H₂CO₃是碳酸,弱酸,一级电离常数Ka=4.3×10⁻⁷,且溶解度低,水溶液浓度稍高即挥发二氧化碳气体;其共轭碱为碳酸氢根离子HCO₃⁻,比如碳酸氢钾、碳酸氢钠等,溶液均为碱性。
H₂C₂O₄是草酸,学名乙二酸,几乎是有机酸中最强的了,一级电离常数Ka=5.9×10⁻²;其共轭碱为草酸氢根离子HC₂O₄⁻,比如草酸氢钠等,溶液为碱性。
H₂PO₄⁻是磷酸二氢根离子,由于磷酸是三元酸,因此磷酸二氢根离子仍可以电离出氢离子,其电离常数(磷酸的二级电离常数)Ka=6.23×10⁻⁸,酸性比碳酸还弱,但大多数磷酸二氢盐的溶解度都比碳酸高很多,其与碱金属组成的盐水溶液都是酸性;其共轭碱为磷酸一氢根HPO₄²⁻,与碱金属组成的盐都是碱性。
HAc是醋酸(乙酸)的缩写,化学式为CH₃COOH,弱酸,其电离常数Ka=1.76×10⁻⁵,与水可以任意比例互溶;其共轭碱为醋酸根离子Ac⁻(CH₃COO⁻),碱金属的醋酸盐均显碱性。
HF是氢氟酸,弱酸,其电离常数Ka=3.53×10⁻⁴,与水可以任意比例互溶搭蚂颂;其共轭碱为氟离子F⁻,碱金属氟化物都是碱性。
NH₄⁺是铵离知郑子,其电离常数Ka=5.64×10⁻¹⁰,其绝大多数盐都易溶于水,强酸铵盐显酸性;其共轭碱为氨水NH₃·H₂O,弱碱,电离常数Kb=1.774×10⁻⁵,氨溶解度较高,但会挥发氨气。
如果要组成缓冲对,则需要考虑其酸碱性及溶解度。
①、PH=2.0,氢离子浓度10⁻²mol/L,H₂C₂O₄、HF符合要求,HAc浓度较高,但可行。
H₂CO₃/HCO₃⁻浓度≈(10⁻²)²÷(4.3×10⁻⁷)+10⁻²≈233mol/L,肯定超出溶解度范围,不可行;
H₂C₂物前O₄/HC₂O₄⁻浓度≈(10⁻²)²÷(5.9×10⁻²)+10⁻²≈1.17×10⁻²mol/L,在溶解度范围内,符合要求。
H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻浓度≈(10⁻²)²÷(6.23×10⁻⁸)+10⁻²≈1605mol/L,肯定超出范围,不可行。
HAc/Ac⁻浓度≈(10⁻²)²÷(1.76×10⁻⁵)+10⁻²≈5.69mol/L,相当于约341.5克/升,浓度较高,但还可行。
HF/F⁻浓度≈(10⁻²)²÷(3.53×10⁻⁴)+10⁻²≈0.293mol/L,在溶解度范围内,符合要求。
NH₄⁺/NH₃浓度≈(10⁻²)²÷(5.64×10⁻¹⁰)+10⁻²≈177304mol/L,肯定超出范围,不可行。
②、PH=7.0,氢离子浓度10⁻⁷mol/L,中性,都可用。
上述6种物质都显酸性(强酸铵盐也显酸性),其共轭碱都可以显碱性,互相中和,都可以达到PH=7.0的中性,因此都可行。
③、PH=9.0,氢氧根离子浓度10⁻⁵mol/L,只有草酸不可行,其他都可用。
H₂CO₃/HCO₃⁻浓度≈(10⁻⁵)²÷10⁻¹⁴×(4.3×10⁻⁷)+10⁻⁵=0.00431mol/L,在碱金属碳酸氢盐溶解度范围内,符合要求。
H₂C₂O₄/HC₂O₄⁻浓度≈(10⁻⁵)²÷10⁻¹⁴×(5.9×10⁻²)+10⁻⁵≈590mol/L,肯定超出浓度范围,不可行。
H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻浓度≈(10⁻⁵)²÷10⁻¹⁴×(6.23×10⁻⁸)+10⁻⁵≈6.33×10⁻⁴mol/L,在磷酸氢盐的溶解度范围内,符合要求。
HAc/Ac⁻浓度≈(10⁻⁵)²÷10⁻¹⁴×(1.76×10⁻⁵)+10⁻⁵≈0.176mol/L,在醋酸盐的溶解度范围内,符合要求。
HF/F⁻浓度≈(10⁻⁵)²÷10⁻¹⁴×(3.53×10⁻⁴)+10⁻⁵≈3.53mol/L,相当于氟化钠148克/升,在溶解度范围内,符合要求。
NH₄⁺/NH₃浓度≈(10⁻⁵)²÷10⁻¹⁴×(5.64×10⁻¹⁰)+10⁻⁵≈1.564×10⁻⁵mol/L,在氨气的溶解度范围内,符合要求。
以上结论虽然理论上可行,但在实际应用中,由于H₂CO₃溶解度低,配置的缓冲溶液PH平衡极易被打破,所以可行性较差。
2021-11-05
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