Podstawy Chemii Nieorganicznej Sprawozdanie ROZTWORY BUFOROWE	kod kursu: CHC012001 l
Nazwisko prowadzącego kurs	Imię i nazwisko	Nr indeksu

Doświadczenie 1. Wyznaczanie pojemności buforowej roztworu buforowego (HA/A-; BOH/B+)

Stężenia roztworów używanych w doświadczeniu:

C⁰_CH3COOH= 0,20 mol/dm³ C⁰_CH3COONa= 0,20 mol/dm³ pK_a= 4,75

C_HCl= 0,25 mol/dm³ C_NaOH= 0,25 mol/dm³

Objętość roztworów użytych do sporządzenia roztworu buforowego: VCH3COOH = 10 cm3 VCH3COONa = 10 cm3

Pomiar pojemności buforowej w stosunku do HCl:

Lp	VHCl [cm3]	nHCl [mol]	Vr-r [cm3]	Ca (Cb) [mol/dm3]	Cs [mol/dm3]	pHobl	pHpom
0	0	0	20,0	0,1	0,1	4,75	4,56
1	1	0,00025	21,0	0,107	0,0833	4,64	4,44
2	2	0,0005	22,0	0,114	0,0682	4,52	4,33
3	3	0,00075	23,0	0,120	0,0543	4,40	4,23
4	4	0,001	24,0	0,125	0,0417	4,27	4,11
5	5	0,00125	25,0	0,130	0,0300	4,11	3,98
6	6	0,0015	26,0	0,135	0,0192	3,90	3,82
7	7	0,00175	27,0	0,140	0,0093	3,57	3,60
8	8	0,002	28,0	0,143	0	2,80	3,26

Obliczenia pH roztworu buforowego po dodaniu kolejnych porcji roztworu HCl:

• ilość HCl

n_HCl= C_HCl* V_HCl

nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0 dm^3= 0 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,001 dm^3= 0,00025 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,002 dm^3= 0,00050 mol
nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,003 dm^3= 0,00075 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,004 dm^3= 0,00100 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,005 dm^3= 0,00125 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,006 dm^3= 0,00150 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,007 dm^3= 0,00175 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,008 dm^3= 0,00200 mol

• stężenie końcowe CH₃COOH

c_k = (c₀* V_p )+ n_HCl /( V_k )[mol/dm³]

c₀- stężenie początkowe CH₃COOH

V_p- objętość początkowa CH₃COOH

V_k- suma objętości HCl i CH₃COOH

$C_{a} = \frac{0,20\ mol/\text{dm}^{3}*0,01\ \text{dm}^{3}}{0,020\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,100\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00025\ mol}{0,021\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,107}\frac{\mathbf{\text{mo}}\mathbf{l}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00050\ mol}{0,022\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,114}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00075\ mol}{0,023\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,120}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00100\ mol}{0,024\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,125}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00125\ mol}{0,025\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,130}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00150\ mol}{0,026\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,135}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00175\ mol}{0,027\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,140}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00200\ mol}{0,028\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,143\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$

• stężenie końcowe CH₃COONa

c_k = (c₀* V_p )- n_HCl /( V_k )[mol/dm³]

c₀- stężenie początkowe CH₃COONa

V_p- objętość początkowa CH₃COONa

V_k- suma objętości HCl i CH₃COONa

$$0.\ \ C_{s} = \frac{0,2\ \text{mol}/\text{dm}^{3}*0,01\ \text{dm}^{3}}{0,02\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,100\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$$
$C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00025\ mol}{0,021\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0833\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00050\ mol}{0,022\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0682\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00075\ mol}{0,023\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0543\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00100\ mol}{0,024\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0417\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00125\ mol}{0,025\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0300}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00150\ mol}{0,026\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0192\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00175\ mol}{0,027\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0093}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00200\ mol}{0,028\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$

• stężenie jonów [H⁺ ] i pH

K_a= [H⁺]( [H⁺ ]+ c’_s )/ c’_a−[H⁺]

założenie: jeżeli c’_a >> [H⁺] i c’_s >> [H⁺] to [H⁺]= K_a ( c’_a/ c’_s)

pH= -log [H⁺]

1. [H⁺]= 10^-4,75(0,1/ 0,1)= 0,0000178 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,75

2. [H⁺]= 10^-4,75(0,107/ 0,0833)= 0,0000228 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,64

3. [H⁺]= 10^-4,75(0,114/ 0,0682)= 0,0000297 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,52

4. [H⁺]= 10^-4,75(0,120/ 0,0543)= 0,0000393 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,40

5. [H⁺]= 10^-4,75(0,125/ 0,0417)= 0,0000533 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,27

6. [H⁺]= 10^-4,75(0,130/ 0,0300)= 0,0000770 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,11

7. [H⁺]= 10^-4,75(0,135/ 0,0192)= 0,000125 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 3,90

8. [H⁺]= 10^-4,75(0,140/ 0,0093)= 0,000268 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 3,57

9. [H⁺]= $\sqrt{10^{- 4,75}*0,143}$= 0,00159 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 2,80

Pomiar pojemności buforowej w stosunku do NaOH:

