопряженного основания (или слабого основания и сопряженной кислоты). Чем больше концентрация основания или его сопряженной кислоты, тем больше кислоты буфер может "нейтрализовать", не изменив pH значительно.
Чтобы ответить на вопрос, рассмотрим каждый вариант:
А. \( 0,1 \, \text{моль} \, \text{CO}_2 \cdot \text{H}_2\text{O} + 0,2 \, \text{моль} \, \text{HCO}_3^- \)
- CO₂•H₂O — это слабая кислота, которая в водном растворе находится в равновесии с HCO₃⁻ (гидрокарбонатом), ее сопряженным основанием.
- Здесь слабая кислота (CO₂•H₂O) имеет концентрацию 0,1 моль, а сопряженное основание (НСО₃⁻) — 0,2 моль.
- Этот буфер состоит из системы слабой кислоты и ее соли, которая способна нейтрализовать добавленную кислоту более эффективно, чем кислота.
Б. \( 0,1 \, \text{моль} \, \text{CO}_2 \cdot \text{H}_2\text{O} + 0,05 \, \text{моль} \, \text{HCO}_3^- \)
- Тоже система с CO₂•H₂O и НСО₃⁻, но здесь намного меньше НСО₃⁻ (всего 0,05 моль), что означает, что буфер может нейтрализовать меньше кислоты по сравнению с вариантом А.
В. \( 0,05 \, \text{моль} \, \text{CO}_2 \cdot \text{H}_2\text{O} + 0,05 \, \text{моль} \, \text{HCO}_3^- \)
- Здесь ещё меньше обоих компонентов (как кислоты, так и ее сопряженного основания), что означает меньшую способность нейтрализовать добавленную кислоту по сравнению с вариантами А и Б.
Г. \( 0,1 \, \text{моль} \, \text{NH}_3 \cdot \text{H}_2\text{O} + 0,5 \, \text{моль} \, \text{NH}_4^+ \)
- Буфер состоит из аммиака NH₃ (слабое основание) и его сопряженной кислоты NH₄⁺ (ион аммония), что делает его буфером на основе слабого основания.
- Концентрация NH₄⁺ (аммония) довольно велика (0,5 моль), а аммиака — 0,1 моль. Значительное количество сопряженного иона аммония позволяет буферу нейтрализовать значительные количества кислоты без значительного изменения pH.
Д. \( 0,01 \, \text{моль} \, \text{NH}_3 \cdot \text{H}_2\text{O} + 0,15 \, \text{моль} \, \text{NH}_4^+ \)
- Здесь те же вещества, что и в Г, но гораздо меньшая концентрация самого основания (NH₃). Это значит, что буфер будет менее эффективен по сравнению с вариантом Г.
Подведение итогов:
Буфер, к которому можно добавить больше всего сильной кислоты без значительного изменения pH, будет тот, где концентрация сопряженного основания или сопряженной кислоты (в зависимости от системы) больше. Самым значительным буфером по количеству основания является вариант Г с 0,1 моль аммиака (NH₃) и 0,5 моль аммония (NH₄⁺).
Ответ:
Г. \( 0,1 \, \text{моль} \, \text{NH}_3 \cdot \text{H}_2\text{O} + 0,5 \, \text{моль} \, \text{NH}_4^+ \).