สารละลายบัฟเฟอร์ (Buffer Solution) – เคมี ม.ปลาย

สารละลายบัฟเฟอร์ (Buffer solution)

            สารละลายบัฟเฟอร์  หมายถึง  สารละลายที่มีความสามารถในการควบคุมระดับ pH เอาไว้ได้  เมื่อเติมสารละลายกรดหรือเบสจำนวนที่ไม่มากเกินไป  เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำบริสุทธิ์ที่เติมกรดหรือเบสจำนวนเท่ากัน  สารละลายที่มีสมบัติเป็นสารละลายบัฟเฟอร์จะควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ดีกว่าน้ำกลั่น  สารละลายบัฟเฟอร์เกิดจากการผสมระหว่างสารละลายกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อนนั้น  หรือสารละลายเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อนนั้น  แม้ว่าสารละลาย

บัฟเฟอร์จะควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ดีกว่าน้ำกลั่น  แต่ถ้าเติมกรดหรือเบสมากเกินไป  สารละลายบัฟเฟอร์ก็จะไม่สามารถควบคุมระดับ  pH  เอาไว้ได้ตลอด
ในที่สุดจะเสียสมบัติในการเป็นสารละลายบัฟเฟอร์ไป  เราเรียกความสามารถในการควบคุมระดับ  pH ของสารละลายบัฟเฟอร์ว่า  buffer capacity

สารละลายบัฟเฟอร์มี 2 ประเภท

1)  บัฟเฟอร์กรด   (Acid buffer solution)      เกิดจากสารละลายของกรดอ่อนผสมกับสารละลายเกลือของกรดอ่อนชนิดนั้น  สารละลายบัฟเฟอร์ประเภทนี้มี   pH < 7    เช่น
CH₃COOH (กรดอ่อน)  +  CH₃COONa (เกลือของกรดอ่อน)
HCN (กรดอ่อน)   +  KCN (เกลือของกรดอ่อน)
H₂S(กรดอ่อน)    +  Na₂S  (เกลือของกรดอ่อน)
H₂CO₃(กรดอ่อน)    +  NaHCO₃ (เกลือของกรดอ่อน)

2)  บัฟเฟอร์เบส  (Basic buffer solution)  เกิดจากสารละลายของเบสอ่อนผสมกับสารละลายเกลือของเบสอ่อนนั้น  สารละลายบัฟเฟอร์แบบนี้ มี pH  >  7    เช่น
NH₃ (เบสอ่อน)  +  NH₄Cl (เกลือของเบสอ่อน)
NH₃ (เบสอ่อน)    +  NH₄NO₃ (เกลือของเบสอ่อน)
Fe(OH)₂ (เบสอ่อน)    +  FeCl₂ (เกลือของเบสอ่อน)
Fe(OH)₃ (เบสอ่อน)    +  FeCl₃ (เกลือของเบสอ่อน)

