Методическая разработка по аналитической химии для студентов II курса факультета фундаментальной медицины, специальность «фармация»

жүктеу 2,3 Mb.

бет	6/28
Дата	13.01.2022
өлшемі	2,3 Mb.
	#37201
түрі	Методическая разработка

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 28

posobie-pharm-ii-zadachi

Решение задач
1. Расчёт pH в растворах сильных кислот и оснований

рН рассчитывают в предположении, что диссоциация происходит полностью.

Сильная кислота	Сильное основание
, рН = pс_HA	, рН = pK_w - pс_B

Задача №1. Рассчитайте рН 5,010^-2 М раствора NaOH.
Решение. pH = -lg = 12,7

При расчёте pH разбавленных водных растворов кислот и оснований (с_А, с_В ≤ 10^-6 М) следует учитывать вклад протонов за счет диссоциации растворителя.

Задача №2. Рассчитайте рН 10^-8 М раствора HNO₃.

Решение. Из уравнения электронейтральности:

[H⁺] = [A^-] + [OH^-],

тогда

[H₃O⁺] = c_HA + ,

откуда

[H⁺]² - c_НА[H⁺] - K_W = 0,

,

,

рН = 6,98.

2. Расчёт pH в растворах слабых кислот и оснований

Расчёты проводят с учетом степени диссоциации: , .

Степень диссоциации	Слабая кислота K_a < 10^-4	Слабое основание K_b < 10^-4
< 0,05	[H⁺] =	[H⁺] =
> 0,05

Если c_НА < 10^-4 моль/литр и К_а < 10^-8 , то необходимо учитывать поступление ионов H⁺и OH^-за счет автопротолиза, тогда [H⁺] = .

Задача №3. Рассчитайте рН 0,015 моль/дм³ раствора валериановой кислоты CH₃(CH₂)₃COO^- (НА), если = 1,0410^-5.

Решение. Вычислим степень диссоциации валериановой кислоты:

.

Так как  < 5 %, концентрацию протонов рассчитываем по упрощенной формуле:

[H⁺] = = = 4,5810^-4, рН = 3,34.

Задача №4. Вычислите рН 0,1 М раствора фенола. = 1,3010^-10.

Решение. Так как для фенола К_а < 10^-8, при расчете следует учитывать автопротолиз воды. [H⁺] = = = 3,6110^-6 pH = 5,44.

Задача №5. Рассчитайте рН 0,030 М раствора гипохлорита натрия, если = 3,010^-8.

Решение. Следует обратить внимание на то, что гипохлорит ион ClO^- – слабое основание: ClO^- + H₂O  HClO +OH^-

= = 3,310^-7, рассчитаем степень диссоциации:

= = 0,0033, поэтому [ClO^-] = c_ClO_-.

Поупрощенной формуле: [H⁺] = = =1,0010^-10, рН = 10,0.

Расчёт pH в растворах амфолитов

Амфолит способен и присоединять, и отдавать протон, таким образом,

устанавливаются равновесия:

В растворе амфолита концентрацию протонов вычисляют по формуле (подробный вывод приведён^*):

Если K_a_,1 и K_a_,2 различаются так, что [H₂A] и [A^2-] << [HA^-], можно полагать, что [HA-] = . Если пренебречь автопротолизом воды, т.е. K_a_,2c_HA >> K_w, то при K_a_,1 << c_HA

[H⁺] = .
^*Е.Н. Дорохова, Г.В. Прохорова. Задачи и вопросы по аналитической химии. Москва. Мир, 2001. 267 с. www.chem.msu.su/rus/books/2001-2010/dorohova/all.pdf

Задача №6. Вычислите рН раствора гидрокарбоната натрия. Для угольной кислоты H₂CO₃: = 4,510^-7, = 510^-11.

Решение. [H⁺] = = 4,510^-9, рН = 8,35.

4. Кислотно-основные буферные растворы

Буферный раствор – смесь слабой кислоты НА и сопряженного основания А^-

[H⁺] = K_a

pH = pK_a+ lg

Буферная ёмкость – число молей сильной кислоты или сильного основания, которые нужно добавить к 1 л раствора, чтобы изменить pH на единицу.

Задача №7. Рассчитайте рН раствора, приготовленного добавлением 250 мл 0,10 М раствора гидроксида натрия к 30 мл 0,20 М уксусной кислоты.
Решение. Выразим количество реагентов в моль:
= 0,20 M0,030 л = 6,0 ммоль	n_NaOH = 0,10 М0,025 л = 2,5 ммоль
Компоненты смеси реагируют следующим образом: CH₃COOH + NaOH  CH₃COONa +H₂O, после реакции:
=2,5ммоль, = 6,0 – 2,5 = 3,5 ммоль		рН = 4,76 + lg = 4,61.

