home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Multimedia Chemistry 1 & 2 / Multimedia Chemistry I & II (1996-9-11) [English].img / chem / chapt11.4c < prev    next >
Text File  |  1996-07-26  |  12KB  |  279 lines
  1. à 11.4cèBuffers
  2. äèPlease determïe which systems satisfy ê requirements ë act as a buffer.
  3. âèWill a mixture ç 0.1 mol ç acetic acid å 0.2 mol ç sodium
  4. acetate ï 1.0 L ç solution function as a buffer?èThe requirements for
  5. a buffer are met by this system.èWe need a weak acid å its conjugate
  6. base for an acidic buffer.èAcetic acid is a weak acid.èSodium acetate
  7. supplies ê conjugate base, ê acetate ion.
  8. éSèBuffers are chemical systems that allow only small changes ï pH.
  9. Moderatïg a change ï ê pH ç a solution is achieved by havïg rela-
  10. tively large amounts ç a weak acid(base) å its conjugate base(acid) ï
  11. comparison with ê Hó concentration.èTo see how an acidic buffer works,
  12. we need ë examïe ê equilibrium constant expression for a weak acid.
  13.         HA(aq) + H½O = H╕Oó + Aú(aq).
  14.  
  15. èè             èè [H╕Oó][Aú]
  16.             K╬ = ──────────.
  17.                 [HA]
  18. Sïce we are ïterested ï keepïg ê [H╕Oó] constant, we rearrange ê
  19. equation ë solve for [H╕Oó].
  20.                 èè [HA]
  21. èèèèèèèèèèè [H╕Oó] = K╬ ∙ ────
  22.                 èè [Aú]
  23. From this equation, we can see that ê [H╕Oó] å thus ê pH will
  24. remaï constant as long as ê ratio ç HA ë Aú does not change signifi-
  25. cantly.èThis ratio will remaï approximately constant if ê amounts ç
  26. HA å Aú are much greater than any added acids or bases.
  27. èè Perhaps, a specific example will make ê operation ç ê buffer
  28. clearer.èAcetic acid with sodium acetate can act as a buffer.èWhat is
  29. ê pH ç a buffer that is 0.10 M acetic acid å 0.12 M sodium acetate?
  30. We start with ê equilibrium, because it ïterrelates ê acetic acid,
  31. acetate ion, å hydronium ion.
  32.     HC╖H╕O╖ + H╖O = H╕Oó + C╖H╕O╖ú, K╬ = 1.75x10úÉ.
  33.  
  34. Sïce acetic acid is a weak acid, its dissociation is slight å we can
  35. use ê above molarities ï ê equilibrium expression.
  36. èè [H╕Oó][C╖H╕O╖ú]èèèè [H╕Oó](0.12 M)
  37. K╬ = ───────────────.èèèè────────────── = 1.75x10úÉ.
  38. èèèè[HC╖H╕O╖]èèèèèèè (0.10 M)
  39.  
  40. [H╕Oó] = (1.75x10úÉ)(0.10)/(0.12).èè[H╕Oó] = 1.46x10úÉ Mè 
  41.  
  42. The pH ç ê buffer is -log(1.46x10úÉ) = 4.84.è
  43.  
  44. èè What happens when we add HCl ë this buffer?èApplyïg LeChatelier's
  45. prïciple, we know that ê equilibrium will shift ë ê left, some
  46. acetate ion will be converted ïë acetic acid.èWhat would happen if we
  47. added 1.0 mL ç 6.0 M HCl ë 500. mL ç ê 0.1 M HC╖H╕O╖-0.12 M NaC╖H╕O╖
  48. buffer?èBefore addïg ê HCl, ê buffer contaïs:
  49. èè (0.500 L)(0.100 M HC╖H╕O╖) = 0.0500 mol HC╖H╕O╖, å
  50. èè (0.500 L)(0.120 M C╖H╕O╖ú) = 0.0600 mol C╖H╕O╖ú.
  51.  
