基础化学答案第.docx
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基础化学答案第
章后习题解答[TOP]
习题
1.什么是缓冲溶液?
试以血液中的H2CO3-
缓冲系为例,说明缓冲作用的原理及其在医学上的重要意义。
答能抵抗少量外来强酸、强碱而保持其pH基本不变的溶液称为缓冲溶液。
血液中溶解的CO2与
组成缓冲系。
正常人体[
]/[CO2(aq)]为20/1,pH=7.40。
若pH<7.35,发生酸中毒,pH>7.45,发生碱中毒。
当酸性代谢产物增加时,抗酸成分
与H3O+结合,增加的H2CO3可通过加快呼吸以CO2的形式呼出;消耗的
则由肾减少对其的排泄而得以补充;当碱性代谢产物增加时,[OH-]与H3O+生成H2O,促使抗碱成分H2CO3离解以补充消耗的H3O+。
同理,减少的H2CO3及增加的
可通过肺和肾来调控。
血液中的H2CO3–
缓冲系与其他缓冲系共同作用,维持pH为7.35~7.45的正常范围。
2.什么是缓冲容量?
影响缓冲溶量的主要因素有哪些?
总浓度均为0.10mol·L-1的HAc-NaAc和H2CO3-
缓冲系的缓冲容量相同吗?
解缓冲容量是衡量缓冲溶液缓冲能力大小的尺度,表示单位体积缓冲溶液pH发生一定变化时,所能抵抗的外加一元强酸或一元强碱的物质的量。
影响缓冲容量的主要因素是缓冲系的总浓度和缓冲比:
缓冲比一定时,总浓度越大缓冲容量越大;总浓度一定时,缓冲比越接近于1缓冲容量越大。
总浓度及缓冲比相同的HAc-NaAc和H2CO3-
缓冲系的缓冲容量相同。
3.下列化学组合中,哪些可用来配制缓冲溶液?
(1)HCl+NH3·H2O
(2)HCl+Tris(3)HCl+NaOH
(4)Na2HPO4+Na3PO4(5)H3PO4+NaOH(6)NaCl+NaAc
解可用来配制缓冲溶液的是:
(1)HCl+NH3·H2O、
(2)HCl+Tris、(4)Na2HPO4+Na3PO4和(5)H3PO4+NaOH
4.将0.30mol·L-1吡啶(C5H5N,pKb=8.77)和0.10mol·L-1HCl溶液等体积混合,混合液是否为缓冲溶液?
求此混合溶液的pH。
解C5H5N与HCl反应生成C5H5NH+Cl-(吡啶盐酸盐),混合溶液为0.10mol·L-1C5H5N和0.050mol·L-1C5H5NH+Cl-缓冲溶液,pKa=14.00-8.77=5.23
5.将10.0gNa2CO3和10.0gNaHCO3溶于水制备250mL缓冲溶液,求溶液的pH。
解
6.求pH=3.90,总浓度为0.400mol·L-1的HCOOH(甲酸)–HCOONa(甲酸钠)缓冲溶液中,甲酸和甲酸钠的物质的量浓度(HCOOH的pKa=3.75)
解设c(HCOONa)=xmol·L-1,则c(HCOOH)=0.400mol·L-1–xmol·L-1
解得c(HCOO-)=xmol·L-1=0.234mol·L-1
c(HCOOH)=(0.400-0.234)mol·L-1=0.166mol·L-1
7.向100mL某缓冲溶液中加入0.20gNaOH固体,所得缓冲溶液的pH为5.60.。
已知原缓冲溶液共轭酸HB的pKa=5.30,c(HB)=0.25mol·L-1,求原缓冲溶液的pH。
解n(NaOH)=
=0.050mol·L-1
加入NaOH后,
解得[B-]=0.35mol·L-1
原溶液
8.阿司匹林(乙酰水杨酸、以HAsp表示)以游离酸(未解离的)形式从胃中吸收,若病人服用解酸药,调整胃容物的pH为2.95,然后口服阿司匹林0.65g。
假设阿司匹林立即溶解,且胃容物的pH不变,问病人可以从胃中立即吸收的阿司匹林为多少克(乙酰水杨酸的Mr=180.2、pKa=3.48)?