Задача №8. Смешали 20 см³ 0,04 М раствора винной кислоты (CHOH)₂(COOH)₂ с 3 см³ 0,2 М раствора NaOH. Рассчитайте pH полученного буферного раствора, если = 1,0410^-3.
Решение. Обозначим винную кислоту HA и будем считать её псевдоодноосновной. Добавление раствора NaOH приводит к расходу HA и накоплению в системе A^-.
По условию задачи, 10³ мл (1 л) раствора содержит 0,04 моль HA. Для нахождения количества вещества HA (x) в 20 мл составим пропорцию:
10³ мл – 0,04 моль HA 20 мл – x моль HA		моль HA
По условию, 10³ мл (1 л) раствора содержит 0,2 моль NaOH. Аналогично составлением пропорции найдём количество NaOH (y):
10³ мл – 0,2 моль NaOH 3 мл – y моль NaOH		моль NaOH
В результате реакции

в 23 см³ раствора осталось (810^-4 – 610^-4) моль = 210^-4 моль HA и образовалось 610^-4 моль A^-. Таким образом, мы имеем буферный раствор, в котором
23 мл – 210^-4 моль HA 10³ мл – z моль HA	моль		М.
Найдём концентрацию сопряжённого основания A^-:
23 мл – 610^-4 моль HA 10³ мл – a моль HA	моль		М.
Рассчитаем pH полученного буферного раствора:
.
М.
			.

Задача №9. Рассчитайте, как изменится pH, если к 1 л буферного раствора, состоящего из 0,01 М раствора уксусной кислоты и 0,01 М ацетата натрия, добавить 110^-3 моль HCl. .
Решение. Рассчитаем pH буферного раствора до прибавления HCl:
М.	.
Найдём концентрацию буферного раствора:
М.
Рассчитаем буферную ёмкость по одной из предложенных формул:
.
.
Поскольку , .
Таким образом, pH буферного раствора после добавления HCl равен:
	.

5. Расчёт pH в неводных растворах

Выражения для расчета рН (pSH₂⁺) водных сред пригодны при вычислении рН среды любого растворителя с применением констант кислотности и основности в конкретном растворителе и константы его автопротолиза.

Задача №10. Рассчитайте рН 0,10 М раствора салициловой кислоты в этиловом спирте. Напишите уравнение реакции автопротолиза растворителя, укажите самую сильную кислоту в этиловом спирте. Какой рН соответствует щелочной среде этого растворителя? = 7,9; = 19,0.

Решение. Реакция автопротолиза этилового спирта:

C₂H₅OH + C₂H₅OH = C₂H₅OH₂⁺ + C₂H₅O^-

C₂H₅OH₂⁺- этилоний, самая сильная кислота; C₂H₅O^- -этилат.

рН нейтральной среды в этиловом спирте:

рН = 1/2; = 9,5, следовательно, щелочной среде соответствует рН > 9,5.

= = 3,54^.10^-4, меньше 0,05.

[H⁺] = = = 3,5410^-5, рН = 4,45.

Вопросы для самоконтроля

Объясните разницу между сильными и слабыми электролитами.
Что такое сопряженная кислота, сопряженное основание?
Как рассчитать рН раствора тетрабората натрия?
Назовите состав следующих буферных растворов: аммиачный, ацетатный, карбонатный, фосфатный.
Могут ли растворы сильных кислот и оснований обладать буферными свойствами?
В каком интервале pH наблюдается действие буферного раствора?
Укажите сопряженную анилину кислоту в ледяной уксусной кислоте.
Что такое амфолит? Укажите, какие из приведённых соединений являются амфолитами: NH₄⁺, HCO₃^-, CH₃NH₂, H₂PO₄^-, HPO₄^2-, CO(NH₂)₂?
Напишите реакции автопротолиза безводной азотной, уксусной кислот, жидкого аммиака, этилендиамина, н-бутанола.
В каком из растворителей: HNO₃ (pK_SH = 2,6); H₂SO₄ (pK_SH = 3,6); CH₃COOH (pK_SH = 14,4); C₂H₅OH (pK_SH = 19,0) при одинаковой концентрации ионов лиония pSH₂⁺, равной 7,0, среда будет нейтральной, кислой или щелочной?

1.4. Равновесие в растворах комплексных соединений

Теоретическая часть

Реакции комплексообразования. Признаки комплексных соединений. Типы комплексов. Лабильные и инертные комплексы.
Ступенчатые константы устойчивости. Общие (суммарные) константы устойчивости. Условные константы устойчивости. Расчёт условных констант устойчивости комплексов металлов.
Факторы, влияющие на устойчивость комплексов.

В аналитической практике растворителем обычно является вода. Если изучают разбавленные растворы, то можно считать, что активность воды в них близка к единице. Тогда при записи уравнений реакции координированные молекулы воды опускают: M + L  ML.

Ступенчатые константы устойчивости M_N_-1+ L  ML_N	Общие константы устойчивости M + NL  ML_N
K⁰₁ =	β₁ = = K₁
K⁰₂ = ……………………	β₂ = = K₁ K₂
K⁰_N =	β_N = = K₁ K₂ K_N

Решение задач

Задача №1. Рассчитайте условную константу устойчивости комплексоната магния при рН = 9, если α _Y4- = 10^-1,3, α_Mg₂₊ = 1, lg β_MgY_2- = 8,7

Решение. β^/ = β  α_Mg₂₊ α _Y4 = 10^8,70 1 10^-1,3 = 10^7,4

Задача №2. Запишите ступенчатую и общую константы устойчивости для FeF₅^2-.