Lp	VNaOH [cm3]	nNaOH [mol]	Vr-r [cm3]	Ca (Cb) [mol/dm3]	Cs [mol/dm3]	pHobl	pHpom
0	0	0	20,0	0,1	0,1	4,75	4,56
1	1	0,00025	21,0	0,0833	0,107	4,85	4,65
2	2	0,00050	22,0	0,0682	0,114	4,97	4,75
3	3	0,00075	23,0	0,0543	0,120	5,09	4,,86
4	4	0,00100	24,0	0,0417	0,125	5,22	4,96
5	5	0,00125	25,0	0,0300	0,130	5,38	5,10
6	6	0,00150	26,0	0,0192	0,135	5,59	5,24
7	7	0,00175	27,0	0,0093	0,140	5,93	5,42
8	8	0,002	28,0	0	0,143	8,96	5,69

Obliczenie pH roztworu buforowego po dodaniu kolejnych porcji roztworu NaOH:

• ilość NaOH

n_NaOH= C_NaOH* V_NaOH

nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0 dm^3= 0 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,001 dm^3= 0,00025 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,002 dm^3= 0,00050 mol
nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,003 dm^3= 0,00075 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,004 dm^3= 0,00100 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,005 dm^3= 0,00125 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,006 dm^3= 0,00150 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,007 dm^3= 0,00175 mol nHCl=0,25 mol/dm^3 * 0,008 dm^3= 0,00200 mol

• stężenie końcowe CH₃COONa

c_s = (c₀* V_p )+ n_NaOH /( V_k )[mol/dm³]

c₀- stężenie początkowe CH₃COONa

V_p- objętość początkowa CH₃COONa

V_k- suma objętości NaOH i CH₃COONa

$C_{a} = \frac{0,20\ mol/\text{dm}^{3}*0,01\ \text{dm}^{3}}{0,020\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,100\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00025\ mol}{0,021\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,10}\mathbf{7}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00050\ mol}{0,022\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,114}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00075\ mol}{0,023\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,120}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00100\ mol}{0,024\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,125}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00125\ mol}{0,025\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,130}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00150\ mol}{0,026\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,135}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00175\ mol}{0,027\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,140}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{a} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) + 0,00200\ mol}{0,028\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,143\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$

• stężenie końcowe CH₃COOH

c_a = (c₀* V_p )- n_NaOH /( V_k )[mol/dm³]

c₀- stężenie początkowe CH₃COOH

V_p- objętość początkowa CH₃COOH

V_k- suma objętości NaOH i CH₃COOH

$\text{\ \ }C_{s} = \frac{0,2\ \text{mol}/\text{dm}^{3}*0,01\ \text{dm}^{3}}{0,02\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,100\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$
$C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00025\ mol}{0,021\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0833\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00050\ mol}{0,022\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0682\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00075\ mol}{0,023\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0543\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00100\ mol}{0,024\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0417\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00125\ mol}{0,025\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0300}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00150\ mol}{0,026\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0192\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00175\ mol}{0,027\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0,0093}\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ $C_{s} = \frac{\left( 0,20\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}*0,01\ \text{dm}^{3} \right) - 0,00200\ mol}{0,028\ \text{dm}^{3}} = \mathbf{0\ }\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$

• stężenie jonów [H⁺ ] i pH

K_a= [H⁺]( [H⁺ ]+ c’_s )/ c’_a−[H⁺]

założenie: jeżeli c’_a >> [H⁺] i c’_s >> [H⁺] to [H⁺]= K_a ( c’_a/ c’_s)

pH= -log [H⁺]

1. [H⁺]= 10^-4,75(0,1/ 0,1)= 0,0000178 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,75

2. [H⁺]= 10^-4,75(0,0833/ 0,107)= 0,0000138 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,85

3. [H⁺]= 10^-4,75(0,0682/ 0114)= 0,0000106 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 4,97

4. [H⁺]= 10^-4,75(0,0543/ 0,120)= 0,00000805 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 5,09

5. [H⁺]= 10^-4,75(0,0417/ 0,125)= 0,00000593 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 5,22

6. [H⁺]= 10^-4,75(0,0300/ 0,130)= 0,00000410 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 5,38

7. [H⁺]= 10^-4,75(0,0192/ 0,135)= 0,00000253 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 5,59

8. [H⁺]= 10^-4,75(0,0093/ 0,140)= 0,00000118 $\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 5,93

9. [OH^-]= $\sqrt{\frac{10^{- 14}}{10^{- 4,75}}*0,143}$= 0,00000897$\frac{\mathbf{\text{mol}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}$ pH= 8,96

Wykres zależności pH roztworu buforowego od objętości dodanego HCl / NaOH:

Obliczenie pojemności buforowej:

1. w stosunku do HCl:

β= -(∆n_HCl/∆pH*V) = -[0,002* 1,00/ (-1,3)*0,020]= 0,0769 mol≈ 0,077mol

1. w stosunku do NaOH:

β= ∆n_NaOH/∆pH*V= 0,002* 1/ 1,04*0,020= 0,0962mol≈ 0,096 mol

Wnioski:

Na podstawie wykonanego doświadczenia i wykresu możemy stwierdzić, że po dodaniu mocnej zasady bądź mocnego kwasu, pH roztworu buforowego ulega niewielkiej zmianie, ale jedynie do pewnego momentu. Zmiana pH jest widoczna wtedy, gdy dodana zasada bądź kwas zużyje całą sól lub kwas.

Różnica widoczna między pH obliczonym, a mierzonym jest widoczna dlatego, że każdy wynik jest obraczony błędem. Błędem takim jest na przykład niedokładność odmierzania pipetą lub zanieczyszczone szkło laboratoryjne.