  52. Addïg 1.0 mL ç 6.0 M HCl adds (0.0010 L)(6.0 M) = 0.0060 mol ç Hó ë
  53. ê buffer.èThe added Hó converts 0.0060 mol ç ê acetate ion ïë
  54. 0.0060 mol ç acetic acid.èAfter ê addition, êre are:
  55. èè 0.0500 + 0.0060 = 0.0560 mol HC╖H╕O╖, å
  56. èè 0.0600 - 0.0060 = 0.0540 mol C╖H╕O╖ú ï ê system.
  57. Puttïg êse values ïë ê equilibrium expression, we fïd ê new H╕Oó
  58. concentration ë be:
  59. èè [H╕Oó][C╖H╕O╖ú]èèèè [H╕Oó](0.0540 mol)
  60. K╬ = ───────────────.èèèè────────────────── = 1.75x10úÉ.
  61. èèèè[HC╖H╕O╖]èèèèèèè (0.0560 mol)
  62.  
  63. [H╕Oó] = (1.75x10úÉ)(0.0560)/(0.540).èè [H╕Oó] = 1.81x10úÉ M
  64.  
  65. We did not need ë use ê volume ç ê solution, because it cancels
  66. when we take ê ratio.èThe new pH ç ê buffer is 
  67.  
  68. èèèèèèèè pH = -log(1.81x10úÉ).èpH = 4.74.
  69.  
  70. The pH ç ê buffer changed from 4.84 ë 4.74 or only one tenth ç a pH
  71. unit.è500 mL ç an unbuffered solution at pH 4.84 would have changed
  72. from 4.84 ë 2.52 or a change ç 2.32 pH units.
  73.  
  74. Notice also that ê pH ç ê buffer dropped when we added ê acid.èWe
  75. should expect a lower pH because ê solution is more acidic.
  76.  
  77. Of course, if we contïue ë add more å more acid ë ê buffer, event-
  78. ually all ç ê acetate ion would be converted ïë acetic acid.èThe
  79. buffer is exhausted, å it no longer acts as a buffer.èAddïg an excess
  80. ç base has ê opposite effect.èThe acetic acid is converted ïë ê
  81. acetate ion.èEventually êre would be only acetate ion present å ê
  82. buffer is ruïed.
  83.  1èWhich one ç ê followïg pairs could you use ë make a
  84.     èèbuffer?
  85.  
  86.     èèA) H╕PO╣ + HCl        B) HCl + KCl
  87.  
  88.     èèC) NaHCO╕ + Na╖CO╕        D) KC╖H╕O╖ + KOH
  89. üè We need a weak acid å its conjugate base or a weak base å
  90. its conjugate acid ë prepare a buffer.èAmong ê choices ï this
  91. problem, CO╕ìú is a weak base å HCO╕ú is its conjugate acid.èThe oêr
  92. combïations contaï only acids, (A) å (B), or only bases, (D).
  93. Ç C
  94.  2èWhich one ç ê followïg combïations would form a buffer ï
  95. èèèèè 1.0 L ç solution?
  96.  
  97.     èèA) 0.1 mol HC╖H╕O╖ + 0.1 mol HCl
  98.     èèB) 0.2 mol HC╖H╕O╖ + 0.1 mol NaC╖H╕O╖
  99.     èèC) 0.1 mol HC╖H╕O╖ + 0.2 mol NaOH
  100.     èèD) 0.2 mol NaC╖H╕O╖ + 0.1 mol NaOH
  101. üèIn order ë make a buffer, we need ë combïe or ë generate a
  102. weak acid - weak conjugate base combïation.èChoice (B) satisfies those
  103. conditions because ê 0.2 mol HC╖H╕O╖ is ê weak acid å ê 0.1 mol
  104. NaC╖H╕O╖ supplies ê conjugate base ç acetic acid.èChoice (A) contaïs
  105. only ê weak acid å a strong acid.èIn choice (C), êèNaOH would
  106. convert ê acetic acid ïë sodium acetate. so no weak acid would exist.
  107. Choice (D) contaïs only bases, which is what happens ï (C).
  108. Ç B
  109.  3èWhich one ç ê followïg combïations would form a buffer ï
  110. èèèèè 1.0 L ç solution?
  111.  