      สารละลายบัฟเฟอร์(buffer solution)หมายถึงสารละลายของกรดอ่อนกับเกลือของกรดอ่อน
หรือคู่เบสของกรดอ่อน หรือหมายถึงสารละลายของเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อน
หรือคู่กรดของเบสอ่อนนั้น สมบัติของสารละลายบัฟเฟอร์ คือ รักษาสภาพ pH ของสารละลายเอาไว้โดยจะเกิดการเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่อเติมกรดแก่หรือเบสแก่
จำนวนเล็กน้อยลงไปการเตรียม ทำได้โดยการเติมกรดอ่อนลง
ในสารละลายเกลือของกรดอ่อน หรือการเติมเบสอ่อนลงในสารละลายเกลือของเบสอ่อน
ตัวอย่างสารละลายบัฟเฟอร์ เช่น
1.บัฟเฟอร์ของกรดอ่อนกับคู่เบสของกรดอ่อน(เกลือ)
เช่น CH₃COOH/CH₃COONa มี pH <7
2.บัฟเฟอร์ของเบสอ่อนกับคู่กรดของเบสอ่อน(เกลือ)
เช่น NH₃OH/NH₄Cl มี pH >7
การคำนวณเกี่ยวกับบัฟเฟอร์
1. pH = P_ka + log [salt]/[Acid]
2. pOH=P_kb +log[salt]/[Base]
หรือคู่เบสของกรดอ่อน หรือหมายถึงสารละลายของเบสอ่อนกับเกลือของเบสอ่อน
หรือคู่กรดของเบสอ่อนนั้น สมบัติของสารละลายบัฟเฟอร์ คือ รักษาสภาพ pH ของสารละลายเอาไว้โดยจะเกิดการเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่อเติมกรดแก่หรือเบสแก่
จำนวนเล็กน้อยลงไปการเตรียม ทำได้โดยการเติมกรดอ่อนลง
ในสารละลายเกลือของกรดอ่อน หรือการเติมเบสอ่อนลงในสารละลายเกลือของเบสอ่อน
ตัวอย่างสารละลายบัฟเฟอร์ เช่น
1.บัฟเฟอร์ของกรดอ่อนกับคู่เบสของกรดอ่อน(เกลือ)
เช่น CH₃COOH/CH₃COONa มี pH <7
2.บัฟเฟอร์ของเบสอ่อนกับคู่กรดของเบสอ่อน(เกลือ)
เช่น NH₃OH/NH₄Cl มี pH >7
การคำนวณเกี่ยวกับบัฟเฟอร์
1. pH = P_ka + log [salt]/[Acid]
2. pOH=P_kb +log[salt]/[Base]
ตัวอย่าง
1. จงคำนวณหา pH ของสารละลาย 1.00M CH₃COOH และ
1.00M CH₃COONa(Ka ของ CH₃COOH=1.8×10^-5 ที่ 25 ⁰C)
วิธีทำ CH₃COONa(s)— CH₃COO ^– (aq) + Na ⁺(aq)
CH₃COOH + H₂O= CH₃COO ^– + H₃O ⁺
ความเข้มข้นเริ่มต้น               1.00                     1.00         –
ขณะเปลี่ยนแปลง                   -x                        +x          +x
ที่สมดุล                           1.00-x                  1.00+x      +x
Ka =[ CH₃COO ^– ][ H₃O⁺]/[ CH₃COOH ]
1.8×10-5 = x(1.00)/1.00
x =[ H₃O⁺] =1.8×10^-5
                         pH =-log[ H₃O⁺]
=-log(1.8×10^-5) = 4.74
2. เมื่อเติม 0.02M OH^– ลงในสารละลาย ในข้อ 1 pH จะเป็นเท่าใด
วิธีทำ                           CH₃COOH + OH^– =CH₃COO ^– + H₂O
เมื่อเริ่มต้น                         1.00M                  1.00M

เติมเบส                                          0.02M

ขณะเปลี่ยนแปลง                 -0.02 M   -0.02M    +0.02M

หลังจากปฏิกิริยา 0.98M ~0M 1.02M

pH = P_ka+ log [CH₃COO ^– ]/[ CH₃COOH ]

      =-log(1.8×10^-5) +log(1.02/0.98)

      = 4.77

3.เมื่อเติม 0.02M H₃O⁺ ลงในสารละลายข้อ 1 pH จะเป็นเท่าใด

                          CH₃COO ^– + H₃O⁺ =CH₃COOH + H₂O

เมื่อเริ่มต้น                 1.00M                      1.00M

เติมกรด                                   0.02M

ขณะเปลี่ยนแปลง         -0.02M      -0.02M     +0.02M

หลังจากปฏิกิริยา 0.98M ~0M 1.02M

pH = P_ka+ log [ CH₃COO^–]/[ CH₃COOH ]

      =-log(1.8×10^-5) +log(0.98/1.02)

