Grupa VIII 26.10.2009 r.

SPRAWOZDANIE

Ćwiczenie nr 5

ROZTWORY BUFOROWE

ROZTWORY BUFOROWE- roztwory, których wartość pH po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów albo zasad, jak i po rozcieńczeniu wodą prawie się nie zmienia. Roztwory buforowe tworzą: roztwory słabych kwasów oraz ich soli z mocną zasadą; roztwory słabych zasad i ich soli z mocnym kwasem; roztwory wodorosoli np. NaHCO₃ , NaH₂PO₄ lub Na₂HPO₄ .

PRZYKŁADY ROZTWORÓW BUFOROWYCH:

● bufor mrówczanowy: HCOOH, HCOONa

● bufor octanowy: CH₃COOH, CH₃COONa

● bufor amonowy: NH3 ∙ H₂O, NH₄Cl

● bufor fosforanowy: KH₂PO₄, K₂HPO₄

● bufor boranowy: H₃BO₃, Na₂B₄O₇

ZASADA DZIAŁANIA ROZTWORÓW BUFOROWYCH (na przykładzie układu słabego kwasu i komplementarnej do niego soli):

W tym przypadku głównym źródłem silnej zasady (A^-) nie jest słabo dysocjujący kwas, lecz mocno zdysocjowana sól (XA):

XA ↔ X⁺(aq) + A^-(aq) (1)

Niezależnie od wyjściowych składników bufora, po ich rozpuszczeniu w wodzie i częściowej dysocjacji tworzy się równowaga słabego kwasu (HA) i sprzężonej z nim mocnej zasady (A-):

HA(aq) + H₂O ↔ H₃O⁺(aq) + A^-(aq) (2)

która jest odpowiedzialna za odporność buforu na zmiany pH.

Ze względu na dużą ilość jonów A^- dostarczanych w reakcji (1) przez sól, równowaga opisana równaniem (2) jest bardzo silnie przesunięta w stronę kwasu (HA). Można powiedzieć, że w tego rodzaju buforze niemal cała ilość jonów A^- pochodzi z soli, zaś słaby kwas (HA) pozostaje w roztworze w formie prawie nie zdysocjowanej. Zadaniem soli jest więc blokowanie dysocjacji słabego kwasu.

W momencie dodania do roztworu buforowego silnej zasady, reaguje ona z jonami hydroniowymi (H₃O⁺(aq)), które jednak są natychmiast regenerowane przez dysocjację kwasu (HA), którą uruchamia właśnie fakt znikania jonów hydroniowych w równowadze opisanej równaniem (2).

W momencie dodania silnego kwasu, silna zasada sprzężona (A-), która występuje cały czas w dużym stężeniu po prostu reaguje z tym kwasem i w rezultacie pH całego układu się nie zmienia.

POJEMNOŚĆ BUFOROWA (β)- wielkość charakteryzująca zdolność buforowania przez dany roztwór, czyli przeciwstawiania się zmianom pH po dodaniu do roztworu mocnego kwasu lub zasady.

ZASTOSOWANIE ROZTWORÓW BUFOROWYCH:

● produkcja barwników

● produkcja leków syntetycznych

● procesy fermentacyjne

● w poligrafii przy druku w technice offsetowej

● kontrolowanie pH gotowych produktów spożywczych, kosmetyków i leków

Doświadczenie 1

Porównanie wpływu rozcieńczenia na pH roztworu kwasu mrówkowego oraz buforu mrówczanowego.

• Wykonałyśmy obliczenia, których celem było ustalenie ilości stałego mrówczanu sodowego, którego należy użyć do otrzymania 50 cm³ 2 molowego roztworu HCOONa.

C_m= n/V => n= C_m* V

n= 0,05 dm³ * 2 mol/dm³

n= 0,1 mol

n= m/M => m= n* M

m= 0,1 mol * 68 g/mol

m= 6,8 g

• Sporządziłyśmy w kolbie miarowej o pojemności 50 dm³ 2 molowy roztwór HCOONa.

• Przygotowałyśmy 40 dm³ 1M buforu mrówczanowego mieszając w małej suchej zlewce, 20 dm³ 2 molowego HCOONa i 20 dm³ 2 molowego HCOOH.

• Następnie w kolbie miarowej o pojemności 50 cm³ sporządziłyśmy

0,1 M roztwór buforu mrówczanowego, rozcieńczając odpowiednio 5 cm³ 1 M roztworu tego buforu.

• W taki sam sposób przygotowałyśmy 0,01 M roztwór buforu mrówczanowego.

• W drugiej części ćwiczenia przygotowałyśmy w kolbie miarowej o pojemności 50 cm³ 1 molowy roztwór HCOOH rozcieńczając 25 cm³

2 molowego roztworu tego kwasu

• W podobny sposób przygotowałyśmy 0,1 molowy roztwór kwasu mrówkowego, a następnie 0,01 molowy.