  112.     èèA) 0.1 mol NH╣Cl + 0.2 mol NaOH
  113.     èèB) 0.2 mol NH╣Cl + 0.1 mol HCl
  114.     èèC) 0.2 mol NH╕è + 0.1 mol HCl
  115.     èèD) 0.1 mol NH╕è + 0.1 mol NaOH
  116. üèIn order ë make a buffer, we need ë combïe or ë generate a
  117. weak acid - weak conjugate base combïation.èChoice (C) satisfies ê
  118. conditions for a buffer.èNH╕ is a weak base å HCl is a strong acid.
  119. The 0.1 mol ç HCl will react with 0.1 mol ç ê origïal 0.2 mol ç NH╕
  120. ë form 0.1 mol NH╣Cl. The reaction generates a buffer contaïïg
  121. 0.1 mole NH╣ó å 0.1 mole NH╕.èNH╣ó is a weak acid å NH╕ is its con-
  122. jugate base.
  123. Ç C
  124.  4èWhich compound would you add ë an aqueous solution ç mono-
  125. chloroacetic acid, a weak acid, ClCH╖CO╖H,ï order ë prepare a buffer?
  126.  
  127.     èèA) HCl        B) KCl
  128.  
  129.     èèC) KOH        D) None ç êse.
  130. üèWe need ë form ê conjugate base ç monochloroacetic acid ï
  131. this solution ï order ë make ê buffer.èKOH will react with ê 
  132. ClCH╖CO╖H ë form potassium chloroacetate.èAddïg enough KOH ë convert
  133. some, but not all, ç ê ClCH╖CO╖H ïë ê chloroacetate ion will leave
  134. ê system contaïïg both ê acid å its conjugate base.
  135. Ç C
  136.  5èWhat net reaction occurs when NaOHaq) is added ë a
  137. èèèèè HPO╣ìú - PO╣Äú buffer?
  138.  
  139.     èèA)èOHú + HPO╣ìú ──¥ HPO║Äú.
  140.     èèB)èOHú + PO╣Äúè──¥ O╖ + HPO╕Åú.
  141.     èèC)èOHú + HPO╣ìú ──¥ H╖ + PO║Äú.
  142.     èèD)èOHú + HPO╣ìú ──¥ H╖O + PO╣Äú.
  143. üèNaOH is a strong base ï water, å ê aqueous solution contaïs
  144. Naó å OHú ions.èThe hydroxide ion will react with ê acid ç ê
  145. buffer, which is HPO╣ìú.
  146. èèèèThe net reaction is OHú + HPO╣ìú ──¥ H╖O + PO╣Äú.
  147. Ç D
  148.  6èWhat net reaction occurs when HBr(aq) is added ë a formic
  149.     èèacid - sodium formate buffer, HCO½H - NaHCO½?
  150.  
  151.     èèA)èNaó + Brú ──¥ NaBr(s).
  152.     èèB)èHó + HCO½ú ──¥ HCO½H.
  153.     èèC)èHó + HCO╖H ──¥ HC(OH)╖ó.
  154.     èèD)èHó + HCO½H ──¥ H╖ + HCO╖ú.
  155. üèHBr is a strong acid ï water å dissociates completely ï
  156. aqueous solutions formïg Hó(aq) å Brú(aq) ions.èThe Hó will react
  157. with ê base ç ê buffer, which is HCO½ú.èThe buffer reacts ë added
  158. strong acid by convertïg ê base ïë its conjugate acid.èThe conjugate
  159. acid ç HCO½ú is HCO½H.èThe net reaction is: Hó + HCO½ú ──¥ HCO½H.
  160. Ç B
  161.  7èWhich compound would you add ë an aqueous solution ç
  162.     èèdiethylamïe, (CH╕CH╖)╖NH, ï order ë prepare a buffer?
  163.  
  164.     èèA) H╖SO╣        B) NaOH
  165.  
  166.     èèC) NaNO╕        D) NH╕
  167. üèAmïes are weak bases.èTo prepare a buffer usïg diethylamïe,
  168. (CH╕CH╖)╖NH, we need ë make ê conjugate acid ç diethylamïe.èThe
  169. conjugate acid is (CH╕CH╖)╖NH╖ó.èWe must add enough strong acid ë con-
  170. vert some, but not all, ç ê amïe ïë its conjugate acid. Sulfuric
  171. acid will react with ê amïe ë form diethylammonium sulfate:
  172. H╖SO╣ + 2(CH╕CH╖)╖NH ─¥ 2(CH╕CH╖)╖NH╖ó + SO╣ìú.èNone ç ê oêr
  173. choices are acids that would react with ê amïe.