解
依题意
解得n(HAsp)=0.0028mol
可吸收阿司匹林的质量=0.0028mol×180.2g·mol-1=0.50g
9.在500mL0.20mol·L-1C2H5COOH(丙酸,用HPr表示)溶液中加入NaOH1.8g,求所得溶液的近似pH和校正后的精确pH。
已知C2H5COOH的pKa=4.87,忽略加入NaOH引起的体积变化。
解⑴求近似pH
pH=pKa
⑵求精确pH,丙酸钠是强电解质
I=
∑cizi2=
(
×12+
×12)=0.09mol·L-1≈0.1mol·L-1
当Z=0,I=0.10时,校正因数
pH=pKa
10.某医学研究中,制作动物组织切片时需pH约为7.0的磷酸盐缓冲液作为固定液。
该固定液的配方是:
将29gNa2HPO4·12H2O和2.6gNaH2PO4·2H2O分别溶解后稀释至1L。
若校正因数lg
=-0.53,计算该缓冲溶液的精确pH。
解c(Na2HPO4)=
=0.081mol·L-1
c(NaH2PO4)=
=0.017mol·L-1
pH=pKa2+
+lg
=7.21+(-.0.53)+lg
=7.36
11.将0.10mol·L-1HAc溶液和0.10mol·L-1NaOH溶液以3:
1的体积比混合,求此缓冲溶液的pH及缓冲容量。
解HAc溶液和NaOH溶液的体积分别为3V和V,
c(HAc)=(0.10×3V-0.10×V)mol·L-1/(3V+V)=0.050mol·L-1
c(Ac-)=0.10mol·L-1×V/(3V+V)=0.025mol·L-1
12.某生物化学实验中需用巴比妥缓冲溶液,巴比妥(C8H12N2O3)为二元有机酸(用H2Bar表示,pKa1=7.43)。
今称取巴比妥18.4g,先加蒸馏水配成100mL溶液,在pH计监控下,加入6.00mol·L-1NaOH溶液4.17mL,并使溶液最后体积为1000mL。
求此缓冲溶液的pH和缓冲容量。
(已知巴比妥的Mr=184g·mol-1)
解H2Bar与NaOH的反应为
H2Bar(aq)+NaOH(aq)=NaHBar(aq)+H2O(l)
反应生成的NaHBar的物质的量n(NaHBar)=c(NaOH)V(NaOH)=6.0mol·L-1×4.17mL=25mmol,剩余H2Bar的物质的量为
n余(H2Bar)=n(H2Bar)-n(NaOH)=
×1000-25mmol=75mmol
pH=pKa+lg
=7.43+lg
=6.95
β=2.303×
=0.043mol·L-1
13.分别加NaOH溶液或HCl溶液于柠檬酸氢钠(缩写Na2HCit)溶液中。
写出可能配制的缓冲溶液的抗酸成分、抗碱成分和各缓冲系的理论有效缓冲范围。
如果上述三种溶液的物质的量浓度相同,它们以何种体积比混合,才能使所配制的缓冲溶液有最大缓冲容量?
(已知H3Cit的pKa1=3.13、pKa2=4.76、pKa3=6.40)`
解.
溶液组成
缓冲系
抗酸成分
抗碱成分
有效缓冲范围
β最大时体积比
Na2HCit+HCl
H2Cit--HCit2-
HCit2-
H2Cit-
3.76~5.76
2:
1
Na2HCit+HCl
H3Cit-H2Cit-
H2Cit-
H3Cit
2.13~4.13
2:
3
Na2HCit+NaOH
HCit2--Cit3-
Cit3-
HCit2-
5.40~7.40
2:
1
14.现有
(1)0.10mol·L-1NaOH溶液,
(2)0.10mol·L-1NH3溶液,(3)0.10mol·L-1Na2HPO4溶液各50mL,欲配制pH=7.00的溶液,问需分别加入0.10mol·L-1HCl溶液多少mL?
配成的三种溶液有无缓冲作用?
哪一种缓冲能力最好?
