Диаграмма “Т –состав” для системы А – В

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 10Следующая ⇒

А – С₂Н₅ОН В – СС l ₄

Положительное отклонение

Задача 20

По диаграмме кипения системы С₂Н₅ОН – ССl₄ (С₂Н₅ОН – «А»; ССl₄ – «В») определите:

1. Тип бинарной системы

2. Точки, соответствующие равновесию фаз одинакового состава

3. Рассчитать число степеней свободы в этих точках

4. Рассчитать число степеней свободы в точке Х_В = 20 % ССl₄ при Т₁ = 343º С.

Диаграмма “Т –состав” для системы А – В

А – С₂Н₅ОН В – СС l ₄

Положительное отклонение

Задача 21

По диаграмме состояния воды определить и дать пояснения:

1. Чему равно число степеней свободы для точки K, находящейся на линии ОА?

2. Чему равно число степеней свободы для точки Х, находящейся внутри области “тв”?

3. Если находясь в точке трехфазного состояния внешние условия системы изменить T↓, P = const. Что будет образовываться?

4. Исходя из графика определите, каким образом нужно изменить внешние условия, чтобы из точки трехфазного состояния системы перейти в область Ж.

Модуль 3. Термодинамика растворов электролитов.

Термодинамика разбавленных растворов. Электрохимия.

Учебные элементы модуля

рН для буферных систем кислотного типа	К_Д – константа диссоциации кислоты Nc, Nк – нормальные концентрации соли и кислоты, взятых для приготовления буферного раствора Vc, Vк – объемы в миллилитрах растворов соли и кислоты, взятых для приготовления буферного раствора
рН для буферных систем основного типа	Кд – константа диссоциации основания Nc, No – нормальные концентрации соли и основания, взятых для приготовления буферного раствора Vc, Vo – объемы в миллилитрах растворов соли и основания, взятых для приготовления буферного раствора
Буферная емкость	n(э) – число молей эквивалентов сильной кислоты или щелочи n(э) = Nк·Vк (при титровании кислотой) n(э) = Nо·Vо (при титровании основанием) \|∆ pH\| - абсолютная величина изменения pH в результате добавления кислоты или щелочи V_буф – объем буферного раствора
Электродвижущая сила	ЭДС = Е₊– Е_– Е₊ – потенциалы положительного электродов E _– – потенциалы отрицательного электродов
Электродный потенциал в нестандартных условиях (уравнение Нернста)	- электродный потенциал - стандартный электродный потенциал n – заряд ионов металла С – концентрация и o нов металла в растворе
Электродвижущая сила для концентра-ционного гальванического элемента	n – заряд ионов металла С₁ – концентрация анодного раствора С₂ – концентрация катодного раствора
Уравнение Нернста для водородного электрода	или рН – водородный показатель С_Н⁺ - концентрация протонов водорода

ЗАНЯТИЕ № 9

Буферные системы и растворы

План занятия

1. Проверка посещаемости и информация

2. Программированный контроль и опрос

3. Решение типовых задач

4. Подведение итогов занятия

Контрольные вопросы и задания по теме занятия

1. Что такое буферные системы, буферные растворы? Какие 3 вида буферных систем Вы знаете?

2. Дайте определение понятий “кислота” и “основание” с точки зрения протолитической теории. Какие кислота и основание называются сопряженными? Приведите пример

3. Механизм действия буферных систем:

Ø ацетатной,

Ø гидрокарбонатной,

Ø фосфатной,

Ø белковой,

Ø гемоглобиновой,

Ø оксигемоглобиновой,

Ø аммонийной

Уравнения реакций взаимодействия с сильной кислотой и сильной щелочью в ионном и молекулярном виде.

4. Формулы для расчета pH буферных систем кислотного и основного типов по уравнению Гандерсона-Гассельбаха. От каких факторов зависит рН буферных систем и почему он не зависит от разбавления раствора?

5. Что такое буферная емкость и чему она ровна количественно? Формула для расчета буферной емкости. От каких факторов и как именно зависит буферная емкость?

а). Основная литература:

1. Физическая и коллоидная химия [Текст]: учеб. пособие для вузов / А.П. Беляева [и др.]. - М., ГЭОТАР – Медиа, 2010. – 216 – 221 с.