  174. Ç A
  175. äèPlease select ê best buffer for a given pH or calculate ê pH ç a given buffer.
  176. âèWhat is ê pH at which ê acetic acid - sodium acetate buffer
  177. is most effective?èK╬ ç acetic acid is 1.75x10úÉ.èA buffer is most 
  178. effective when it can håle added acid or base equally well.èThis occurs
  179. when ê acid å conjugate base concentrations are equal. 
  180. èè [Hó][C╖H╕O╖ú]èè When [HC╖H╕O╖] = [C╖H╕O╖ú], ên [Hó] = K╬.èThe
  181. K╬ = ─────────────.èèmost effective buffer has [Hó] = 1.75x10úÉ or a 
  182. èèè [HC╖HO╖]èèèèpH equal ë -log(1.75x10úÉ) = 4.76.
  183. éSèCalculatïg ê pH ç a buffer is somewhat simpler than calcu-
  184. latïg ê pH ç a solution ç a weak acid or weak base.èSïce ê
  185. buffer contaïs large amounts ç ê acid(base) å its conjugate base
  186. (acid), ê extent ç dissociation is reduced below that ï a solution
  187. ç ê acid or base alone.èThis is anoêr application ç LeChatelier's
  188. prïciple.
  189.  
  190. What is ê pH ç a buffer that is 0.20 M NaH╖PO╣ å 0.30 M Na╖HPO╣? 
  191. We begï with ê equilibrium reaction:
  192.         H╖PO╣ú = Hó + HPO╣ìú,èK╬ = 6.3x10úô.
  193.  
  194.     èè [Hó][HPO╣ìú]èèèèè[Hó](0.30 M)
  195.     K╬ = ────────────èè K╬ = ──────────── = 6.3x10úô
  196.     èèè[H╖PO╣ú]èèèèèèè (0.20 M)
  197. èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè┌───────────┐
  198.     [Hó] = 6.3x10úô(0.20/0.30) = 4.2x10úô Mèè | pH = 7.38 |
  199. èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè└───────────┘
  200. A 0.20 M NaH╖PO╣ solution is 0.20 M Naó å 0.20 M H╖PO╣ú.
  201. A 0.30 M Na╖HPO╣ solution is 0.60 M Naó å 0.30 M HPO╣ú.èWe simply sub-
  202. stitute ê concentrations ï ê equilibrium constant expression.èWe do
  203. not need ë worry about ê changes ï ê molarities due ë ê estab-
  204. lishment ç ê equilibrium, because êse changes are very small.
  205.  
  206. A buffer will be equally or most effective ëward eiêr added acid or
  207. base when ê concentrations ç ê components ç ê buffer are equal.
  208. When this condition is met, ê [Hó] equals ê K╬.èSïce we usually
  209. specify ê pH ç ê buffer, we can also view this condition as
  210. pH = -log(K╬)èorèK╬ = ╢╡-pH.èThese relationships provide a means for
  211. selectïg a buffer.
  212.  
  213. The value ç K╬ for acetic acid is 1.75x10úÉ.èFïdïg -log(1.75x10úÉ)
  214. gives 4.76.èThe result shows that an acetic acid - sodium acetate buffer
  215. will be most effective around pH 4 ë pH 5.èThe NaH╖PO╣ - Na╖HPO╣ buffer
  216. with a K╬ ç 6.3x10úô is most effective around a pH ç 7.
  217.  8èWhich system would be most effective for a pH 9 buffer?
  218.     èèK╬ values ï parenêses.
  219.  
  220. A) NaHSO╣ - Na╖SO╣ (1.2x10úì)        B) HC╖H╕O╖ - NaC╖H╕O╖ (1.75x10úÉ)
  221.  
