基础化学标准答案第04.docx

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基础化学标准答案第04

基础化学答案第04

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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/Na2HPO4solutionwiththispHpKa2ˊo