Методические указания и варианты контрольных заданий к самостоятельной работе студентов по дисциплине «Аналитическая химия» для студентов хтф направления (стр. 1 из 4)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ

Декан ХТФ

_______В.М._Погребенков

«____»_________ 2007 г.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Расчет рН в растворах различных электролитов

Методические указания и варианты контрольных заданий
к самостоятельной работе студентов по дисциплине
« Аналитическая химия» для студентов ХТФ направления
240100– «Химическая технология и биотехнология»

Томск 2007

УДК 543

Дубова Н.М. Аналитическая химия. Методические указания и варианты контрольных заданий к самостоятельной работе студентов ХТФ направления 240100 . – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 20 с.

Составитель доц., к.х.н. H.M.Дубова

Рецензент

доц., к.х.н. кафедры ФАХ Е.И.Короткова

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры физической и аналитической химии протокол № 1 от 28 сентября 2005г.

Зав. кафедрой ФАХ___________________ А. А. Бакибаев

Одобрено учебно-методической комиссией ХТФ

Председатель учебно-методической комиссии

Н.В.Ушева

Расчет рН в растворах различных электролитов

В данном методическом указании приводятся формулы и примеры упрощенного расчета рН в растворах сильных и слабых кислот и оснований, гидролизующихся солей, буферных системах без учета влияния ионной силы раствора .. Приведены некоторые примеры расчета рН в различных смесях кислот и оснований, скачка на кривых титрования и обоснования выбора индикатора.

1.Расчет рН в растворах сильных кислот и оснований.

Расчет рН в растворах сильных одноосновных кислот и оснований проводят по формулам (1-2):

рН = - lg C_к ( 1)

рН =14 + lg С_о ( 2)

Где C_{к ,} С_о –молярная концентрация кислоты или основания, моль/л

Пример 1. Вычислить рН, рОН, [Н⁺] , [ОН^-] в 0.01М HCl.

Решение. Соляная кислота относится к сильным кислотам, поэтому можно принять концентрацию ионов водорода равной концентрации кислоты [Н⁺] =0.01моль/л. Значение рН вычисляется по формуле ( 1) и равно рН= -lg 0.01 =2. Концентрацию гидроксид-ионов можно найти, зная величину ионного произведения воды:

[ОН^-] =10^-14/[Н⁺] = 10^-14/0.01 = 10^-12

Значение рOH = -lg 10^-12 =12

Кроме того величину рОН можно найти из известного равенства (3 )

рН + рОН = 14 (3)

2.Расчет рН в растворах слабых кислот и оснований

Расчет рН в растворах слабых одноосновных кислот и оснований проводят по формулам (4-5)

рН = 1/2 (рК_к – lgC_к) (4)

рН = 14 - 1/2( рК_О - lg C_О) (5)

Пример2.1. Вычислить рН 0.03 М раствора NH₄OH после смешивания его с водой в соотношении 1:2.

Решение. После смешивания 0.03М раствора аммиака с водой, его концентрация уменьшится в три раза. Подставляя в формулу (5) значение рК(NH₄OH )= 4.76 и концентрацию раствора после разбавления ,получим :

рН = 14 – 1/2 (4.76- lg 0.01) = 10.62

Пример 2.2 Вычислить рН при сливании 100мл соляной кислоты с Т=0.07300г/мл со 100мл раствора соляной кислоты с Т (HCl/NaOH ) =0.004000г/мл.

Решение. Значение рН после сливания двух растворов будет определяться суммарной концентраций ионов водорода, которая находится по формуле (6) :

( С_мV)₁ + ( С_мV)₂ = ( С_мV)₃ (6),

где V₃ =V₁ + V₂

Молярная концентрация ионов водорода в первом растворе находится по формуле С_М (HCl )= Т(HCl )×1000/М(HCl )=0.07300×1000/36.5 = 2.0 моль/л×; во втором растворе по формуле : С_М(HCl )=f× С_Н(HCl ); f=1;

С_Н(HCl )= Т(HCl/NaOH )×1000/М_Э(NaOH) =0.004000×1000/40 =0.01моль/л. Молярная концентрация ионов водорода в растворе, полученном после сливания и вычисленная по формуле (6) равна. С_м = 0.105 моль/л, рН = -lg0.105 =0.98

Пример 2.3 . Как изменится рОН 200мл 0.01М NH₄OH при добавлении к нему 100 мл 0.03М раствора NaOH ?

Решение . Вычислим значение рН раствора аммиака в первоначальном растворе по формуле (5): рН =14 –1/2 (4.76 – lg0.01) =10.62. Значение рОН в таком растворе рОН=3.38, а концентрация гидроксид ионов равна [ОН^-] =10^-3.38 =0.00046 моль/л, т.е. на два порядка меньше ,чем концентрация гидроксид-ионов в растворе NaOH. Поэтому значение рОН раствора , полученного при сливании будет в основном определяться концентрацией сильного электролита NaOH с учетом разбавления за счет добавления раствора аммиака .