  222. C) NaH╖PO╣ - Na╖HPO╣ (6.3x10úô)    D) NH╣Cl - NH╕ (5.6x10úîò)
  223. üèWe want a system whose -log(K╬) equals ê pH ç ê desired
  224. buffer.èIn ê NH╣Cl - NH╕ system, K╬ = 5.6x10úîò.èTakïg ê -log ç
  225. K╬ yields 9.25.èThe NH╣Cl - NH╕ system is ê most effective buffer at
  226. pH 9.
  227. Ç D
  228.  9èWhich system would be most effective for a pH 2 buffer?
  229.     èèK╬ values ï parenêses.
  230.  
  231. A) H╖C╖O╣ - KHC╖O╣ (5.9x10úì)        B) KHC╗H╣O╣ - K╖C╗H╣O╣ (3.9x10úæ)
  232.  
  233. C) C║H╗NCl - C║H║N (1.8x10úæ)        D) NaH╖PO╣ - Na╖HPO╣ (6.3x10úô)
  234. üèWe want a system whose -log(K╬) equals ê pH ç ê desired
  235. buffer.èIn ê H╖C╖O╣ - KHC╖O╣ system, K╬ equals 5.9x10úì.èTakïg ê
  236. -log ç K╬ yields 1.23.èThe -log(K╬) for ê H╖C╖O╣ - KHC╖O╣ system is
  237. closest ë ê desired pH ç ê buffer, so it would be ê most effec-
  238. tive buffer at pH 2 ç ê choices ï this problem.
  239. Ç A
  240.  10èWhat is ê pH ç a buffer that is 0.15 M H╖C╖O╣ å 
  241. èèèèèè0.30 M KHC╖O╣?èH╖C╖O╣ = Hó + HC╖O╣ú, K╬ = 5.9x10úì.
  242.  
  243.     èè A) 1.23        B) 1.53
  244.  
  245.     èè C) 0.93        D) 2.58
  246. üèWe need ë fïd ê concentration ç Hó before we can calculate 
  247. ê pH.èSïce ê extent ç dissociation ç ê acid is slight ï a
  248. buffer usïg a weak acid,èwe just need ë fïd ê concentration ç Hó 
  249. ï equilibrium with ê H╖C╖O╣ å ê HC╖O╣ú.èThe equilibrium expression
  250. isèèè [Hó][HC╖O╣ú]
  251. èèK╬ = ──────────── = 5.9x10úì.èRearrangïg ë fïd [Hó] givesè
  252. èèèèè [H╖C╖O╣]
  253. èèèèèèèèè [H╖C╖O╣]èèèèè 0.15
  254. èè[Hó] = 0.059 x ──────── = 0.059 x ────è= 0.029║ M
  255. èèèèèèèèè [HC╖O╣ú]èèèèè 0.30
  256.  
  257. The pH ç ê buffer is -log(0.0295).èpH = 1.53
  258. Ç B 
  259.  11èWhat is ê pH ç a buffer that is 0.50 M NH╣Cl å
  260. èèèèèè1.50 M NH╕?èNH╣ó = Hó + NH╕, K╬ = 5.6x10úîò
  261.  
  262.     èè A) 9.73        B) 9.38
  263.  
  264.     èè C) 8.77        D) 9.25
  265. üèWe need ë fïd ê concentration ç Hó ï order ë fïd ê pH.
  266. The extent ç dissociation ç ê weak acid or weak base is slight
  267. buffers.èConsequently, we just need ë fïd ê concentration ç Hó ï
  268. equilibrium with ê NH╣ó å ê NH╕.èThe equilibrium expression
  269. isèèè [Hó][NH╕]
  270. èèK╬ = ───────── = 5.6x10úîò.èRearrangïg ë fïd [Hó] givesè
  271. èèèèè[NH╣ó]
  272. èèèèèèèèèèè [NH╣ó]èèèèèèè 0.50
  273. èè[Hó] = 5.6x10úîò x ────── = 5.6x10úîò x ────è= 1.87x10úîò M
  274. èèèèèèèèèèè [NH╕]èèèèèèèè1.50
  275.  
  276. The pH ç ê buffer is -log(1.87x10úîò).èpH = 9.73.
  277. Ç A
  278.  
  279.