解⑴HCl与NaOH完全反应需HCl溶液50mL。
⑵HCl(aq)+NH3·H2O(aq)=NH4Cl(aq)+H2O(l)
NH4+的pKa=14.00-4.75=9.25,
解得V(HCl)=50mL
⑶HCl(aq)+Na2HPO4(aq)=NaH2PO4(aq)+NaCl(aq)
H3PO4的pKa2=7.21,
解得V(HCl)=31mL
第一种混合溶液无缓冲作用;第二种pH 15.用固体NH4Cl和NaOH溶液来配制1L总浓度为0.125mol·L-1,pH=9.00的缓冲溶液,问需NH4Cl多少克? 求需1.00mol·L-1的NaOH溶液的体积(mL)。 解设需NH4Cl的质量为xg pKa(NH4+)=14.00-4.75=9.25 得1.00mol·L-1×V(NaOH)=0.562[x/53.5g·mol-1-1.00mol·L-1×V(NaOH)] 又[1.00mol·L-1×VNaOH)+0.562(x/53.5g·mol-1-1.00mol·L-1×V(NaOH))]/1L =0.125mol·L-1 解得x=6.69,V(NaOH)=0.045L 即: 需NH4Cl6.69g,NaOH溶液0.045L。 16.用0.020mol·L-1H3PO4溶液和0.020mol·L-1NaOH溶液配制100mLpH=7.40的生理缓冲溶液,求需H3PO4溶液和NaOH溶液的体积(mL)。 解设第一步反应需H3PO4和NaOH溶液体积各为xmL ⑴H3PO4(aq)+NaOH(aq)=NaH2PO4(aq)+H2O(l) xmLH3PO4与xmLNaOH完全反应,生成NaH2PO40.020mol·L-1×xmL=0.020xmmol ⑵第二步反应: 设生成的NaH2PO4再部分与NaOHymL反应,生成Na2HPO4,其与剩余NaH2PO4组成缓冲溶液 NaH2PO4(aq)+NaOH(aq)=Na2HPO4(aq)+H2O(l) 起始量mmol+0.020x+0.020y 变化量mmol-0.020y-0.020y+0.020y 平衡量mmol0.020(x-y)0+0.020y =1.55 依题意又有2x+y=100 解得x=38.4,y=23.2 即需H3PO4溶液38.4mL,NaOH溶液(38.4+23.2)mL=61.6mL。 17.今欲配制37℃时,近似pH为7.40的生理缓冲溶液,计算在Tris和Tris·HCl浓度均为0.050mol·L-1的溶液l00mL中,需加入0.050mol·L-1HCl溶液的体积(mL)。 在此溶液中需加入固体NaCl多少克,才能配成与血浆等渗的溶液? (已知Tris·HCl在37℃时的pKa=7.85,忽略离子强度的影响。 ) 解⑴ V(HCl)=47.6mL ⑵设加入NaClxg,血浆渗透浓度为300mmol·L-1 =0.018mol·L-1 =0.050mol·L-1 (0.018+2×0.050)mol·L-1+ 0.300mol·L-1 x=0.79,即需加入NaCl0.79g 18.正常人体血浆中,[ ]=24.0mmol·L-1、[CO2(aq)]=1.20mmol·L-1。 若某人因腹泻使血浆中[ ]减少到为原来的90%,试求此人血浆的pH,并判断是否会引起酸中毒。 已知H2CO3的pKa1ˊ=6.10。 解pH=pKa1′ pH虽接近7.35,但由于血液中还有其他缓冲系的协同作用,不会引起酸中毒。 Exercises 1.Howdotheacidandbasecomponentsofabufferfunction? Whyaretheytypicallyaconjugateacid-basepair? SolutionAbuffersolutionconsistsofaconjugateacid-basepair.Theconjugatebasecanconsumetheaddedstrongacid,andtheconjugateacidcanconsumetheaddedstrongbase,tomaintainpH。 Theconjugateacid-basepairsofweakelectrolytespresentinthesamesolutionatequilibrium. 2.WhenH3O+isaddedtoabuffer,doesthepHremainconstantordoesitchangeslightly? Explain. SolutionThepHofabufferdependsonthepKaoftheconjugateacidandthebuffercomponentratio.WhenH3O+isaddedtoabuffer,thebuffercomponentratiochangesslightly,sothepHchangesslightly. 3.AcertainsolutioncontainsdissolvedHClandNaCl.Whycan’tthissolutionactasabuffer? SolutionThissolutioncan’tactasabuffer.HClisnotpresentinsolutioninmolecularform.Therefore,thereisnoreservoirofmoleculesthatcanreactwithaddedOH-ions.LikewisetheCl-doesnotexhibitbasebehaviorinwater,soitcannotreactwithanyH3O+addedtothesolution. 4.Whatistherelationshipbetweenbufferrangeandbuffer-componentratio? SolutionThepHofabufferdependsonthebuffercomponentratio.When[B-]/[HB]=1,pH=pKa,thebufferismosteffective.Thefurtherthebuffer-componentratioisfrom1,thelesseffectivethebufferingactionis.Practically,ifthe[B-]/[HB]ratioisgreaterthan10orlessthan0.1,thebufferispoor.ThebufferhasaeffectiverangeofpH=pKa±1. 