Буферийн шийдлүүдийн талаарх жишээ асуултууд
Буфер уусмал буюу ихэвчлэн буфер гэж нэрлэгддэг уусмал нь бага хэмжээний хүчтэй хүчил эсвэл шүлт нэмсэн ч рН-ээ хадгалдаг уусмал юм. Энэ чадвар нь буфер уусмалыг янз бүрийн химийн, биологийн, тэр ч байтугай үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд чухал болгодог. Энэ нийтлэлд бид зарим жишээг судалж, буфер уусмалын талаар хэлэлцэх болно.
Буферийн шийдлүүдийг ойлгох
Буферийн уусмалууд нь ерөнхийдөө сул хүчил ба түүний коньюгат суурийн эсвэл сул суурь ба түүний коньюгат хүчлийн холимогоос бүрдэнэ. Эдгээр уусмалуудад хүчил эсвэл суурийг нэмэхэд үүссэн урвал нь уусмалын рН-ийг тодорхой хүрээнд хадгалахад тусалдаг. Энэ нөхцөлд рН нь уусмалын хүчиллэг эсвэл шүлтлэг чанарын хэмжүүр юм.
Буферийн шийдлүүдийн үүрэг ба ач холбогдол
Буферийн шийдлүүд нь янз бүрийн салбарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг:
1. Биохими: Тодорхой рН түвшинд олон ферментийн болон физиологийн урвал явагддаг тул буфер уусмалууд нь оновчтой нөхцлийг хадгалахад тусалдаг.
2. Аж үйлдвэр: Хүнс, эмийн үйлдвэрт рН-ийн түвшинг зохих ёсоор хянах нь бүтээгдэхүүний чанар, аюулгүй байдалд чухал үүрэгтэй.
3. Химийн туршилтууд: Лабораторид химийн урвалын үед рН-ийг хянахын тулд буфер уусмалыг ашигладаг.
Буферийн шийдлүүд хэрхэн ажилладаг вэ
Буферийн уусмалууд нь тэнцвэрийн зарчмаар ажилладаг. Сул хүчил (HA) болон түүний коньюгат суурь давс (A^- \)-ээс бүрдэх уусмалын хувьд бага хэмжээний хүчил эсвэл суурь нэмэхэд (H^+ \) ионуудын концентрацид томоохон өөрчлөлт гарахгүйгээр шилжилтийн урвал явагдана.
Жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг
Үүнийг цаашид ойлгохын тулд буферийн шийдлүүдтэй холбоотой зарим асуулт, хэлэлцүүлгийг шинжлье.
Асуулт 1: Хүчиллэг буферийн уусмалын рН-ийг тооцоолох
Асуулт:
Буферийн уусмалыг 1 литр уусмалд 0,1 моль цууны хүчил (CH3COOH)-ийг 0,1 моль натрийн ацетат (CH3COONa)-тай хольж бэлтгэнэ. Цууны хүчлийн диссоциацийн тогтмол (\( K_a \)) нь \( 1,8 \times 10^{-5} \) байна. Уусмалын рН-ийг тооцоолно уу.
Хэлэлцүүлэг:
Энэхүү буфер уусмал нь сул хүчил (CH₃COOH) болон түүний коньюгат сууриас (CH₃COO⁻) бүрдэнэ. Бид буфер уусмалын рН-ийг тооцоолохын тулд Хендерсон-Хасселбалхын тэгшитгэлийг ашиглаж болно:
\[ \text{pH} = \text{p}K_a + \log \left( \frac{[A^-]}{[HA]} \right) \]
Хаана:
\[ \text{p}K_a = -\log (K_a) \]
\[ \text{p}K_a = -\log (1,8 \times 10^{-5}) \]
\[ \text{p}K_a \ойролцоогоор 4,74 \]
\( [A^-] \) болон \( [HA] \)-ийн концентраци ижил (0,1 M) тул:
\[ \text{pH} = 4,74 + \log \left( \frac{[0,1]}{[0,1]} \right) \]
\[ \text{pH} = 4,74 + \log(1) \]
\[ \text{pH} = 4,74 \]
Тиймээс буфер уусмалын рН нь 4,74 байна.
Асуулт 2: Буферийн уусмалд хүчил нэмэх
Асуулт:
1-р асуултаас 1 литр буфер уусмал дээр 0,01 моль HCl нэмбэл рН-ийн өөрчлөлт хэд вэ?
Хэлэлцүүлэг:
HCl нэмэхэд уусмал дахь \(H^+ \)-ийн концентраци нэмэгдэнэ. Үүссэн урвал нь:
\[ \text{H}^+ + \text{CH}_3\text{COO}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} \]
Бид \(H^+ \)-ийн хэдэн моль байгааг болон энэ нь \( \text{CH}_3\text{COOH} \) болон \( \text{CH}_3\text{COO}^- \)-ийн концентрацид хэрхэн нөлөөлөхийг тооцоолох хэрэгтэй.
