Chemija · Pamoka

Buferiniai tirpalai, jų talpa ir paprastų artinių ribos

Stebėkite, kaip konjuguotosios rūgšties ir bazės pora sunaudoja nedidelį pridėtos rūgšties ar bazės kiekį. Apskaičiuokite apytikslę vertę po neutralizacijos ir atskirkite stabilų santykį nuo ribotos buferinės talpos.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Prieš apytiksliai apskaičiuojant buferinio tirpalo pH, taikyti stipriosios rūgšties ar bazės reakcijos stechiometriją.
Atskirti aktyvumais išreikštą tapatybę nuo artinių, grindžiamų koncentracijomis ir formaliaisiais medžiagos kiekiais.
Atpažinti konjuguotosios poros medžiagų kiekio ir skiedimo ribas.

Buferis reaguoja ir su rūgštimi, ir su baze

Įprastame rūgštiniame buferiniame tirpale yra nemaži silpnosios rūgšties HA ir jos konjuguotosios bazės A⁻ kiekiai. Pridėtą stipriąją rūgštį daugiausia sunaudoja A⁻, susidarant HA; pridėtą stipriąją bazę daugiausia sunaudoja HA, susidarant A⁻. Šios reakcijos sumažina pH pokytį praktiškai naudingame intervale.

Buferinė talpa yra ribota. Vien santykis neparodo, kiek molių pridėto reagento gali būti sunaudota. Kai vienas poros komponentas išsenka arba labai praskiestame mėginyje vandens įtaka tampa reikšminga, paprastas buferinio tirpalo pH skaičiavimo būdas gali nebetikti.

Nustatykite, kur pH išraiškoje taikomas artinys

Laikant vandens aktyvumą artimu 1, pertvarkius aktyvumais išreikštą pusiausvyros lygtį gaunama pH = pK_a + log₁₀(a_A⁻/a_HA). Pagal šią konvenciją tai yra algebrinė aktyvumų santykio tapatybė. Pakeičiant aktyvumų santykį koncentracijų santykiu [A⁻]/[HA], daroma prielaida, kad atitinkama aktyvumo koeficientų įtaka yra nereikšminga arba į ją atsižvelgta.

Apytiksliai skaičiuojant pagal Hendersono–Hasselbalcho lygtį su formaliaisiais medžiagos kiekiais, taikomas dar vienas artinys: kiekiai po vyraujančios neutralizacijos reakcijos turi būti artimi tikriesiems pusiausvyriniams cheminių dalelių kiekiams. Bendras tirpalo tūris jų santykyje susiprastina, tačiau tik patikrinus abi chemines daleles ir prielaidas.

Prieš skaičiuodami santykį, sunaudokite pridėtą reagentą

Originalaus hipotetinio buferinio tirpalo pK_a ≈ 5.00, o jame iš pradžių yra 0.0100 mol HA ir 0.0100 mol A⁻. Pridėjus 0.00100 mol stipriosios rūgšties, pagal reakciją A⁻ + H₃O⁺ → HA + H₂O sunaudojamas toks pat A⁻ kiekis. Formalieji medžiagos kiekiai tampa 0.00900 mol A⁻ ir 0.0110 mol HA.

Jei aktyvumo ir papildomos disociacijos pataisos mažos, pH ≈ 5.00 + log₁₀(0.00900/0.0110) ≈ 4.91. Pokytis mažas, bet nelygus nuliui. Originaliame grafike pateikiamos šiuo formaliųjų kiekių santykiu grindžiamos apytikslės vertės, kai rūgšties dozės yra 0–8 mmol, kiekvienai nurodytai dozei bendras galutinis tūris yra 0.100 L ir abu poros komponentai tebėra tirpale. Šis supaprastintas skaičiavimo būdas grafike netaikomas visiško komponento išsekimo atvejui.