• Za pomocą pH- metru zmierzyłyśmy pH otrzymanego roztworu buforowego i kwasu o różnych stężeniach.

stężenie HCOOH	pH HCOOH	stężenie buforu	pH buforu
1mol/dm3	2,05	1mol/dm3	3,76
0,1mol/dm3	2,57	0,1mol/dm3	3,8
0,01mol/dm3	2,94	0,01mol/dm3	3,9

Doświadczenie 2

Sporządzenie buforu octanowego.

• Do pięciu suchych zlewek wlałyśmy roztwory 0,2M CH₃COOH i 0,2M CH₃COONa w proporcjach zgodnych z tabelką zamieszczoną poniżej.

I II III IV V

CH3COOH [cm^3]	18	14	10	6	2
CH3COONa [cm^3]	2	6	10	14	18
pH teoretyczne	3,776	4,36	4,73	5,10	5,68
pH doświadczalne	3,5	4,2	4,6	4,9	5,4

• Po zmieszaniu odpowiednich objętości kwasu i soli zmierzyłyśmy pH doświadczalne, otrzymanych roztworów za pomocą pH-metru.

• Kolejnym krokiem było obliczenie pH teoretycznego. Aby to ucznić należy skorzystać z wzoru, który odnosi się do buforu składającego się ze słabego kwasu i soli tego kwasu z mocną zasadą. Wzór ten wygląda następująco:

pH= pK_A - log C_K /C_S

K_A =1,86 * 10^-5

pK_A= 4,73

pH₁= 4,73 - log 18/2= 3,776

pH₂ = 4,73 - log 14/6= 4,36

pH₃ = 4,73 - log10/10= 4,73

pH₄ = 4,73 - log6/14= 5,10

pH₅ = 4,73 - log 2/18= 5,68

1. Wyjaśnić wpływ rozcieńczenia na pH roztworów buforowych i kwasów.

Rozcieńczanie roztworów buforowych nie ma wpływu na wartość pH. Zachowany jest stosunek stężeń składników każdego buforu. Zmienia się natomiast „siła jonowa” oraz pojemność buforowa.. Zmiana aktywności poszczególnych jonów w roztworze wpływa na pH, szczególnie w przypadku buforów opartych na solach kwasów wieloprotonowych, np. w buforze fosforanowym. Rozcieńczanie wodą kwasów powoduje spadek stężenia kwasu i nieznaczny wzrost pH (dodanie równej objętości wody daje wzrost pH o ok. 0,3)

2. Podać definicję pojemności buforowej i wyjaśnić jej zależność od pH i stężenia roztworu buforowego.

Pojemność buforowa to wielkość charakteryzująca zdolność buforowania przez dany roztwór, czyli przeciwstawiania się zmianom pH po dodaniu do roztworu mocnego kwasu lub zasady.

Pojemność buforową można przedstawić poniższym wzorem:

gdzie:

• Δn - ilość moli dodanego mocnego kwasu lub zasady (w praktyce podaje się dla 1 dm³ bufora, (Δn/V))

• ΔpH - zmiana pH wywołana dodaniem tej ilości kwasu lub zasady

Pojemność buforowa zależy od:

- stałej równowagi głównej reakcji

- stężenia czynnika słabo dysocjującego

- ogólnego stężenia kwasu i jego soli

- nie zależy od mocy kwasu

- im większe jest stężenie buforu, tym większa jest jego pojemność buforowa

W miarę zwiększania ilości dodawanego kwasu lub zasady pojemność buforowa zmniejsza się i staje się równa zeru, ponieważ cała zawarta w buforze sól zmieni się w słaby kwas lub też cały słaby kwas zostanie przeprowadzony w sól. Największą pojemność buforową mają roztwory, w których stosunek stężeń soli i kwasu (ewentualnie zasady) jest równy jedności.

Dla takich roztworów pH=pKk lub pH=pKz, gdzie Kk lub Kz oznacza odpowiednio stałą dysocjacji słabego kwasu lub słabej zasady. Pojemność buforowa jest równa 1 wówczas, gdy dodanie 1 mola kwasu (zasady) do 1 litra roztworu buforowego spowoduje zmianę pH tego roztworu o jedną jednostkę. Pojemność buforowa zależy również od stężenia roztworu buforowanego. Im większe jest stężenie buforu, tym większa jest jego pojemność buforowa.

3. Wyjaśnić, co jest warunkiem wykazywania przez roztwór właściwości buforujących pH.

Aby roztwór miał właściwości buforujące powinien mieć odpowiedni skład. Musi się składać z zestawienia: słaby kwas+ jego sól z mocną zasadą

(np. CH₃COOH i CH₃COONa) lub słaba zasada+jej sól z mocnym kwasem

(np. NH3 ∙ H₂O i NH₄Cl).

4. Porównać pH roztworów buforowych (ćwiczenie nr 2) doświadczalne i teoretyczne.

Widoczna jest niewielka różnica pomiędzy pH teoretycznym a doświadczalnym, różnica ta przyjmuje średnio wartość 0,2 w każdej probówce. Wraz ze zmianą stosunku objętości CH3COOH do CH₃COONa zarówno pH teoretyczne jak i pH doświadczalne rośnie.

---