      = 4.72

แบบฝึกหัด 

1.  If  0.010 M NH₃ 50 cm³  is mixed with 0.100 M NH₄Cl  50 cm³ , NH₃ has a K_b =1.8×10^-5
(สารละลาย  NH₃ ความเข้มข้น  0.010 M จำนวน 50 cm³  ผสมกับสารละลาย  NH₄Cl ความเข้มข้น  0.100 M จำนวน 50 cm³ ; ค่า  Kb  ของ  MH₃  =  1.8×10^-5 )
a. setup the equilibrium expression. (จงเขียนสมการแสดงภาวะสมดุล)

b.  calculate the concentration of OH^– produced. (จงคำนวณหาความเข้มข้นของ  OH^–)

c.  calculate the pOH. (จงคำนวณหาค่า  pOH)

d.  Calculate the pH  (จงคำนวณหาค่า  pH)

2.  What is the pH of a solution of 0.81 M acid and 0.65 M of its conjugate base if the ionization constant is
4.92 x 10^-7?  (Ans.c) (สารละลายกรดชนิดหนึ่งมีความเข้มข้น  0.81 M  มีค่า  Ka = 4.92 x 10^-7 ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น
0.65 M อยากทราบว่าสารละลายมี  pH  เท่าไร)

a)   5.80           b)   6.40                c)   6.21                 d)   6.81                 e)   6.62

3.  What is the pH of a solution of 0.28 M acid and 0.73 M of its conjugate base if the ionization constant is
3.75 x 10^-9?  (Ans.c) (สารละลายกรดชนิดหนึ่งมีความเข้มข้น  0.28 M  มีค่า  Ka = 3.75 x 10^-9 ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น
0.73 M อยากทราบว่าสารละลายมี  pH  เท่าไร)

a)   9.58           b)   9.32                 c)   8.84                 d)   8.01                 e)   9.12

4.  What is the pH of a solution of 0.17 M acid and 0.50 M of its conjugate base if the ionization constant is
2.87 x 10^-9 ?  (Ans.c) (สารละลายกรดชนิดหนึ่งมีความเข้มข้น  0.17 M  มีค่า  Ka = 2.87 x 10^-9 ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น
0.50 M อยากทราบว่าสารละลายมี  pH  เท่าไร)

a)   9.31           b)   9.59                 c)   9.01                 d)   9.98                 e)   9.71

5.  What is the pH of a solution of 0.73 M acid and 0.40 M of its conjugate base if the pKa = 7.70 ? (Ans.c)
(สารละลายกรดชนิดหนึ่งมีความเข้มข้น  0.73 M  มีค่า  pKa = 7.70  ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น  0.40 M อยากทราบว่าสารละลายมี  pH  เท่าไร)

a)   8.30            b)   7.15                 c)   7.44                 d)   7.95                 e)   8.15

6.  What is the pH of a solution of 0.28 M acid and 0.54 M of its conjugate base if the pKa = 7.93 ? (Ans.c)
(สารละลายกรดชนิดหนึ่งมีความเข้มข้น  0.28 M  มีค่า  pKa = 7.93  ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น  0.54 M อยากทราบว่าสารละลายมี  pH  เท่าไร)

a)   7.40            b)   7.65                 c)   8.21                 d)   7.00                 e)   7.22

7.  What is the pH of a solution of 0.65 M acid and 0.51 M of its conjugate base if the pKa = 5.30 ? (Ans.c)

(สารละลายกรดชนิดหนึ่งมีความเข้มข้น  0.65 M  มีค่า  pKa = 5.30  ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น  0.51 M อยากทราบว่าสารละลายมี  pH  เท่าไร)

a)   5.85           b)   5.41                 c)   5.19                 d)   6.05                 e)   5.62

