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化学
题目

1. 根据缓冲机理分析mathrm(NaH)_2mathrm(PO)_4及mathrm(Na)_2mathrm(HPO)_4组成的缓冲溶液是如何发挥缓冲作用的?2. 0.1 mathrm(mol/L) mathrm(HAc)溶液为什么不具有缓冲能力?3. 浓的强酸和强碱溶液具有缓冲作用吗?

1. 根据缓冲机理分析$\mathrm{NaH}_2\mathrm{PO}_4$及$\mathrm{Na}_2\mathrm{HPO}_4$组成的缓冲溶液是如何发挥缓冲作用的? 2. $0.1\ \mathrm{mol/L}$ $\mathrm{HAc}$溶液为什么不具有缓冲能力? 3. 浓的强酸和强碱溶液具有缓冲作用吗?

题目解答

答案

1. NaH₂PO₄和Na₂HPO₄组成的缓冲溶液中,H₂PO₄⁻和HPO₄²⁻构成缓冲对。加入酸时,HPO₄²⁻可中和H⁺;加入碱时,H₂PO₄⁻可中和OH⁻,从而维持pH稳定。 2. 0.1 mol·L⁻¹ HAc溶液中,Ac⁻浓度不足,无法有效中和外加酸或碱,故不具缓冲能力。 3. 浓的强酸和强碱溶液虽可抵抗pH变化,但缺乏弱酸-共轭碱或弱碱-共轭酸的平衡体系,不属于缓冲溶液。 综上,缓冲溶液需具备弱酸-共轭碱或弱碱-共轭酸的平衡体系,而浓强酸/强碱溶液及0.1 mol·L⁻¹ HAc均不符合此条件。

解析

本题主要考查缓冲溶液缓冲作用的原理,解题解题的关键在于理解缓冲对的组成以及它们如何与外加的酸或碱发生发生反应来维持溶液pH的pH稳定。

1. 分析$\mathrm{NaH}_2\mathrm{PO}_4$及$\mathrm{Na}_2HPO4}$组成的缓冲溶液的缓冲作用

在$\mathrm{NaH}_2\mathrm{PO}_4$及$\mathrm{Na}_2\mathrm{HPO}_4$组成的缓冲溶液中,存在以下解离平衡:
$\mathrm{H}_2\mathrm{PO}_4}^- \rightleftharpoons \mathrm{H}^+ + \mathrm{HPO4}^{2-}$
其中$\mathrm{H}_2\mathrm{PO}_4^-$和$\mathrm{HPO4}^{2-}$构成缓冲对。

  • 当加入酸时,溶液H }^{ + } 浓度增加,根据勒夏特列原理,平衡会向左移动,$\mathrm{HPO4}^{2-}$会与$\mathrm{H}^+$结合生成$\mathrm{H}_2\mathrm{PO4}^-$,反应式为$\mathrm{HPO4}^{2-} + \mathrm{H}^+ \rightleftharpoons \mathrm{H}_2\mathrm{PO4}^-$,从而消耗了外加的$\mathrm{H}^+$,维持了溶液pH的相对稳定。
  • 当加入碱时,$\mathrm{OH}^-$会与溶液中的$\mathrm{H}^rac{+}$结合,使$\mathrm{H}^+$浓度降低,平衡会向右移动,$\mathrm{H}_2\mathrm{PO4}^-$会解离出$\mathrm{H}^+$来补充被消耗的$\mathrm{H}^+$,反应式为$\mathrm{H}_2\mathrm{PO4}^-} + \mathrm{OH}^- \rightleftharpoons \mathrm{HPO4}^{2-} + \mathrm{H}_2\mathrm{O}$,同样维持了溶液pH的相对稳定。

2. 分析$0.1\ \mathrm{mol/L}$ $\mathrm{HAc}$溶液不具有缓冲能力的原因

$\mathrm{HAc}$(醋酸)是弱酸,在溶液中存在解离平衡:$\mathrm{HAc} \rightleftharpoons \mathrm{H}^+ + \mathrm{Ac}^-$。
缓冲溶液需要有足够浓度的弱酸及其共轭碱(或弱碱及其共轭酸)来抵抗外加酸或碱的影响。在$0.1\ \mathrm{mol/L}$ $\mathrm{HAc}$溶液中,$\mathrm{Ac}^-$主要来自$\mathrm{HAc}$的解离,由于$\mathrm{HAc}$的解离程度较小,所以$\mathrm{Ac}^-$的浓度很低。当加入酸时,由于$\mathrm{Ac}^-$浓度不足,无法有效地中和外加的$\mathrm{H}^+$;当加入碱时,虽然$\mathrm{HAc}$可以与$\mathrm{OH}^-$反应,但由于$\mathrm{HAc}$的浓度相对较高,而$\mathrm{Ac}^-$浓度过低,不能很好地维持溶液pH的稳定,因此不具有缓冲能力。

3. 分析浓的强酸和强碱溶液是否具有缓冲作用

浓的强酸和强碱溶液在溶液中完全解离,它们可以抵抗一定量的外加酸或碱而使pH变化较小。例如,浓盐酸溶液中含有大量的$\mathrm{H}^+$,当加入少量碱时,$\mathrm{H}^+$可以与$\mathrm{OH}^-$反应;浓氢氧化钠溶液中含有大量的$\mathrm{OH}^-$,当加入少量酸时,$\mathrm{OH}^-$可以与$\mathrm{H}^+$反应。
然而,缓冲溶液的定义是由弱酸及其共轭碱或弱碱及其共轭酸组成的混合溶液,通过弱酸 - 共轭碱或弱碱 - 共轭酸之间的平衡移动来抵抗外加酸或碱的影响。浓的强酸和强碱溶液中不存在这样的弱酸 - 共轭碱或弱碱 - 共轭酸的平衡体系,所以它们不属于缓冲溶液,虽然能抵抗pH变化,但不能称之为具有缓冲作用。

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