б). Дополнительная литература:

1. Жолнин А.В. Общая химия [Текст] / А.В. Жолнин. - ГЭОТАР – Медиа, 2012. – 109 – 119 c.

Эталоны решения типовых задач

Расчет рН буферных систем по уравнению Гандерсона-Гассельбаха.

Задача 1

Найти рН буферной смеси, состоящей из 100 мл 0, 1 н раствора CH₃COOH и 10 мл 0, 1 н раствора CH₃COONa. К_Д (CH₃COOH) = =1, 8•10^-5; lg 1, 8•10^-5 = - 4, 74.

Решение:

По уравнению Гандерсона-Гассельбаха для кислотного буфера находим:

Ответ: pH = 3, 74

Расчет буферной емкости.

Задача 2

Найти буферную емкость гидрокарбонатной буферной системы, если на титрование 15 мл ее потребовалось 12 мл 0, 1 н раствора NaOH. Начальное значение рН = 5, 2; конечное значение рН = 6, 8.

Решение:

Используем формулу для расчета буферной емкости (при титровании щелочью)

Ответ: В = 5•10^-2 моль/л

Расчет рН растворов протолитов, полученных смешением растворов разных веществ

Задача 3

Вычислите рН раствора, полученного смешением равных объемов растворов с (НСl) = 0, 015 моль/л и с (NaOH) = 0, 03 моль/л

Решение:

Запишем уравнение реакции:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

По условию задачи раствор кислоты прореагировал полностью. Следовательно, после протекания реакции нейтрализации среда полученного раствора будет щелочной. Определим концентрацию NaOH после завершения реакции.

Ответ: рН = 11, 9

Расчет объемов веществ для приготовления буферного раствора с заданными параметрами

Задача 4

Вычислите объемы растворов гидрофосфата натрия с концентрацией 0, 1 моль/л и дигидрофосфата натрия с концентрацией 0, 15 моль/л для приготовления буферного раствора объемом 1 л с рН = 7, 0.

Решение:

Запишем протолитическое равновесие:

H₂PO₄^1- + H₂O ↔ H₃O⁺ + HPO₄^2-

a₁b₂ a₂ b₁

Найдем отношение концентраций солей в буферном растворе, который надо приготовить:

Где pK_a (H₂PO₄^1-) = 7, 21. Обозначим объем раствора гидрофосфата натрия через х (л), тогда объем раствора дигидрофосфата натрия (1-х) (л). Количества веществ этих солей в приготовленном растворе будут равны соответственно 0, 1 х (моль) и 0, 15 (1-х) (моль).

Поскольку эти количества веществ находятся в одном и том же объеме, отношение концентраций можно заменить отношением количеств веществ:

откуда х = 0, 48 л, т.е. V(Na₂HPO₄) = 0, 48 л; V(NaH₂PO₄) = 0, 52 л.

Ответ: 480 мл раствора гидрофосфата натрия и 250 мл дигидрофосфата натрия.

Выявление буферных свойств раствора на основании анализа количеств веществ его компонентов.

Задача 5

Серия растворов приготовлена смешением двух растворов:

А) гидроксида натрия (с = 0, 1 моль/л; V = 10 мл) и уксусной кислоты (с = 0, 05 моль/л; V = 5 мл);

Б) гидроксида натрия (с = 0, 05 моль/л; V = 5 мл) и уксусной кислоты (с = 0, 1 моль/л; V = 10 мл);

В) ацетата натрия (с = 0, 1 моль/л; V = 10 мл) и соляной кислоты (с = 0, 05 моль/л; V = 5 мл);

Г) ацетата натрия (с = 0, 1 моль/л; V = 10 мл) и уксусной кислоты (с = 0, 01 моль/л; V = 5 мл);

Д) гидроксида натрия (с = 0, 1 моль/л; V = 10 мл) и ацетата натрия (с = 0, 01 моль/л; V = 5 мл);

Решение:

Только компоненты раствора Г) могут образовать буферную систему, т.е. протолитическую пару слабая кислота – сопряженное основание. В растворах А), Б), В) подобные пары могут образоваться в результате обменных реакций. Однако необходимо сделать расчет, так как в избытке может оказаться и слабый электролит (пара образуется), и сильный (пары не образуется). Раствор Д) не содержит компоненты, отвечающие данным условиям, и они не могут образоваться в результате реакции. Раствор Д) однозначно не обладает буферным действием.