8.  What is the hydronium ion concentration of a solution of 0.260 M acid and 0.640 M of its conjugate base if the ionization constant is 2.06 x 10^-6 ? (Ans.a)
(สารละลายของกรดชนิดหนึ่งความเข้มข้น  0.260 M  มีค่า  Ka=2.06 x 10^-6  ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น  0.640 M  อยากทราบว่าความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนเป็นเท่าไร)

a)   8.37 x 10^-7 b)   4.21 x 10^-7      c)   1.25 x 10^-5       d)   2.50 x 10^-6      e)   5.07 x 10^-6

9.  What is the hydronium ion concentration of a solution of 0.200 M acid and 0.600 M of its conjugate base if the ionization constant is 2.88 x 10^-7 ? (Ans.a)
(สารละลายของกรดชนิดหนึ่งความเข้มข้น  0.200 M  มีค่า  Ka=2.88 x 10^-7 ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น  0.600 M  อยากทราบว่า
ความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนเป็นเท่าไร)

a)   9.69 x 10^-8                 b)   1.73 x 10^-7      c)   8.64 x 10^-7       d)   5.80 x 10^-8      e)   4.67 x 10^-7

10. What is the hydronium ion concentration of a solution of 0.700 M acid and 0.440 M of its conjugate base if the ionization constant is 3.59 x 10^-8 ?  (Ans.a)

(สารละลายของกรดชนิดหนึ่งความเข้มข้น  0.700 M  มีค่า Ka=3.59 x 10^-8 ละลายรวมอยู่กับคู่เบสของมันซึ่งมีความเข้มข้น  0.440 M  อยากทราบว่าความเข้มข้นของไฮโดรเนียมไอออนเป็นเท่าไร)

a)   5.71 x 10^-8                 b)   2.26 x 10^-8          c)   2.47 x 10^-7      d)   8.98 x 10^-8      e)   1.13 x 10^-7

11.   A buffer solution is formed by adding 0.500 mol of sodium acetate and 0.500 mol of acetic acid to 1.00 L H2O. What is the pH of the solution at equilibrium?
(Ka = 1.80 x 10^-5)
(สารละลายบัฟเฟอร์  1  ลิตร เกิดจากโซเดียมอะซิเตตและกรดแอซืติกชนิดละ  0.500  โมล  ละลายอยู่รวมกัน  อยากทราบว่าจะมี  pH  เท่าไร  ถ้าค่า  Ka  ของกรดแอซิติกคือ  1.80 x 10-5)
(A)   5.05      (B)   4.74                (C)   4.44              (D)   2.38               (E)   None of these

12..   The amount (in grams) of sodium acetate (MW = 82.0) to be added to 500.0 mL of 0.200 molar acetic acid (K_a = 1.80 x 10-5) in order to make a buffer with
pH = 5.000 is
(เมื่อต้องการเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ให้มี pH 5.00  โดยการเติมโซเดียมอะซิเตต  (MW = 82.0) ลงในสารละลายกรดแอซิติกจำนวน  500  ml  ความเข้มข้น
0.200 molar   อยากทราบว่าจะต้องใช้โซเดียมอะซิเตตกี่กรัม)
(A)  69         (B)  0.180    (C)  14.9      (D)  29.5       (E)  None of these

13.    What volumes of 0.500 M HNO2 (Ka = 4.0 X 10-4) and 0.500 M NaNO₂ must be mixed to prepare 1.0 L of a solution buffered at pH 3.55?
(เมื่อต้องการเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์ pH 3.55  จำนวน  1.0  ลิตร  จากสารละลาย  HNO₂  ความเข้มข้น 0.500 M Ka = 4.0 X 10^-4 กับสารละลาย  NaNO₂
ความเข้มข้น 0.500 M  เช่นกัน  อยากทราบว่าจะต้องใช้สารละลายแต่ละชนิด  ปริมาตรเท่าไร)

