Come si calcola la variazione di pH quando si aggiungono 3.00 mL di 0.100 M # "HCl" (aq) # a 100.0 mL di una soluzione tampone che è 0.100 M in # "NH" _3 (aq) # e 0.100 M in # "NH" _4 "Cl" (aq) #?

Stai aggiungendo acido cloridrico, #"HCl"#, un acido forte, nel buffer, quindi fin dall'inizio dovresti aspettartelo pH a diminuire.

Ciò implica che la variazione del pH sarà negativo

#Delta_ "pH" = "pH"_ "final" - "pH"_ "initial" <0#

Tuttavia, il fatto che tu abbia a che fare con una soluzione buffer ti fa sapere che questo cambiamento lo farà non essere significativo poiché il ruolo di un buffer è resistere cambiamenti significativi nel pH derivanti dall'aggiunta di acido forte o basi forti.

Quindi, l'acido cloridrico reagirà con l'ammoniaca, #"NH"_3#, un base debole, per produrre il catione di ammonio, #"NH"_4^(+)#, l'acido coniugato dell'ammoniaca e acqua.

#"HCl"_ ((aq)) + "NH"_ (3(aq)) -> "NH"_ (4(aq))^(+) + "Cl"_ ((aq))^(-)#

La reazione consuma acido cloridrico e ammoniaca in a #1:1# rapporto molare. Inoltre, si noti che per molto mole di acido cloridrico o ammoniaca consumata dalla reazione, una talpa di cationi di ammonio viene prodotto. Tienilo a mente.

Usa il molarity della soluzione di ammoniaca e il volume del buffer per calcolare quanti talpe contiene

#color(purple)(|bar(ul(color(white)(a/a)color(black)(c = n_"solute"/V_"solution" implies n_"solute" = c * V_"solution")color(white)(a/a)|)))#

Avrai

#n_("NH"_3) = "0.100 mol" color(red)(cancel(color(black)("L"^(-1)))) * 100.0 * 10^(-3)color(red)(cancel(color(black)("L")))#

#= "0.0100 moles NH"_3#

Fai lo stesso per i cationi di ammonio, #"NH"_4^(+)#

#n_("NH"_4^(+)) = "0.100 mol" color(red)(cancel(color(black)("L"^(-1)))) * 100.0 * 10^(-3)color(red)(cancel(color(black)("L")))#

#= "0.0100 moles NH"_4^(+)#

Calcola quanti talpe di acido cloridrico vengono aggiunti al tampone

#n_("HCl") = "0.100 mol" color(red)(cancel(color(black)("L"^(-1)))) * 3.00 * 10^(-3)color(red)(cancel(color(black)("L")))#

#= "0.000300 moles HCl"#

Sai che l'acido cloridrico e l'ammoniaca reagiscono in a #1:1# rapporto molare, il che significa che conterrà la soluzione risultante

#n_("HCl") = "0 moles HCl" -># completely consumed

#n_("NH"_3) = "0.0100 moles" - "0.000300 moles"#

#= "0.0097 moles NH"_3#

#n_("NH"_4^(+)) = "0.0100 moles" + "0.000300 moles"#

#="0.0103 moles NH"_4^(+)#

The volume totale del buffer sarà

#V_"total" = "100.0 mL" + "3.00 mL" = "103.0 mL"#

Saranno le nuove concentrazioni di ammonio e cationi di ammonio

#["NH"_3] = "0.0097 moles"/(103.0 * 10^(-3)"L") = "0.094175 M"#

#["NH"_4^(+)] = "0.0103 moles"/(103.0 * 10^(-3)"L") = "0.100 M"#

Si noti che la concentrazione di cationi di ammonio è rimasta praticamente immutato poiché l' aumentare nel numero di moli è stato contrastato dal aumentare in volume.

Ora puoi trovare il cambiamento nel pH usando il Henderson - equazione di Hasselbalch, che per un buffer che contiene a base debole e le sue acido coniugato Somiglia a questo

#color(blue)(|bar(ul(color(white)(a/a)"pOH" = "p"K_b + log((["conjugate acid"])/(["weak base"]))color(white)(a/a)|)))#

Si noti che la soluzione buffer iniziale aveva pari concentrazioni di base debole e acido coniugato. Ciò significa che il suo pOH era uguale a

#"pOH" = "p"K_b + log( color(red)(cancel(color(black)("0.100 M")))/(color(red)(cancel(color(black)("0.100 M")))))#

#"pOH" = "p"K_b#

Dopo l'acido forte viene aggiunto al buffer, sarà il pOH del buffer

#"pOH" = "p"K_b + log( (0.100 color(red)(cancel(color(black)("M"))))/(0.095175color(red)(cancel(color(black)("M")))))#

#"pOH" = "p"K_b + 0.026#

Sai che ha una soluzione acquosa a temperatura ambiente

#color(purple)(|bar(ul(color(white)(a/a)color(black)("pH " + " pOH" = 14)color(white)(a/a)|)))#

Per i soluzione iniziale, hai

#"pH"_ "initial" = 14 - "p"K_b#

Per i soluzione finale, hai

#"pH"_ "final" = 14 - ("p"K_b + 0.026)#

#"pH"_ "final" = 14 - "p"K_b - 0.026#

Pertanto, puoi dire che la variazione del pH è uguale a

#Delta_ "pH" = color(red)(cancel(color(black)(14))) - color(red)(cancel(color(black)("p"K_b))) - 0.026 - color(red)(cancel(color(black)(14))) + color(red)(cancel(color(black)("p"K_b)))#

#color(green)(|bar(ul(color(white)(a/a)color(black)(Delta_"pH" = -0.026)color(white)(a/a)|)))#

Come previsto, la variazione del pH è negativo perché il pH del buffer diminuita come risultato dell'aggiunta di un acido forte.