Решение. K⁰₅ = β₅ =

Задача №3. Приведите структурную формулу комплексоната кальция и укажите характеристики комплекса. К какому типу относится этот комплекс?

Решение.

Бесцветный комплекс, координационное число иона Ca²⁺ 4, дентатность ЭДТА 4.

Хелат, ВКС.

Вопросы для самоконтроля

Назовите основные признаки комплексного соединения.
Какие соединения называются внутрикомплексными? Приведите примеры.
Что такое хелат? Приведите примеры.
Напишите выражения констант образования комплекса [Fe(CN)₆]^4-: ступенчатой по 3-ей ступени и общей по 4 ступеням.
Напишите выражения для k₂ и ₃ для комплекса ML₆.
Напишите выражения для k₃ и ₅ и уравнения реакций образования соответствующих комплексов в системе железо(III) – фторид-ион.
Назовите факторы, влияющие на устойчивость комплексных соединений. Ответ поясните примерами.
Какие факторы определяют реакционную способность органических реагентов? Приведите примеры.
Приведите примеры практического использования реакций комплексообразования для разделения катионов.
Приведите примеры использования реакций комплексообразования для маскирования мешающих ионов при определении никеля и кобальта.

Окислительно-восстановительное равновесие

Теоретическая часть

Уравнение Нернста. Равновесный, стандартный и формальный потенциалы.
Факторы, влияющие на стандартный и формальный потенциал системы.
Константа равновесия и направление окислительно-восстановительной реакции.

Решение задач

Задача №1. Напишите выражение для расчёта формального потенциала пары VO₂⁺/VO²⁺ при pH = 2, исходя из стандартного потенциала .

Решение. Запишем уравнение полуреакции, протекающей при pH = 2:

VO₂⁺ + 2H⁺ = VO²⁺ + H₂O.

Запишем уравнение Нернста для системы VO₂⁺/VO²⁺ в указанных условиях:

Согласно определению, формальный потенциал равен равновесному при общих концентрациях окисленной и восстановленной форм, равных 1 М, и заданных концентрациях других веществ, присутствующих в системе. Следовательно,

Задача №2. Выведите выражение для расчёта стандартного потенциала пары Cu²⁺/CuSCN, исходя из величин и .
Решение. Запишем уравнение окислительно-восстановительной полуреакции (1) и побочной реакции образования малорастворимого соединения (2):
(1)	(2)
(1)	(2)
Из выражения (2) выразим [Cu⁺] и подставим её в уравнение Нернста (1):
.
В соответствии с определением, стандартный электродный потенциал – это равновесный потенциал полуреакции при активностях всех участвующих в равновесии частиц, равных 1 М. Следовательно, если пренебречь ионной силой в растворе:
.

Задача №3. Выведите выражение для расчёта формального потенциала пары Ag(NH₃)₂⁺/Ag в 2 М растворе NH₃, исходя из величин и .
Решение. Запишем уравнение окислительно-восстановительной полуреакции (1) и побочной реакции образования аммиачного комплекса серебра (2):
(1)	(2)
(1)	(2)
Из выражения (2) выразим [Ag⁺] и подставим её в уравнение Нернста (1), учитывая, что [Ag⁰] = 1 M:
.
Согласно определению формального потенциала (см. задачу 1):

По условию задачи, [NH₃] = 1 M, следовательно

Задача №4. Как изменится редокс-потенциал пары при концентрациях = 0,01 М, = 0,0001 М с увеличением pH от 0 до 2 при 25C? = 1,51 В.
Решение. Запишем уравнение полуреакции и уравнение Нернста:
.

.

При pH = 0 В.
При pH = 2
В.
Таким образом,	В;	В.
В.
Следовательно, с увеличением pH редокс-потенциал уменьшится на 0,19 В.

Вопросы для самоконтроля

Что такое стандартный потенциал окислительно-восстановительной полуреакции? Какие факторы влияют на его величину?
Что такое формальный потенциал окислительно-восстановительной полуреакции? Какие факторы влияют на его величину?
Выведите выражения для расчёта формального потенциала системы салицилатных комплексов железа FeL₃^3-/FeL₂^2-, исходя из стандартного потенциала пары Fe(III)/Fe(II).
Выведите выражение для расчёта стандартного потенциала пары Cu²⁺/Cu₂S, исходя из величин и .
Выведите выражение для расчёта формального потенциала пары NO₂^-/HNO₂ при pH = 2, если В.
В каком случае и почему восстановительная способность железа (II) будет выше в среде: а) 1 М H₂SO₄; б) 1 М H₃PO₄? Ответ обоснуйте.
В каком случае и почему восстановительная способность серебра будет выше в среде:

а) 1 М KCN; б) 1 М NH₃? Ответ обоснуйте.

Как и почему изменяется восстановительная способность железа(II) в присутствии соляной кислоты при увеличении её концентрации?
Выведите формулу для расчёта константы равновесия реакции окисления - восстановления?
Как определить направление окислительно-восстановительной реакции и полноту её протекания?

жүктеу 2,3 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 28