5.Choosespecificacid-baseconjugatepairsofsuitableforpreparethefollowingbeffers(UseTable4-1forKaofacidorKbofbase): (a)pH≈4.0;(b)pH≈7.0;(c)[H3O+]≈1.0×10-9mol·L-1; Solution(a)HAcandAc-(b) and (c) andNH3 6.Choosethefactorsthatdeterminethecapacityofabufferfromamongthefollowingandexplainyourchoices. (a)Conjugateacid-basepair(b)pHofthebuffer(c)Bufferranger (d)Concentrationofbuffer-componentreservoirs (e)Buffer-componentratio(f)pKaoftheacidcomponent SolutionChoose(d)and(e).Buffercapacitydependsonboththeconcentrationofthereservoirsandthebuffer-componentratio.Themoreconcentratedthecomponentsofabuffer,thegreaterthebuffercapacity.Whenthecomponentratioisclosetoone,abufferismosteffective. 7.WouldthepHincreaseordecrease,andwoulditdosotoalargerorsmallextent,ineachofthefollowingcases: (a)Add5dropsof0.1mol·L-1NaOHto100mLof0.5mol·L-1acetatebuffer (b)Add5dropsof0.1mol·L-1HClto100mLof0.5mol·L-1acetatebuffer (c)Add5dropsof0.1mol·L-1NaOHto100mLof0.5mol·L-1HCl (d)Add5dropsof0.1mol·L-1NaOHtodistilledwater Solution(a)ThepHincreasestoasmallextent;(b)ThepHdecreasestoasmallextent;(c)ThepHincreasestoasmallextent;(d)ThepHincreasestoalargerextent. 8.Whichofthefollowingsolutionswillshowbufferproperties? (a)100mLof0.25mol·L-1NaC3H5O3+150mLof0.25mol·L-1HCl (b)100mLof0.25mol·L-1NaC3H5O3+50mLof0.25mol·L-1HCl (c)100mLof0.25mol·L-1NaC3H5O3+50mLof0.25mol·L-1NaOH (d)100mLof0.25mol·L-1C3H5O3H+50mLof0.25mol·L-1NaOH Solution(b)and(d) 9.AchemistneedsapH10.5buffer.ShouldsheuseCH3NH2andHClorNH3andHCltoprepareit? Why? Whatisthedisadvantageofchoosingtheotherbase? SolutionThepKaofCH3NH2·HClis10.65.ThepKaof is9.25.ThepKaoftheformerismorecloseto10.5.AbufferismoreeffectivewhenthepHisclosetopKa.SheshouldchooseCH3NH2.Theotherisnotagoodchoice. 10.Anartificialfruitcontains11.0goftartaricacidH2C4H4O6,and20.0gitssalt,potassiumhydrogentartrate,perliter.WhatisthepHofthebeverage? Ka1=1.0×10-3 Solution 11.Whatarethe[H3O+]andthepHofabenzoatebufferthatconsistsof0.33mol·L-1C6H5COOHand0.28mol·L-1C6H5COONa? Kaofbenzoicacid=6.3×10-5。 Solution [H+]=7.41×10-5mol·L-1 12.Whatmassofsodiumacetate(NaC2H3O2·3H2O,Mr=136.1g·mol-1)andwhatvolumeofconcentratedaceticacid(17.45mol·L-1)shouldbeusedtoprepare500mLofabuffersolutionatpH=5.00thatis0.150mol·L-1overall? Solutionc(CH3COO-)+c(CH3COOH)=0.150mol·L-1 n(CH3COO-)+n(CH3COOH)=0.150mol·L-1×500mL×10-3L·mL-1=0.0750mol n(CH3COOH)=0.0270mol,n(CH3COO-)=0.0480mol Massofsodiumacetate=0.0480mol×136.1g·mol-1=6.53g 13.NormalarterialbloodhasanaveragepHof7.40.Phosphateionsformoneofthekeybufferingsystemsintheblood.Findthebuffer-componentratioofaKH2PO4/Na2HPO4solutionwiththispHpKa2ˊof =6.80 Solution
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