ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4, 5 Определение рН, степени и

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4, 5
Определение рН, степени и константы диссоциации слабых электролитов
Общая цель: Вам необходимо овладеть учебной программой данного занятия и научиться
применять учебный материал в своей будущей профессии.
Сделайте записи в рабочей тетради по плану:

дата;

номер занятия;

тема занятия;

цель занятия;

основные вопросы темы.
Учебные вопросы занятия:
1.
Определение степени и константы гидролиза
2.
Определение коэффициентов активности сильных электролитов
3.
Потенциометрическое титрование
Лабораторная работа №3. Определение рН и буферной емкости ацетатной буферной системы.
Ваши действия при подготовке к занятию и отработке программы занятия
При подготовке к данному занятию
Повторите тему 3 «Термодинамика гальванических элементов. Потенциометрия. Химические
источники тока» (модуль - Химическое равновесие в растворах электролитов.
Электрохимические системы) рабочей учебной программы дисциплины «Физическая химия».
Это очень важно, так как этот материал является базовой основой для получения новых знаний
и на нем строится программа занятия.
При отработке 1-го учебного вопроса обратите внимание на: Практическое использование
потенциометрических измерений (определение рН, степени и константы диссоциации слабых
электролитов, степени и константы гидролиза)
При отработке 2-го учебного вопроса обратите внимание на: Практическое использование
потенциометрических измерений (определение коэффициентов активности сильных
электролитов, потенциометрическое титрование, определение произведения растворимости,
константы нестойкости и состава комплексного соединения, чисел переноса).
При отработке 3-го учебного вопроса обратите внимание на: методику выполнения
лабораторной работы №3.
Лабораторная работа №3.
Определение рН и буферной емкости ацетатной буферной системы
Теоретическое обоснование
Буферным называют раствор, способный поддерживать определенное значение рН при
добавлении некоторого количества сильной кислоты или основания, а также при разбавлении.
Буферным действием обладают смеси слабых кислот и их солей с сильным основанием,
слабых оснований и их солей с сильной кислотой. Значение рН буферных растворов
рассчитывают по формуле:
где рКкисл = -lgKкисл - показатель константы диссоциации слабой кислоты, Скисл и Ссоли молярные концентрации кислоты и соли в буферном растворе. Понятно, что значение рН
зависит от соотношения концентраций компонентов раствора и не зависит от разбавления. Если
концентрации компонентов буферной смеси одинаковы, а рН изменяют соотношением
объёмов, то рН можно вычислить по формуле:
При расчетах рН примите, что значение константы диссоциации уксусной кислоты К =
1,8510-5 (Т=250С)
Механизм буферного действия
1. При разбавлении буферных растворов концентрации всех компонентов уменьшаются,
величина константы диссоциации не изменяется, поэтому рН тоже не изменяется.
2. При добавлении небольших количеств сильной кислоты или щелочи в буферный раствор
происходит связывание добавляемых ионов Н+ или ОН- соответствующими компонентами
буферной системы с образованием малодиссоциирующих соединений.
Защитные свойства буферных растворов сохраняются до тех пор, пока концентрации
компонентов, связывающих Н+ или ОН-, будут больше концентрации добавляемых ионов.
Буферная емкость
Способность буферных систем поддерживать постоянное значение рН небезгранична,
она зависит от качественного состава системы и концентрации компонентов. При добавлении к
буферной системе значительных количеств сильной кислоты или сильного основания
наблюдается заметное изменение рН. Буферное действие отличающихся по составу буферных
смесей неодинаково. Важной величиной, которая характеризует способность буферной системы
противодействовать изменению реакции среды (т.е. изменению ее рН) при добавлении кислот
или щелочей, является буферная емкость системы.
Буферная емкость измеряется количеством кислоты или щелочи (моль), добавление
которого к 1 литру буферной системы изменяет ее рН на единицу.
Величину буферной емкости системы по кислоте или по щелочи рассчитывают по формуле:
где N - концентрация (мольл-1) добавленной кислоты (щелочи); V - объем (л) кислоты
(щелочи); рН — абсолютная величина изменения рН буферной системы в результате
добавления киелоты (щелочи); Vр —- объем буферной смеси (л).
Буферная емкость зависит от соотношения концентраций компонентов буферной
системы, а следовательно, и от рН буфера.
Типичный график зависимости буферной емкости от рН на примере ацетатной
системы
приведен на рис. 1.
Максимальная буферная емкость соответствует значению рН = рК а = 4,74, что следует из
уравнения. При рН = рКа отношение Ссоль /Скислота = 1, т.е. в системе содержатся одинаковые
количества соли и кислоты. При таком соотношении концентраций компонентов системы ее рН
изменяется в меньшей степени, чем при других отношениях, следовательно, буферная емкость
максимальна при равных концентрациях компонентов буферной системы и уменьшается с
отклонением от этого соотношения. Из рис. 1 следует и другой важный вывод: рабочий участок