Рассчитаем, какие компоненты останутся после протекания реакции в растворах А), Б), В). Для этого рассчитаем количества вступающих в реакции веществ ( в ммоль).

А) ν (NaOH) = 0, 1 • 10 = 1 ммоль и ν (CH₃COOH) = 0, 05 • 5 = 0, 25 ммоль.

Поскольку кислота прореагирует полностью, то по окончании реакции в растворе останутся NaOH и CH₃COOH; протолитическая пара не образуется.

Б) ν (NaOH) = 0, 05 • 5 = 0, 25 ммоль и ν (CH₃COOH) = 0, 1 • 10 = 1 ммоль.

Поскольку щелочь прореагирует полностью, то по окончании реакции в растворе будут CH₃COOH (1 – 0, 25 = 0, 75 ммоль) и CH₃COONa (0, 25 ммоль); протолитическая пара образуется.

В) ν (CH₃COONa) = 0, 1 • 10 = 1 ммоль и ν (HCl) = 0, 05 • 5 = 0, 25 ммоль.

Поскольку кислота прореагирует полностью, то по окончании реакции в растворе будут CH₃COOH (0, 25 ммоль) и CH₃COONa (1 – 0, 25 = 0, 75 ммоль); протолитическая пара образуется.

Для окончательного ответа на вопрос надо выяснить, отвечает ли соотношение компонентов в растворах Б), В), Г) зоне буферного действия:

Б)

В)

Г)

Соотношение компонентов отвечает зоне буферного действия только в растворах Б) и В).

Ответ: буферным действием обладают растворы Б) и В).

Задачи для самостоятельной работы

1. Найти рН буферной смеси, состоящей из 15 мл 0, 1 н раствора CH₃COOH и 100 мл 0, 15 н раствора CH₃COONa. К_Д (CH₃COOH) = =1, 8•10^-5; lg 1, 8•10^-5 = - 4, 74.

2. Найти рН буферной смеси, состоящей из 20 мл 0, 1 н раствора NaH₂PO₄ и 10 мл 0, 2 н раствора Na₂HPO₄. К_Д (H₂PO₄^-) = 6, 3•10^-8; lg6, 3•10^-8 = - 7, 2.

3. Найти рН буферной смеси, состоящей из 30 мл 0, 1 н раствора муравьиной кислоты HCOOH и 100 мл 0, 3 н раствора формиата натрия HCOONa. К_Д (HCOOH) = =1, 8•10^-4; lg 1, 8•10^-4 = - 3, 74.

4. Найти рН буферной смеси, состоящей из 60 мл 0, 1 н раствора слабого основания MeOH и 3 мл 0, 2 н раствора MeCl. К_Д (MeOH) = 1, 6•10^-5; lg1, 6•10^-5 = - 4, 8.

5. Найти рН буферной смеси, состоящей из 15 мл 0, 1 н раствора NH₄OH и 10 мл 0, 15 н раствора NH₄Cl. К_Д(NH₄OH) = 1, 76•10^-5; lg 1, 76•10^-5= -4, 75.

6. Найти рН буферной смеси, состоящей из 40 мл 0, 1 н раствора NH₄OH и 100 мл 0, 4 н раствора NH₄Cl. К_Д(NH₄OH) = 1, 75•10^-5; lg 1, 75•10^-5= -4, 76.

7. Найти рН буферной смеси, состоящей из 100 мл 0, 15 н раствора NH₄OH и 150 мл 0, 1 н раствора NH₄Cl. К_Д(NH₄OH) = 1, 76•10^-5; lg1, 76•10^-5= -4, 75.

8. К 100 мл крови для изменения pH от 7, 36 до 7, 0 надо добавить 36 мл 0, 05 н раствора HCl. Рассчитайте буферную емкость крови в моль/л.

9. Найти буферную емкость фосфатной буферной системы, если на титрование 25 мл ее потребовалось 20 мл 0, 1 н раствора NaOH. Изменение рН = 4.

10. Найти буферную емкость ацетатной буферной системы, если на титрование 30 мл ее потребовалось 12 мл 0, 1 н раствора КOH. Начальное значение рН = 4, 7; конечное значение рН = 6, 3.

