Задача по буферным системам Рассчитайте буферную емкость гидрокарбонатной буферной системы, если при добавлении к 30 мл буферной системы 3 мл 0,1 М раствора HCl pH изменился на 0,2; а при добавлении 2 мл 0,1 М раствора NaOH pH изменился на 1,0.
Сравните буферные емкости по кислоте и по основанию. Какого компонента буферной системы первоначально было больше: протолитического основания или протолитической кислоты?
Ответ поясните уравнениями реакций.

Предыдущий
вопрос Следующий
вопрос

Для начала найдем изменение в pH при добавлении растворов HCl и NaOH:

При добавлении 3 мл 0,1 М раствора HCl:
n(HCl) = 3 мл 0,1 М = 0,3 ммоль
n(HCO3-) = n(H+) = 0,3 ммоль
Кислотно-основное равновесие: HCO3- + H+ <-> H2CO3
pH = pKa + log([HCO3-]/[H2CO3])
pH' = 6,3 (из показанных данных)
6,3 = pKa + log(30 нмоль/(30 нмоль + 0,3 ммоль))
6,3 = pKa + log(0,01)
log(0,01) = -2
6,3 = pKa - 2
pKa = 8,3
Ka = 10^-pKa = 10^-8,3 = 5,0110^-9
Тогда концентрации HCO3- и H2CO3 после добавления HCl:
[HCO3-] = 30 нмоль/(30 нмоль + 0,3 ммоль) = 0,99
[H2CO3] = 0,01
pH = 7,69 -> при добавлении 3 мл HCl pH увеличится на 1,39 ед.

При добавлении 2 мл 0,1 М раствора NaOH:
n(NaOH) = 2 мл 0,1 М = 0,2 ммоль
n(OH-) = n(H+) = 0,2 ммоль
HCO3- + OH- <-> H2O + CO3^2-
HCO3- вступает в обратную реакцию
pH = pKa + log([CO3^2-]/[HCO3-])
pH' = 7,2 (из показанных данных)
7,2 = pKa + log(0,2 ммоль/(30 нмоль + 0,2 ммоль))
7,2 = pKa + log(0,0066)
log(0,0066) = -2,18
7,2 = pKa - 2,18
pKa = 9,38
Ka = 10^-pKa = 10^-9,38 = 3,5410^-10
Тогда концентрации CO3^2- и HCO3- после добавления NaOH:
[CO3^2-] = 0,2 ммоль/(30 нмоль + 0,2 ммоль) = 0,0066
[HCO3-] = 0,993
pH = 6,49 -> при добавлении 2 мл NaOH pH увеличится на 0,29 ед.

Теперь найдем буферные емкости:
β(H) = Δn(H+)/Δ(pH) = 0,3 ммоль / 1,39 = 0,215 ммоль/ед.рН
β(OH) = Δn(OH-)/Δ(pH) = 0,2 ммоль / 0,29 = 0,69 ммоль/ед.рН

Таким образом, буферная емкость по основанию (β(OH)) больше, чем буферная емкость по кислоте (β(H)). Поэтому начальное количество протолитического основания (HCO3-) в буферной системе было больше, чем протолитической кислоты (H2CO3).