буферной системы, т.е. способность противодействовать изменению рН при добавлении кислот
и щелочей, имеет протяженность приблизительно в одну единицу рН с каждой стороны от
точки рН = рКа. Вне этого интервала буферная емкость быстро снижается. Интервал рКа ± 1
называется зоной буферного действия.
Цель работы: Приготовление ацетатных буферных систем различного состава и
измерение их рН. Изучение влияния разбавления и добавления сильных кислот и щелочей на
рН этих систем. Расчет буферной емкости ацетатной буферной системы.
Оборудование и реактивы: Штатив с бюретками, стаканы 50 мл, потенциометр (рН-метр
или иономер) с электродной системой (измерительный электрод - стеклянный, электрод
сравнения - хлорсеребряный); растворы CH3COOH (0,1 М), CH3COONa (0,1 М), HCl (0,1 М),
NaOH (0,1 М), NaCl (3%, физ. раствор), дистиллированная вода, фильтровальная бумага.
Рис. 1. Зависимость буферной
емкости ацетатной системы
от рН
Порядок работы:
1. Приготовить смеси растворов CH3COOH и CH3COONa в соответствии с табл. Измерить
рН этих смесей, записать результаты в строке рН1.
2. В строке 8 табл. 1 записать результаты измерения рН2 после разбавления буферных
смесей, добавления к ним кислоты и щелочи.
3. Измерить рН физиологического раствора, результат записать в строке рН1, после
добавления кислоты или щелочи - в строке рН2 табл.1.
4. Рассчитать значения рН исходных буферных смесей по уравнению и сравнить с
измеренными значениями:
5. Рассчитать значения буферной емкости изученных смесей.
6. Написать уравнения химических реакций, протекающих при разбавлении ацетатной
буферной системы и при добавлении к ней сильной кислоты и щелочи.
Таблица 1
Контрольные вопросы для защиты лабораторной работы
1.
Что называется буферной системой? В чем заключается буферное действие?
2.
Какие электроды используются для измерения рН?
3. Стеклянный электрод: схема, строение, особенности. Написать уравнение электродной
раакции в стеклянном электроде. От чего зависит электродный потенциал этого электрода? На
какой границе раздела в стеклянном электроде возникает потенциал, зависящий от рН
раствора?
4. Записать гальванические цепи, с помощью которых можно определить рН раствора.
5. Из каких компонентов состоит ацетатный буферный раствор, какая реакция произойдет при
добавлении к нему едкого натра? Как при этом изменится рН?
6. Показать механизм буферного действия ацетатной буферной системы при добавлении к ней
раствора соляной кислоты. Как изменится рН после добавления HCl?
3.
На чем основан метод потенциометрического титрования?
4.
Что такое буферная емкость?
5.
Дать определение слабого и сильного электролита. Привести примеры.
6.
Как зависит э.д.с. от кислотности раствора?
Задачи
1.
Вычислите рН буферной смеси, содержащей 0,01 моль уксусной кислоты и 0,5 моль
ацетата натрия.
2.
Какова должна быть концентрация хлорида аммония в 0,01 н. растворе аммиака, чтобы
концентрация ионов Н+ в растворе была равна 10–7 моль/дм3?
3.
При приготовлении формиатной буферной смеси 100 см3 23 н. раствора муравьиной
кислоты смешали с 30 см3 15 н. раствора формиата калия. Вычислите рН полученной смеси.
4.
В каком молярном соотношении необходимо смешать растворы карбоната и
гидрокарбоната натрия, чтобы получить раствор с рН 9,8.
5.
Вычислите рОН и рН буферной смеси, содержащей 0,1 моль гидроксида и 0,01 моль
хлорида аммония.
6.
Какова должна быть концентрация ацетата натрия в 0,01 М растворе уксусной кислоты,
чтобы концентрация ионов Н+ в растворе была равна 10–5 моль/ дм3?
7.
Вычислите концентрацию ионов Н+ и рН раствора, полученного путем смешивания 25
см3 0,03 М раствора фтороводородной кислоты и 40 см3 0,2 М раствора фторида калия.
8.
Вычислить э.д.с. при титровании перманганатом 0,02н раствора соли Мора с
каломельным (0,1н KCl) электродом после окисления: а) 0,5 соли, б) 0,9 соли и в) 0,99 соли.
Коэффициенты активности не учитывать.
Рекомендуемая литература:
Список основной литературы:
1.
Беляев, А. П. Физическая и коллоидная химия [Текст] : учеб.для студ. вузов / А. П.
Беляев, В. И. Кучук ; под ред. А. П. Беляева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа,
2012. - 752 с.
2.
Кудряшева, Н. С. Физическая химия : [базовый курс] : учебник для бакалавров / Н.С.
Кудряшева, Л.Г. Бондарева ; Сиб. федер. ун-т. – Москва :Юрайт, 2012. – 340 с.
3.
Горшков, В. И. Основы физической химии : учебник / В. И. Горшков, И. А. Кузнецов. –
3-е изд. – Москва : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 407 с.
Дополнительная литература:
1.
Задачи по физической химии : учеб.пособие для студентов вузов / В.В. Еремин, С.И.
Каргов, И.А. Успенская [и др.]. – Москва : Экзамен, 2005.
2.
Основы физической химии : теория и задачи : учеб. пособие для вузов / [Еремин В. В. и
др.] ; Мос.гос. ун-т им. М. В. Ломоносова. – М. : Издательство "Экзамен", 2005. – 478 с.
3.
Стромберг, А. Г. Физическая химия : учебник для вузов / А. Г. Стромберг, Д. П.
Семченко ; под ред. А. Г. Стромберга. – Изд. 4-е испр. – М. : Высшая школа, 2001. – 527 с.
4.
Практические работы по физической химии / Под ред. К.П. Мищенко, А.А. Равделя. 3е изд., испр. СПб, 2002. 315с.
5.
Разделы физической химии. лабораторные работы и тесты: уч.по. –
Ставрополь:СтГМА, 2008.-120с.