11. Найти буферную емкость аммонийной буферной системы, если на титрование 10 мл ее потребовалось 8 мл 0, 1 н раствора HCl. рН изменился от 10 до 8.

12. К 50 мл крови для изменения рН от 7, 36 до 7, 0 надо добавить 18 мл 0, 05 н раствора HCl. Рассчитайте буферную емкость крови в моль/л.

13. Найти буферную емкость белковой буферной системы, если на титрование 20 мл ее потребовалось 1, 2 мл 0, 1 н раствора HCl. Изменение рН = 2.

14. Вычислите рН раствора, полученного смешением равных объемов уксусной кислоты С = 0, 15 моль/л и гидроксида натрия С = 0, 2 моль/л.

15. Вычислите рН раствора, полученного смешением равных объемов азотной кислоты С = 0, 25 моль/л и аммиака С = 0, 2 моль/л.

16. Вычислите рН раствора, полученного смешением 5 мл раствора дигидрофосфата натрия с концентрацией 0, 2 моль/л и 10 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 0, 2 моль/л.

17. Вычислите рН раствора, полученного смешением 5 мл раствора гидрофосфата натрия с концентрацией 0, 2 моль/л и 10 мл раствора соляной кислоты с концентрацией 0, 02 моль/л.

Задания в тестовой форме

«БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И РАСТВОРЫ»

Задание: Укажите один или несколько вариантов правильных ответов

1. Какой из параметров буферной системы остается постоянным при разбавлении ее водой, добавлении сильной кислоты и щелочи

A. температура кипения

B. осмотическое давление

C. рН

D. объем раствора

2. Что из перечисленного не относится к примерам буферных систем

A. морская вода

B. 0, 1 н раствор кислоты

C. клеточный сок

D. кровь, слюна, моча

3. Какая из теорий используется для рассмотрения вопроса о буферных системах

A. протолитическая

B. активации

C. электронная

D. диссоциации

4. Сопряженные кислоты и основания связаны соотношением:

A. основание + протон ↔ кислота

B. кислота + протон ↔ основание

C. соль + протон ↔ кислота

D. основание - протон ↔ кислота

5. В соответствии с протолитической теорией кислот и оснований

A. кислота – донор протонов

B. кислота – акцептор протонов

C. основание – донор протонов

D. основание – акцептор протонов

6. Какой вид буферной системы не существует

A. кислотные

B. нейтральные

C. основные

D. амфолитные

7. Какая из буферных систем не относится к кислотным б.с.

A. фосфатная

B. аммонийная

C. гемоглобиновая

D. ацетатная

8. Из перечисленных буферных систем выберите амфолитную б.с.

A. оксигемоглобиновая

B. белковая

C. гемоглобиновая

D. гидрокарбонатная

9. К какому типу буферных систем относится фосфатная б.с. NaH₂PO₄/Na₂HPO₄

A. кислотные

B. основные

C. амфолитные

D. не относится к б.с.

10. Что показывает механизм буферного действия

A. характеристику реакций, протекающих в буферном растворе при добавлении сильной кислоты или щелочи

B. характеристику реакций, протекающих в буферном растворе при разбавлении водой

C. почему не меняется рН

D. почему не меняется осмотическое давление

11. Какие из приведенных уравнений описывают механизм действия фосфатной буферной системы при добавлении сильного основания

A. H₃PO₄ + 3 NaOH ↔ Na₃PO₄ + 3 H₂O

B. NaH₂PO₄ + NaOH ↔ Na₂HPO₄ + H₂O

C. Na₂HPO₄ + HCl ↔ NaH₂PO₄ + NaCl

D. Na₂HPO₄ + 2 HCl ↔ H₃PO₄ + 2 NaCl

12. Какое из приведенных уравнений описывает механизм действия гемоглобиновой буферной системы при добавлении сильной кислоты

A. Hb^- + H⁺ ↔ HHb

B. НHb + H⁺ ↔ Hb⁺ + Н₂

C. Hb⁺ + OH^- ↔ HHbО

D. HbO₂^- + H⁺ ↔ HHbO₂

13. С помощью какого уравнения рассчитывается рН любой буферной системы

A. Бренстеда и Лоури

B. Клапейрона

C. Гандерсона –Гассельбаха

D. Гиббса

14. Как записывается уравнение для расчета рН кислотных буферов

15. Как записывается уравнение для расчета рН основных буферов

16. От чего не зависит рН буферной системы

A. от разбавления

B. от величины константы диссоциации кислоты

C. от величины соотношения концентраций компонентов буфера

D. от величины константы диссоциации основания

17. По какой из приведенных формул рассчитывают буферную емкость при титровании буфера кислотой

