Chemia analityczna – bufory

Chemia analityczna – bufory

Bufory to ciężki dział dla adepta chemii analitycznej, zwłaszcza dla takiego pozostawionego samego sobie, muszącego mierzyć się z podręcznikami akademickimi jakie wymienione są w wykazie zalecanej literatury na stronie OlChemu. Przynajmniej takie było moje odczucie, gdy ja się tego uczyłem. Świadczyły też o tym moje wyniki na I etapie olimpiady przy moim pierwszym podejściu – zaledwie 5,75/20 pkt.

Dzisiaj post głównie dla wtajemniczonych, a same bufory z ich dogłębną analizą pokryję w materiale video. Na tę formę musimy jednak trochę poczekać, ponieważ mój pokój czeka na remont, a ostatecznie pojawi się w nim tablica, na której ładnie będzie można coś nagrać.

Do rzeczy.  Zadanie jest na poziomie I etapu. Przy okazji – tak, wiem, analitycznej nie ma w tegorocznym folderze wstępnym, ale bufory są wiedzą absolutnie elementarną. Jeśli marzysz o byciu w finale, nie widzę po prostu możliwości, abyś nie posiadał tej wiedzy. Nie można ślepo trzymać się tego, co jest w folderze wstępnym. Zwłaszcza, jeśli jesteś już w 3. klasie i to Twoja ostatnia szansa na sukces. Zatem do dzieła!

Zadanie 1. 

Mamy kwas benzoesowy, który zapiszemy sobie jako PhCOOH. Jego wartość pK_{a}=4,2

a) zapisz reakcję dysocjacji tego kwasu (1 pkt)

b) oblicz pH kwasu benzoesowego o stężeniu c=0,012 \frac{mol}{dm^{3}} (2 pkt)

c) zdefiniujmy r=\frac{[PhCOO^{-}]}{[PhCOOH]}. Oblicz r dla dwóch różnych roztworów, jednego o pH=4 a drugiego o pH=6 (3 pkt)

Do 25 \ cm^{3} roztworu kwasu benzoesowego (c=0,015 \frac{mol}{dm^{3}}) dodano 17 \ cm^{3} roztworu NaOH (c=0,012 \frac{mol}{dm^{3}}).

d) Oblicz pH powstałego roztworu. (4 pkt)

 

Rozwiązanie :

a) tutaj nie ma co komentować :

PhCOOH \leftrightarrow PhCOO^{-} + H^{+}

  • nie umiem zapisać takiej ładnej strzałki chemicznej, jakiej tu się powinno użyć, czyli takiej, która oznacza, że ustala się równowaga. Mam nadzieję, że wiecie o co chodzi.

b) K_{a} = \frac {[PhCOO^{-}][H^{+}]}{[PhCOOH]}

Robimy tzw. ,,tabelkę

\ \ \ \ \  PhCOOH \leftrightarrow PhCOO^{-} + H^{+}

0,012                           0                    0    \implies   początek dysocjacji

0,012  – x                    x                    x    \implies  stan równowagi

 

K_{a} = \frac {x^{2}}{0,012 - x}

Wstawiamy wartość K_{a} = 6,31\cdot 10^{-5}  i po przekształceniu uzyskujemy takie równanie kwadratowe :

x^{2} + 6,31\cdot 10^{-5} - 7,572\cdot 10^{-7} = 0 \implies x = 8,39 \cdot 10^{-4}

Drugi wynik tego równania jest ujemny, a przecież stężenie z definicji nie może być ujemne, zatem ten wynik odrzucamy.

Skoro x = [H^{+}] \ to \ pH = - log \  8,39 \cdot 10^{-4} \implies pH = 3,08

c) z równania na stałą kwasową równowagi K_{a} mamy :

r=\frac{[PhCOO^{-}]}{[PhCOOH]} = \frac{K_{a}}{[H^{+}]}

  • czyli dla pH = 4 \implies r = \frac{6,31\cdot 10^{-5}}{10^{-4}} i ostatecznie r = 0,631
  • analogicznie dla pH = 6 otrzymamy r = 63,1

d) najtrudniejszy podpunkt. Po pierwsze, zapiszmy reakcję jaka ma miejsce :

PhCOOH + NaOH \rightarrow PhCOONa + H_{2}O

Policzmy liczbę moli na samym początku reakcji, aby określić w jakim stosunku stechiometrycznym reagują ze sobą nasze substraty :

n^{\circ}_{PhCOOH} = 3,75 \cdot 10^{-4} \ moli

n^{\circ}_{NaOH} = 2,04 \cdot 10^{-4} \ moli

Dla ścisłości – zapis n^{\circ}_{x} oznacza początkową liczbę moli związku X.

