Подпись преподавателя               

Лабораторная работа № Буферные растворы.

1. Цель работы: познакомиться со свойствами буферных растворов.

Задачи.

2.1. Рассчитать интервал рН, в котором возможно отделение Fe³⁺ от Mg²⁺.

2.2. Приготовить аммиачную буферную смесь (NH₄OH + NH₄Cl). Рассчитать рН и ем- кость буферного раствора.

2.3. Провести разделение ионов Fe³⁺ и Mg²⁺. Проверить полноту осаждения Fe(ОН)₃.

Оборудование и реактивы.

3.1. Растворы солей 0,5М Fe(NO₃)₃ и Mg(NO₃)₂, NH₄CNS, 1М NH₄Cl, (NH₄)₂HPO₄;1М раствор NH₄OH.

3.2. Фильтровальная бумага, предметные стекла, индикаторная бумага, спиртовки, шта- тивы с пробирками для полумикроанализа, плитка.

Основные сведения.

Во многих операциях химического анализа необходимо поддерживать рН раствора относительно постоянным на протяжении реакции, в которой ионы водорода или гидро- ксила поглощаются или выделяются. Это достигается проведением такой реакции в буфер- ном растворе: растворе слабой кислоты и сопряженного с ней основания. Если результатом реакции является выделение ионов водорода, то компоненты буферного раствора погло- щают его; а если ионы водорода поглощаются в течение реакции, то количество их воспол- няется за счет диссоциации слабой кислоты. Результирующий эффект препятствует изме- нению рН.

В самом широком смысле буферными называют системы, поддерживающие опреде- ленное значение какого-либо параметра при изменении состава. Буферные растворы могут быть кислотно-основными (поддерживающими постоянное значение рН при введении ки- слот или оснований), окислительно-восстановительными (сохраняют постоянным потенци- ал систем при введении окислителей или восстановителей), известны металлобуферные растворы, в которых поддерживается постоянное значение рМ. Буферный раствор пред- ставляет собой сопряженную пару; в частности кислотно-основные – сопряженную ки- слотно-основную пару.

В качестве кислотно-основных буферных растворов используются растворы слабых кислот и их солей, слабых оснований и их солей, смеси растворов солей многоосновных кислот различной степени замещения. В таблице приведены примеры буферных растворов, применяемых в аналитической химии.

Свойство кислотно-основных буферных систем поддерживать постоянство рН при добавлении в раствор кислоты или щелочи основано на их способности связывать ионы Н⁺ или ОН^- ионы в малодиссоциированные соединения.

Таблица

Примеры буферных растворов

Например, при добавлении в аммонийную буферную смесь сильной кислоты она бу- дет нейтрализована присутствующим основанием:

NH₃ + HCl Û NH₄Cl, NH₃ + H⁺ Û NH₄⁺.

Если же к этому раствору добавить щелочь, то она взаимодействует с солью и в ре- зультате вместо сильного основания в растворе образуется эквивалентное количество сла- бого основания:

NH₄Cl + NaOH Û NH₃ + NaCl +H₂O, NH₄⁺ + OH ⁺ Û NH₃ + H₂O.

В итоге величина рН в обоих случаях меняется незначительно.

Величину рН, создаваемую буферным раствором, определяют по уравнению Гендер- сона-Хассельбаха.

1. Для буферных растворов, образованных слабой кислотой и ее солью или смесью растворов солей многоосновных кислот различной степени замещения:

рН = рК

- lg Cкисл ,

к          C

cоли

где рК_к = -lgК_д, С_кисл, С_соли – концентрации кислоты и соли соответственно.

2. Для буферных растворов, образованных слабым основанием и ее солью:

рН = 14 - рК

+ lg Cосн ,

осн            C

соли

где рК_осн = -lg К_д, С_осн, С_соли – концентрации основания и соли соответственно. Добавлять сильную кислоту или основание к буферному раствору и надеяться на не-

существенные изменение рН можно лишь в определенных пределах. Каждый буферный раствор характеризуется сопротивляемостью к изменениям. Количественно ее выражают буферной емкостью p . Она определяется числом молей эквивалентов сильной кислоты или основания, которые нужно добавить, чтобы изменить рН на единицу:

p = - dcкисл

dpH

и p = dcосн ,

dpH

где dc – прирост концентрации сильной кислоты или основания, вызвавший измене- ние на dpH (знак минус указывает на уменьшение рН при добавлении сильной кислоты).

Бесконечно малый прирост сильной кислоты вызывает такой же прирост концентра- ции слабой кислоты, а бесконечно малый прирост сильного основания приводит к появле- нию такого же количества слабого основания, только в первом случае рН немного умень- шится, а во втором увеличится. Суммарная концентрация компонентов смеси С_буф не меня- ется:

С_буф = С_кисл + С_соли (уравнение материального баланса).

Буферную емкость раствора можно рассчитать по следующим формулам:

p = 2,3

p = 2,3

CкислСсоли ,

Скисл + Ссоли

CоснСсоли .

Сосн + Ссоли

Зная буферную емкость, можно найти изменение рН раствора при добавлении силь- ной кислоты или основания, определить состав буферной смеси и решать другие вопросы.

Область надежного действия буферной смеси лежит в интервале значений

рН = рКк ±1, рН = 14 - рКосн ± 1 .

Если изменение рН происходит более чем на единицу, то буферный раствор теряет буферную способность. Чем больше концентрация буферных растворов, тем больше бу-

ферная емкость. Максимальная емкость для данного буфера будет наблюдаться при равных концентрациях обоих компонентов раствора.