Значение рОН = -lg100×0.03/300 =2

3.Расчет рН в растворах гидролизующихся солей

Различают 3 случая гидролиза солей:

а) гидролиз соли по аниону ( соль образована слабой кислотой и сильным основанием, например CH₃COO Na). Значение рН рассчитывают по формуле (7):

рН = 7 + 1/2 рК_к + 1/2 lg С_с ( 7)

б) гидролиз соли по катиону ( соль образована слабым основанием и сильной кислотой, например NH₄Cl ).Расчет рН в таком растворе ведут по формуле (8):

рН = 7 - 1/2 рК_о - 1/2 lg С_с ( 8)

в) гидролиз соли по катиону и аниону ( соль образована слабой кислотой и слабым основанием, например CH₃COO NH₄ ). В этом случае расчет рН ведут по формуле (9) :

рН = 7 + 1/2 рК_к - 1/2 рК_о (9)

Если соль образована слабой многоосновной кислотой или слабым многопротонным основанием , то в перечисленные выше формулы (7-9) расчета рН подставляются значения рК_к и рК_о по последней ступени диссоциации

Пример 3.1.Вычислить массу (г ) Na₂ CO₃ в 100 мл раствора с рН =11.16

Решение. Воспользуемся формулой (7).Подставим значение константы диссоциации угольной кислоты по второй ступени и вычислим значение молярной концентрации соли в растворе:

11.16 = 7 + 1/2 ×10.32 + 1/2 lg С_с

С_с =0.01моль/л. Зная С_с в растворе , рассчитаем массу соли в растворе по известной формуле m = C×М×V/1000= 0.01×106×100/1000 =0.1060г

4.Буферные системы

К буферным системам относятся смеси :

а)слабой кислоты и ее соли , например CH₃COO H + CH₃COO Na

б) слабого основания и его соли, например NH₄OH + NH₄Cl

в) смесь кислых солей разной кислотности , например

NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄

г) смесь кислой и средней солей , например NaНCO₃ + Na₂ CO₃

д) смесь основных солей разной основности , например

Al(OH)₂Cl + Al(OH)Cl₂ и т.д.

Расчет рН в буферных системах ведут по формулам (10-11)

рН = рК_к – lg C_к /С_с (10)

рН = 14 – рК_о+ lg C_о /С_с (11)

Пример 4.1. Сколько грамм NH₄Cl надо растворить в 200 мл 0.1М NH₄OH , чтобы получить раствор с рН =9.24 ?

Решение. При растворении NH₄Cl в растворе NH₄OH образуется буферная система. Расчет ведут по формуле (11).Подставляя численные значения рН, рК_о,, вычисляют концентрацию соли : С_с =0.1моль/л. Рассчитывают массу соли: m = C×М×V/1000= 0.1×53.5×200/1000=1.0700г.

5.Расчет рН в растворах различных смесей кислот и оснований

При сливании кислоты и основания рН полученной смеси зависит от количеств взятой кислоты и основания и их силы.

Пример5.1. Вычислить значение рН раствора, полученного при сливании50 мл 0.1н HCl c а) 20мл 0.2 н NaOH ; б) 51мл 0.1 н NaOH; в) 50мл 0.1 н NaOH

Решение . .Первоначально рассчитывают количество миллиэквивалентов взятых кислоты и основания (n_к, n _о, мэкв) до реакции. Затем рассчитывают количество кислоты и основания в растворе после проведения реакции и вычисляют рН .

а)Рассчитываем количество кислоты и основания до реакции:

n_к = С_н ×V = 50×0.1 = 5 мэкв; n _о .= 20×0.2 = 4 мэкв

Рассчитываем количество кислоты и основания после проведения реакции:

n_к = 5-_4 = 1 мэкв; n _о .= 0

Т.о. после проведения реакции в растворе останется сильная кислота, которая будет определять рН раствора. Расчет ведут по формуле (12):

рН = - lg [H⁺] _ост = - lg ((С_н ×V)_к – (С_н ×V)_о))/(V_k +V_o ) (12)

рН= - lg (50×0.1 -20×0.2 )/70 = -lg0,014 =1.85

б)Рассчитываем количество кислоты и основания до реакции:

n_к = С_н ×V = 50×0.1 = 5 мэкв; n _о .= 51×0.1 = 5.1 мэкв

После реакции:

n_к = 0 ; n _о .= (5.1 – 5.0 ) = 0.1 мэкв

Т.о. после проведения реакции в растворе останется сильное основание , которое будет определять рН раствора. Расчет ведут по формуле (13):

рН =14 + lg [ОH^-] _ост = 14 + lg ((С_н ×V)_о – (С_н ×V)_к))/(V_k +V_o ) (13)

рН =14 +lg(51×0.1 -50×0.1 )/101 = 11

в)Рассчитываем количество кислоты и основания до реакции:

n_к = С_н ×V = 50×0.1 = 5 мэкв; n _о .= 50×0.1 = 5 мэкв

После реакции:

n_к = 0 ; n _о .= 0

Кислота и основание взяты в эквивалентных количествах. В растворе будет соль NaCl , которая не подвергается гидролизу, рН =7.

Пример 5.2. Вычислить значение рН раствора, полученного при сливании50 мл 0.1н HСООН c а) 20мл 0.2 н NaOH ; б) 51мл 0.1 н NaOH; в) 50мл 0.1 н NaOH

рК(НСООН) =3.75

Решение

а)Рассчитываем количество кислоты и основания до реакции:

n_к = С_н ×V = 50×0.1 = 5 мэкв; n _о .= 20×0.2 = 4 мэкв

Рассчитываем количество кислоты и основания после проведения реакции:

n_к = 5-4 = 1 мэкв; n _о .= 0

Т.о. после проведения реакции в растворе останется слабая кислота HСООН.

Кроме того , в растворе есть соль слабой кислоты НСООNa , которая вместе с остатком слабой кислоты образует буферную смесь Расчет. рН раствора ведут по формуле (10). Количество эквивалентов соли полученное в растворе после проведения реакции равно количеству эквивалентов основания , взятого для проведения реакции: n_с =n_о .В расчетную формулу правомерно можно подставить вместо отношений концентраций кислоты к соли C_к /С_с отношение n_к /n_с