(A)  500 mL of each solution

(B)  703 mL 0.500 M HNO₂, 297 mL 0.500 M NaNO₂

(C)  413 mL 0.500 M HNO₂, 587 mL 0.500 M NaNO₂

(D)  297 mL 0.500 M HNO₂, 703 mL 0.500 M NaNO₂

(E)  587 mL 0.500 M HNO₂, 413 mL 0.500 M NaNO₂

14.  Which of the following would not make a good buffering system? (ส่วนประกอบในข้อใดไม่เป็นระบบบัฟเฟอร์ที่ดี)

(A)   SO₄^2- and H₂SO₄
(B)   HCO₃^– and H₂CO₃
(C)   NH₃ and NH⁺₄
(D)   CH₃COO^– and CH₃COOH

15.  If 1.00 L of 1.00 M CH₃COOH is mixed with 0.25 mole of solid NaOH (assume no volume change), what will be the pH of the resulting solution?
(Ka = 1.8 x 10^-5).
(เมื่อผสมสารละลาย CH₃COOH Ka = 1.8 x 10^-5 ความเข้มข้น  1.00 M จำนวน  1.00 L  กับ  NaOH  จำนวน  0.25 mole  เข้าด้วยกัน  โดยสมมติว่าปริมาตรคงที่
อยากทราบว่าสารละลายผสมจะมี  pH  เท่าไร)

(A)  4. 14                  (B)  4.26                    (C)  4.74             (D)  5.35

16.  Which solution would show the least change in pH upon addition of 3.0 mL of 1.0 M KOH? (Assume equal volumes of each solution are used.
Ka for HC₂H₃O2 = 1.8 x 10-5)
(ถ้านำสารละลายในแต่ละข้อของตัวเลือกมาในปริมาณที่เท่ากัน  แล้วทดลองเติมสารละลาย  KOH  ความเข้มข้น  1.0 M จำนวน  3.0 mL ลงในแต่ละสารละลาย  อยากทราบว่าชนิดใดที่  pH
เปลี่ยนน้อยที่สุด)

(A)   A solution that is 0.50 M acetic acid and 0.50 M sodium acetate.

(B)   A solution that is 0.10 M acetic acid and 0.10 M sodium acetate.

(C)   A solution that is 1.0 M acetic acid.

(D)   A solution that is 0.50 M sodium acetate.

17.  What volume of 0.100 M NaOH must be added to 1.00 L of 0.0500 M HA
(K_a = 4.0 x 10^-8) to achieve a pH of 8.00?
(มีสารละลายของกรดอ่อน  HA (K_a = 4.0 x 10^-8)  ความเข้มข้น  0.0500M อยู่  1  ลิตร  อยากทราบว่าจะต้องเติมสารละลาย  NaOH ความเข้มข้น  0.100 M  ลงไปกี่ลิตร
เพื่อทำให้สารละลายมี  pH=8)

(A) 1.00 L         (B) 5.00 L         (C) 2.00 L         (D)  4.00 L         (E)  None of these

18.  Determine the pH of a solution in which 1.00 mol H₂CO₃ (Ka = 4.2 x 10^-7) and 1.00 mole NaHCO₃ are dissolved in enough water to form 1.00 L of solution.
(เมื่อใช้  H₂CO₃  , Ka = 4.2 x 10^-7  จำนวน  1.00  โมล ละลายรวมกับ  NaHCO₃  จำนวน  1.00  โมลเช่นกัน  ในสารละลาย  1.00  ลิตร  อยากทราบว่าสารละลายมี  pH  เท่าไร)

19.  How many moles of NaHCO₃ should be added to one liter of 0.100 M H₂CO₃ (Ka = 4.2 x 10^-7) to prepare a buffer with pH =  7.00?
(มีสารละลาย  H₂CO₃ ( Ka = 4.2 x 10^-7 )  ความเข้มข้น 0.100 M  อยู่  1 ลิตร  อยากทราบว่าเมื่อต้องการเตรียมสารละลายบัฟเฟอร์  ให้มี  pH=7  จะต้องเติม  NaHCO₃  ลงไปกี่โมล)