Buferinis tirpalas mažina pH pokytį eikvojant jo komponentų poros atsargas

Apytikslis modelio pH

Pridėtos stiprios rūgšties kiekis d / mmol

Apskaičiuotas įvertis pagal formaliųjų kiekių santykį
— Pasirinkta buferinio tirpalo aproksimacija

Duomenys, kuriais remiamasi

Pridėtos stiprios rūgšties kiekis d / mmol	Apytikslis modelio pH
0	5 · Apskaičiuotas įvertis pagal formaliųjų kiekių santykį
1	4.9128498242811 · Apskaičiuotas įvertis pagal formaliųjų kiekių santykį
5	4.522878745280337 · Apskaičiuotas įvertis pagal formaliųjų kiekių santykį
8	4.045757490560675 · Apskaičiuotas įvertis pagal formaliųjų kiekių santykį

Originalus įvertis pagal Hendersono–Hasselbalcho lygtį, naudojant formaliuosius medžiagos kiekius: pasirinkta pK_a=5.00, pradiniai kiekiai HA=A⁻=10.0 mmol, o galutinis tūris kiekvienai rūgšties dozei vienodas – 0.100 L. Po pagrindinės neutralizacijos reakcijos santykis=(10−d)/(10+d), d išreikštas mmol. Laikoma, kad aktyvumo ir pusiausvyros pataisos mažos. Kreivė baigiasi ties 8 mmol, kol dar yra abiejų poros komponentų; neteigiama, kad pH yra tikslus ar kad modelis galioja išsekus komponentų atsargoms.

Panašus pH gali slėpti skirtingus medžiagų kiekius

Dviejų vienodo tūrio idealiųjų buferinių tirpalų, kuriuose [HA] = [A⁻] = 0.0100 mol L⁻¹ arba 0.100 mol L⁻¹, formalusis santykis yra vienodas, o apytikslis pH ≈ pK_a. Antrajame tirpale kiekvienos konjuguotosios poros medžiagos yra dešimt kartų daugiau. Šis medžiagų kiekių palyginimas nėra tikslus universalus daugiklis, taikytinas kiekvienam buferinės talpos apibrėžimui.

Buferinė talpa priklauso nuo bendrosios koncentracijos, priimtino pH pokyčio, pusiausvyros ir aktyvumo poveikio. Įprasta veiksmingo buferinio veikimo intervalo pK_a ± 1 gairė yra euristinė, o ne griežta riba. Skiedžiant apytikslis santykis gali išlikti panašus, tačiau sumažėja buferinių medžiagų kiekis tūrio vienete ir padidėja neįvertintų veiksnių reikšmė.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pirmiausia neutralizuokite, tada įvertinkite pH

Naudokite pradiniame buferiniame tirpale esančius 0.0100 mol HA ir 0.0100 mol A⁻, kai pK_a≈5.00. Pridėkite 0.00100 mol stipriosios rūgšties, taikydami nurodytą buferinio tirpalo artinį.

Sunaudokite 0.00100 mol A⁻ ir sudarykite 0.00100 mol HA.
Likę formalieji kiekiai: A⁻ = 0.00900 mol; HA = 0.0110 mol.
Abiejų medžiagų kiekiai išlieka reikšmingi, o bendras galutinis tūris jų koncentracijų santykyje susiprastina.
Įvertinkite pH = 5.00 + log₁₀(9/11) ≈ 4.91285.

Apytikslis pH ≈ 4.91. Buferinis tirpalas riboja pokytį nuo maždaug 5.00, o ne palaiko visiškai nekintamą pH.

Pabandykite patys

Ką reikia padaryti prieš apytiksliai skaičiuojant buferinio tirpalo pH pagal santykį po rūgšties ar bazės pridėjimo?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Įvertinti vyraujančią rūgšties ir bazės neutralizaciją ir patikrinti likusius abiejų poros medžiagų kiekius.
Pradinis santykis nebeatitinka santykio po pridėjimo.
Ar buferinis veikimas reiškia, kad pH išlieka visiškai pastovus?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Pora savo veiksmingumo intervale sumažina baigtinio trikdžio poveikį pH.
Ar vien vienodi HA/A⁻ santykiai garantuoja vienodą buferinę talpą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Svarbūs ir bendroji koncentracija, ir turimi medžiagos kiekiai moliais.
Ar paprastą santykio formulę galima taikyti ir tada, kai stiprioji rūgštis visiškai sunaudoja A⁻?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jos prielaida apie formaliąją porą nebegalioja; likusioms pusiausvyroms ir reagento pertekliui reikia išsamesnio skaičiavimo.

Ką verta įsidėmėti

Prieš skaičiuodami pH, sekite baigtinius konjuguotosios poros komponentų medžiagos kiekius.
Atskirai nustatykite prielaidas apie aktyvumą, koncentraciją ir formaliuosius medžiagos kiekius.
Buferinis tirpalas mažina pH pokytį, bet nepalaiko visiškai pastovios pH vertės.
Santykis, buferinė talpa ir skiedimo poveikis atsako į skirtingus klausimus.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.