Эхэндээ:
\[ [\text{CH}_3\text{COO}^-] = 0,1 \, \text{mol} \]
\[ [\text{CH}_3\text{COOH}] = 0,1 \, \text{mol} \]
0,01 моль HCl нэмсний дараа:
\[ [\text{CH}_3\text{COO}^-] = 0,1 – 0,01 = 0,09 \, \text{mol} \]
\[ [\text{CH}_3\text{COOH}] = 0,1 + 0,01 = 0,11 \, \text{mol} \]
Шинэ рН-ийг тооцоолохын тулд Хендерсон-Хассельбалх тэгшитгэлийг ашиглана уу:
\[ \text{pH} = \text{p}K_a + \log \left( \frac{[A^-]}{[HA]} \right) \]
\[ \text{pH} = 4,74 + \log \left( \frac{0,09}{0,11} \right) \]
\[ \text{pH} = 4,74 + \log(0,818) \]
\[ \text{pH} = 4,74 + (-0,088) \]
\[ \text{pH} = 4,65 \]
Тиймээс HCl нэмсний дараа буфер уусмалын рН нь 4,74-өөс 4,65 болж өөрчлөгдөнө.
Асуулт 3: Буферийн уусмалд суурь нэмэх
Асуулт:
1-р асуултаас 1 литр буфер уусмал дээр 0,01 моль NaOH нэмбэл рН-ийн өөрчлөлт хэд вэ?
Хэлэлцүүлэг:
NaOH нэмэхэд уусмал дахь H⁺-ийн концентрацийг NaOH-ээс OH⁻ бууруулна. Үүссэн урвал:
\[ \text{OH}^- + \text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O} \]
Эхэндээ:
\[ [\text{CH}_3\text{COOH}] = 0,1 \, \text{mol} \]
\[ [\text{CH}_3\text{COO}^-] = 0,1 \, \text{mol} \]
0,01 моль NaOH нэмсний дараа:
\[ [\text{CH}_3\text{COOH}] = 0,1 – 0,01 = 0,09 \, \text{mol} \]
\[ [\text{CH}_3\text{COO}^-] = 0,1 + 0,01 = 0,11 \, \text{mol} \]
Шинэ рН-ийг тооцоолохын тулд Хендерсон-Хассельбалх тэгшитгэлийг ашиглана уу:
\[ \text{pH} = \text{p}K_a + \log \left( \frac{[A^-]}{[HA]} \right) \]
\[ \text{pH} = 4,74 + \log \left( \frac{0,11}{0,09} \right) \]
\[ \text{pH} = 4,74 + \log(1,222) \]
\[ \text{pH} = 4,74 + 0,087 \]
\[ \text{pH} = 4,83 \]
Тиймээс NaOH нэмсний дараа буфер уусмалын рН нь 4,74-өөс 4,83 болж өөрчлөгдөнө.
Асуулт 4: Тодорхой рН-тэй буферийн найрлагыг тодорхойлох
Асуулт:
Цууны хүчил (CH₃COOH) болон натрийн ацетат (CH₃COONa) ашиглан рН 5,0 бүхий 1 литр буфер уусмал бэлтгэхэд бүрэлдэхүүн хэсэг тус бүрээс хэдэн моль шаардлагатай вэ? Цууны хүчлийн к (k_a) нь (1,8 дахин 10^{-5}) байна.
Хэлэлцүүлэг:
Хендерсон-Хассельбалхын тэгшитгэлийг ашиглана уу:
\[ \text{pH} = \text{p}K_a + \log \left( \frac{[A^-]}{[HA]} \right) \]
Эхлээд pKₐ-г тооцоолно уу:
\[ \text{p}K_a = -\log (1,8 \times 10^{-5}) \]
\[ \text{p}K_a \ойролцоогоор 4,74 \]
Дараа нь хүссэн рН-ийн утгыг оруулна уу:
\[ 5,0 = 4,74 + \log \left( \frac{[A^-]}{[HA]} \right) \]
\[ 0,26 = \log \left( \frac{[A^-]}{[HA]} \right) \]
Логарифмын шинж чанарыг ашиглах нь:
\[ \frac{[A^-]}{[HA]} = 10^{0,26} \]
\[ \frac{[A^-]}{[HA]} \approx 1,82 \]
Энэ нь 1 моль CH₃COOH тутамд 1,82 моль CH₃COONa шаардлагатай гэсэн үг юм. 1 литрт энэ харьцааг тооцоолоход:
Жишээлбэл, CH₃COOH = x моль гэж үзье, тиймээс CH₃COONa = 1,82x моль. Нийт эзэлхүүн нь (x + 1.82x) = 2,82x моль байна, учир нь бид 1 литр буфер хийж байгаа тул:
\[ x + 1.82x = 1 \]
\[ 2.82x = 1 \]
\[ x = \frac{1}{2.82} \ойролцоогоор 0.355 \]
Тиймээс шаардлагатай найрлага:
– CH₃COOH: 0,355 моль
– CH₃COONa: 1,82 0,355 ≈ 0,646 моль
Тиймээс бидэнд рН 5,0 бүхий 1 литр буфер уусмал бэлтгэхэд 0,355 моль цууны хүчил ба 0,646 моль натрийн ацетат хэрэгтэй.
Энэхүү нийтлэлд буфер шийдлүүдтэй холбоотой янз бүрийн жишээ бодлогууд болон тэдгээрийн хэлэлцүүлгийг танилцуулж, энэхүү ойлголтыг илүү гүнзгий ойлгоход тусална. Энэхүү мэдээлэл нь буфер шийдлүүд хэрхэн ажилладаг, янз бүрийн нөхцөлд тэдгээрийн хэрэглээг ойлгоход тустай гэж найдаж байна.