18. По какой из приведенных формул рассчитывают буферную емкость при титровании буфера щелочью

19. От каких из перечисленных факторов не зависит величина буферной емкости

A. исходной концентрации компонентов буфера

B. разбавления

C. от соотношения концентраций компонентов буфера

D. от давления

20. С позиции кислот и оснований и их протолитического взаимодействия в организме поддерживается

A. тургор

B. онкотическое давление

C. гомеостаз

D. температура тела

ЗАНЯТИЕ № 10

Буферные системы и растворы

План занятия

1. Проверка посещаемости и информация

2. Решение ситуационных задач

3. Лабораторная работа № 2

4. Подведение итогов занятия

Ситуационные задачи

Задача 22

К раствору, содержащему ацетат натрия, массой 16, 4 г добавили 50 мл соляной кислоты с концентрацией хлороводорода 1 моль/л. Объем полученного раствора довели дистиллированной водой до 1 л. Вычислите рН конечного раствора.

Задача 23

К раствору, содержащему хлорид аммония, массой 5, 35 г добавили 40 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 0, 5 моль/л. Объем полученного раствора довели дистиллированной водой до 0, 5 л. Вычислите рН конечного раствора.

Задача 24

В пяти колбах содержалось по 10 мл раствора уксусной кислоты с концентрацией 0, 1 моль/л. В каждую из этих колб был добавлен раствор гидроксида калия с концентрацией 0, 05 моль/л в разных объемах: а) 1 мл; б) 10 мл; в) 15 мл; г) 20 мл; д) 25 мл. Какие из образовавшихся растворов обладают буферным действием? Ответ подтвердите расчетами.

Задача 25

В пяти колбах содержалось по 20 мл раствора аммиака с концентрацией 0, 05 моль/л. В каждую из этих колб добавлена соляная кислота с концентрацией 0, 1 моль/л в разных объемах: а) 0, 5 мл; б) 5 мл; в) 7, 5 мл; г) 10 мл; д) 15 мл. Какие из образовавшихся растворов обладают буферным действием? Ответ подтвердите расчетами.

Задача 26

Какие из перечисленных растворов обладают буферным действием? Ответ подтвердите расчетом:

раствор NH₃ А) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл Б) с = 0, 01 моль/л, V = 10 мл	раствор NH₄Cl с = 0, 05 моль/л, V = 20 мл с = 0, 1 моль/л, V = 20 мл
раствор NH₃ В) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл Г) с = 0, 05 моль/л, V = 15 мл	раствор HCl с = 0, 05 моль/л, V = 15 мл с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл

Задача 27

Какие из перечисленных растворов обладают буферным действием? Ответ подтвердите расчетом:

раствор HCOONa А) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл раствор HCOONa Б) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл	раствор HCl с = 0, 05 моль/л, V = 5 мл раствор HCOOH с = 0, 01 моль/л, V = 5 мл
раствор NaOH В) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл Г) с = 0, 05 моль/л, V = 5 мл	раствор HCOOH с = 0, 05 моль/л, V = 5 мл с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл

Задача 28

Какие из перечисленных растворов обладают буферным действием? Ответ подтвердите расчетом:

раствор NaOH А) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл раствор CH₃COONa Б) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл	раствор CH₃COOH с = 0, 05 моль/л, V = 20 мл раствор CH₃COOH с = 0, 05 моль/л, V = 5 мл
раствор NaOH В) с = 0, 05 моль/л, V = 5 мл раствор CH₃COONa Г) с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл	раствор CH₃COOH с = 0, 1 моль/л, V = 10 мл раствор HCl с = 0, 01 моль/л, V = 5 мл

Задача 29

В двух пробирках находится раствор ацетатного буфера с одним и тем же значением рН. В одну пробирку добавили 5 капель 0, 1 н раствора NaOH, а в другую 5 капель дистиллированной воды. В каждую пробирку добавили по 4 капли кислотно - основного индикатора.