20.  Determine the pH of 0.01 M NH₃ (Kb= 1.8 x 10^-5) when an equal volume of 0.05 M NH₄Cl is added.
(สารละลาย  NH₃  (Kb= 1.8 x 10^-5)  ความเข้มข้น  0.1M  ถ้าเติมสารละลาย  NH₄Cl  ความเข้มข้น  0.05M  และมีปริมาตรเท่ากันลงไป  สารละลายที่ได้จะมี  pH  เท่าไร)

21.  Determine the pH of an HCN/KCN buffer containing 0.10 mole HCN and 0.07 mole KCN before and after
the addition of 0.001 mol HCl to one liter of buffer.  (Ka = 4.79 x 10^-10)
รละลายบัฟเฟอร์ระหว่าง  HCN/KCN (Ka = 4.79 x 10^-10) จำนวน  1  ลิตร  ประกอบด้วย  HCN  0.10  mol  กับ
KCN  0.07  mol  เมื่อเติม  HCl  ลงไป  0.001  mol  อยากทราบว่า  pH  จะเป็นเท่าไร

22.  If 25 mL of 0.2 M NaOH is added to 50 mL of 0.1 M CH₃COOH (Ka = 1.8 x 10^-5), what is the pH?
(เมื่อสารละลาย  NaOH  ความเข้มข้น  0.2M  จำนวน  25  mL  ผสมกับสารละลาย  CH₃COOH (Ka = 1.8 x 10^-5),
ความเข้มข้น  0.1M  จำนวน  50  mL สารละลายที่ได้จากการผสมจะมี  pH  เท่าไร)

23.  Calculate the mass of (NH₄)₂SO₄ that must be added to 1 L of 0.50 M NH₃ in order to prepare a buffer with a pH of 8.65.
(Ka  of NH₄⁺ = 5.6 x 10^-10).
(มีสารละลาย  NH₃  ความเข้มข้น  0.50M  อยู่  1  ลิตร  อยากทราบว่าเมื่อต้องการทำให้เป็นสารละลายบัฟเฟอร์  pH 8.65  จะต้องเติม  (NH₄)₂SO₄
กี่กรัม  ถ้า  Ka  ของ  NH₄₊ = 5.6 x 10^-10   )

24.    Calculate the pH of the solution prepared when 0.250 mol HClO₄  is added to 2.00 L of a solution that is 0.500 M CH₃CO₂H and 0.400 M CH₃CO₂Na.
(Ka of CH₃CO₂H = 1.8 x 10^-5)

(มีสารละลายอยู่  2  ลิตร  โดยในสารละลายมี  CH₃CO₂H และ  CH₃CO₃Na  ละลายอยู่รวมกัน  มีความเข้มข้น  0.500  และ  0.400  โมลลาร์  ตามลำดับ  ค่า Ka ของ CH₃CO2H = 1.8 x 10^-5
อยากทราบว่าถ้าเติม  HClO₄  ลงไป  0.250  โมล  pH  ของสารละลายจะเป็นเท่าไร)

25.   A buffer is prepared in which the ratio of HCO₃-/CO₃^2- is 5.00.

(ถ้ามีสารละลายบัฟเฟอร์ซึ่งมีอัตราส่วนระหว่าง  HCO₃^–/CO₃^2- = 5.00. )
(A)   What is the pH of this buffer? (Ka for HCO₃^–  = 4.80 x 10^-11)
(สารละลายบัฟเฟอร์นี้มี  pH  เท่าไร  ถ้า  Ka  ของ  HCO₃^–  =  4.80 x 10^-11)

(B)   Enough strong acid is added to make the pH of the buffer 9.30. What is the ratio of HCO₃^–/CO₃^2- at this  point?
(ถ้าเติมกรดแก่ลงไปจนกระทั่งสารละลายมี  pH = 9.30  อยากทราบว่าอัตราส่วนระหว่าง  HCO₃^-/CO₃^2- เป็นเท่าไร)