Widzimy, że w nadmiarze jest kwas benzoesowy, zatem po reakcji zostanie PhCOOH, powstanie PhCOONa, natomiast NaOH cały się zużyje, zostanie go zero.

Powstał nam więc roztwór buforowy : mieszanina PhCOOH + PhCOONa. Korzystamy zatem ze wzoru Hendersona – Hasselbalcha

pH = pK_{a} + log \ \frac{[PhCOONa]}{[PhCOOH]}

* w tej części logarytmowej mogą być zarówno stosunki stężeń jak i moli. Ja częściej używam moli, gdyż tak jest wygodniej – nie muszę wtedy przejmować się zmianą objętości, która ma miejsce, gdy mieszam dwa roztwory.

Zanim skorzystamy z tego wzoru, potrzebujemy równowagowe wartości liczby moli (lub stężeń – jeśli tak Wam wygodniej), a nie początkowych :

n^{k}_{PhCOOH} = 3,75 \cdot 10^{-4} - 2,04 \cdot 10^{-4} = 1,71 \cdot 10^{-4}

n^{k}_{NaOH} = 0

n^{k}_{PhCOONa} = 2,04 \cdot 10^{-4}

Tym razem zapis – n^{k}_{X} oznacza końcową / równowagową liczbę moli związku X.

Wstawiamy do wzoru Hendersona :

pH = 4,2 + log \ \frac{2,04 \cdot 10^{-4}}{1,71 \cdot 10^{-4}}

Otrzymujemy pH = 4,28

  • podpunkt d) można zrobić nieco dokładniej i wówczas otrzymamy  [H^{+}] = 5,169 \cdot 10^{-5} Wówczas pH delikatnie się różni i wynosi 4,29. Jeśli kogoś interesuje ta droga dojścia do wyniku – proszę pisać w komentarzach ( a powinna interesować osobę aspirującą na dostanie się do finału).

Jest to zadanie czysto treningowe, dla osób z pewnym doświadczeniem w olimpiadzie, znających bufory, a więc raczej nie początkujących. Gdy tylko będę mógł, nagram film, w którym dogłębnie wytłumaczę :

  • co to są bufory i jak je rozpoznawać?
  • do czego służą te bufory
  • omówię 3 wzory potrzebne do buforów ( a żadnego tak naprawdę nie trzeba znać)
  • podział na bufory ,,bezpośrednie” oraz ,,ukryte”
  • rozwiążemy właściwie każdy typ zadania z buforami, jakie mogą się pojawić na OlChemie.

 

Every aspect of the world today – even politics and international relations – is affected by chemistry. – Linus Pauling

 

4 myśli w temacie “Chemia analityczna – bufory”

  1. Super wytłumaczone 🙂
    Ja przerobiłem na stężeniach i wyszło mi tak samo.
    A mógłbyś pokazać tę drugą drogę, gdzie wyjdzie 4,29?

    1. Spróbuj na razie z samą podpowiedzią :
      1) po pierwsze trzeba by obliczyć Q (iloraz reakcji) i zobaczyć (czyli przyrównać do stałej kwasowej), w którą stronę pójdzie reakcja (jeśli chcemy być bardzo dokładni, bo w sumie nie wiadomo, w którą stronę będzie biegła reakcja)
      2) dalej zadanie idzie zrobić z tabelki : po prostu pierwsza linijka, ta początkowa ma w sobie wyliczone wcześniej ilości PhCOOH oraz PhCOO- . Reakcja dysocjacji samego kwasu PhCOOH dopiero się zaczyna, więc możemy przyjąć, że stężenie H+ jest w tym momencie zero ( lub dla ścisłości 10^ -7). Więc w tabelce, w linijce ,,początkowej” powinny się znaleźć trzy liczby : stężenia początkowe PhCOOH, PhCOO- i H+, z czego to ostatnie można pominać.

      W razie wątpliwości wstawię dokładne rozwiązanie 🙂
      Pozdrawiam.

  2. sam stworzyłeś treść zadania? bardzo ciekawe, nie zły trening, mi wyniki powychodziły dobrze pomimo iż podpunkt d zrobiłem innym sposobem 😛

  3. Tak, w pewnym momencie trzeba się przerzucić na tworzenie zadań, bo już rozwiązywać na zawodach ich nie można, to też niezła frajda. Najbardziej lubię tworzyć z nieorganicznej obliczeniowej, organicznej takiej na kombinowanie – bo to jest odwrócona rzeczywistość : ja wiem, co jest związkiem X i muszę wykombinować czy na podstawie tych danych da się do tego dojść a ja muszę udawać, że nie znam odpowiedzi oraz jeszcze fizycznej. To jak robiłeś nie ma większego znaczenia, byle wynik się zgadzał :). Pozdrawiam

Leave a Reply