pH аммиачного буферного раствора

Кто здесь кислота, а кто основание

В паре NH₄⁺/NH₃ ион аммония — слабая кислота, а аммиак — сопряжённое с ней основание. Поэтому в поле «кислая форма» вводят количество NH₄⁺, которое даёт хлорид аммония, а в поле «основная форма» — количество NH₃. Перепутанные поля сдвигают результат на целую единицу pH и больше: вместо 9,95 при отношении 5:1 получилось бы 8,55.

Значение pKa относится именно к иону аммония, а не к аммиаку как основанию. Для NH₄⁺ при 25 °C оно близко к 9,25, а показатель основности аммиака pKb близок к 4,75; их сумма равна 14. Если в справочнике указан только pKb, пересчитайте: pKa = 14 − pKb. С ростом температуры pKa иона аммония уменьшается, и это стоит учитывать, если раствор готовят или используют не при комнатной температуре.

Формула и смысл отношения компонентов

Уравнение имеет вид pH = pKa + lg(n(NH₃)/n(NH₄⁺)). Оба вещества находятся в одном объёме, поэтому отношение концентраций равно отношению количеств, а объём в числитель и знаменатель сокращается. Именно поэтому калькулятор принимает моли; объём нужен лишь для общей концентрации, по которой проверяется, не слишком ли раствор разбавлен или насыщен.

При равных количествах компонентов pH равен pKa, то есть 9,25. Каждое десятикратное изменение отношения сдвигает pH на единицу. Рабочая буферная область лежит примерно в пределах pKa ± 1, то есть от 8,25 до 10,25, и калькулятор допускает отношение от 0,1 до 10. За этими пределами буферная ёмкость быстро падает, а формула даёт всё менее надёжную оценку.

Два разобранных числовых примера

Пример 1. В литре раствора 0,05 моль NH₄⁺ и 0,25 моль NH₃. Отношение равно 5, десятичный логарифм пяти — около 0,699, поэтому pH = 9,25 + 0,699 = 9,949, то есть примерно 9,95. Общая концентрация составляет 0,3 моль/л, что находится в допустимом диапазоне.

Пример 2: нужно получить pH 10. Требуемое отношение равно 10 в степени (10 − 9,25) = 10^0,75, то есть около 5,62. Берём 0,04 моль NH₄⁺ и 0,225 моль NH₃ (отношение 5,625) и доводим водой до 0,5 л. Получаем pH = 9,25 + 0,750 = 10,00 при общей концентрации 0,53 моль/л.

Типичные ошибки при приготовлении

Первая ошибка — подставлять в калькулятор миллилитры или граммы вместо молей. Количество вещества находят как n = m / M для навески хлорида аммония или как n = c · V для раствора. Вторая — считать концентрацию исходного аммиака по этикетке: аммиак летуч, и раствор, долго стоявший открытым, содержит меньше NH₃, чем указано.

Третья ошибка — принимать расчётное значение за измеренное. Ионная сила, температура и потери аммиака при перемешивании сдвигают реальный pH на десятые доли единицы. В методиках, где допуск на pH жёсткий, расчёт используют как первое приближение, а состав подстраивают по pH-метру, добавляя небольшие порции компонентов.

Границы применимости и меры предосторожности

Уравнение Хендерсона — Хассельбаха рассматривает идеальный раствор одной сопряжённой пары. Оно не учитывает добавление сильной кислоты или щёлочи, реакции с компонентами пробы и образование аммиачных комплексов с ионами некоторых металлов, которые связывают часть NH₃ и меняют фактическое отношение форм.

Концентрированный раствор аммиака едкий и имеет резкий запах: работать с ним нужно в вытяжном шкафу, в перчатках и очках, соблюдая паспорт безопасности вещества. Калькулятор помогает только с арифметикой и не заменяет аттестованную методику, нормативный документ или консультацию квалифицированного химика.

Формула расчёта

Проверенные примеры

Как пользоваться онлайн-калькулятором

1. Оставьте pKa 9,25 для иона аммония при 25 °C или введите значение для вашей температуры.
2. Впишите количество NH₄⁺ (из хлорида аммония) в поле кислоты и количество NH₃ в поле основания в молях.
3. Укажите итоговый объём раствора и нажмите «Вычислить».
4. Проверьте, что отношение NH₃/NH₄⁺ между 0,1 и 10, а итоговый pH измерьте pH-метром.