Буферные растворы против кислотных дождей

в этом видео мы продолжим изучать кислоты и основания и рассмотрим множество примеров кислотные дожди возникают когда выбросы диоксида серы от горение природного топлива вступает в реакцию с водой в воздухе с образованием серной кислоты в 80-е и 90-е годы кислотные дожди стали бедствием для водных потоков по всей европе и северной америке в некоторых ручьях и реках полностью исчезли рыбы и водоросли в монтане тоже во подари кислотные дожди но как ни странно реки этого штата не так сильно пострадали от них как в других местах за мной сейчас вы видите реку кларк форк кислотный дождь и и практически не навредил более того в то время как ph уровень дождя составлял 4,5 воды оставались щелочными это немного разбавленная серная кислота как бы модель кислотного дождя здесь у меня дистиллированная вода с добавленным в нее индикатором ph в нейтральном или щелочном растворе он голубой но даже в очень слабой кислотной среде он становится розовым смотрите как мало нужно чтобы она стала кислотный от кислотного дождя одна капля но все раствор уже розовый а теперь повторим опыт с речной водой сколько кислоты понадобится чтобы сделать и в ней кислотную среду смотрите я всю копаю и вот наконец то половина кислотная половина щелочная и это после 6 или 7 капель или даже больше раствор даже не стал полностью кислотным добавлю еще на вот только сейчас стал почему так происходит потому что эту реку защищает известняк карбонат кальция который встречается вдоль всей реки дождь вымывает карбонат кальция из известняков тот стекает воду и становится естественным буфером буферный раствор не дает измениться уровню ph при добавлении в него сильной кислоты или сильного основания таким образом геохимия реки кларк форк объясняет почему здесь все не настолько плохо как в других местах буферные растворы играют в химии очень важную роль их добавляет в бассейн и чтобы химикаты не повредили нам кожу в безалкогольные напитки чтобы кислотные ароматизаторы не повредили нам зубы и ткани у нас даже в крови есть буферный раствор чтобы поддерживать внутренний уровень ph буферный раствор это смесь слабой кислоты с ее с сопряженным основанием или слабого основания сопряженной кислотой характеристика слабый для кислоты и основания означает что они плохо диссоциируют в воде и именно слабость делает их отличными буферами не до конца диссоциировать шайа кислота или основанием может служить как источником так и поглотителем протонов что позволяет нейтрализовать сильную кислоту или сильные основания например если воду добавить слабую кислоту например уксусную небольшая ее часть распадется на составляющие и он и ацетат и он ион водорода или протон представьте что у нас есть раствор уксусной кислоты с концентрацией 1 моль на литр чтобы раствор стал буферном мы должны увеличить присутствие сопряженного основания ацетата добавив в него ацетат натрия ацетат натрия полностью диссоциирует предоставляя куча ацетат ионов пусть мы добавили столько соли что концентрация ацетат ионов тоже стала 1 моль на литр мы знаем сколько в растворе кислоты и сколько ацетата но нас волнует ph а для этого нам нужно знать количество протонов растворе выпишем концентрации веществ до протекания реакции и после реакция которая нас интересует это диссоциация уксусной кислоты натрий из ацетата натрия нас не волнует он просто будет находиться в воде в виде она ни с чем не реагируя и ни на что не влияя мы знаем начальной концентрации уксусной кислоты и ацетата по одному моля на литр ионов водорода пока нет оставляем 0 мы не знаем насколько изменится концентрация обозначим это значение за x кислота потеряет x молей на литр а оба иона получат и итоговые концентрации в состоянии равновесия единица минус x единица плюс x и просто и x соответственно теперь подставим формулу равновесия значение константы равновесия она равна 1,76 на 10 в минус 5 степени но когда химики работают с диссоциации кислоты оснований они используют для этой константы in термин константа диссоциации кислоты или основания она обозначается к а для кислоты и kb для основания теперь возьмем формулу для константы равновесия подставив в нее все известные нам значения и неизвестные переменные упрощаем как-то не очень похожи на упрощение давайте попробуем так уксусная кислота очень слабая она очень плохо диссоциирует а значит x очень-очень маленькие настолько что если мы округлим ответ до нескольких знаков их с не будет играть значительные роли но только нельзя отбросить 1 x от ионов водорода потому что он здесь важен мы на него умножаем а про остальные два давайте просто забудем если мы вернемся к формуле в том виде в каком она была до упрощения и отбросим все x которые прибавляются и вычитаются из единиц и задача существенно упростится останется только x который равен 1,76 на 10 в минус 5 степени вычисляем ps4 целых семьсот пятьдесят четыре тысячных теперь изменим ph нашего раствора суть буферного раствора в том чтобы активно этому сопротивляться и если я добавлю сильную кислоту соляную концентрации 1 моль на литр в дистиллированную воду и и ph очень быстро изменится как видите уровень ph падает на глазах 7 до трех в такой среде человек жить не сможет а теперь подумаем что будет с ph при наличии буферного раствора если ее добавить в раствор с буферным ацетатом лишние ионы водорода лишние протоны присоединяются к цитаты о нам и образуют уксусную кислоту и сильная кислота почти не повлияет на ph поскольку ее ионы водорода вступили в реакцию для нейтрализации раствора аж флора в одну сотую моля на литр а точнее h плюс концентрации одну сотую моля на литр концентрация ацетат ионов уменьшится на одну сотую моля на литр и в то же время концентрация уксусной кислоты увеличится на одну сотую моля на литр концентрация цитаты о на встанет 99 сотых а уксусной кислоты одна целая одна сотая моля на литр ph зависит от концентрации протонов уравнений равновесия тогда эти его найдем подставим формулу новые значения концентрации ацетат ионов и уксусной кислоты а также к а получим что концентрация протонов равно 1,8 на 10 в минус 5 степени моля на литр отсюда ph 4 целых семьсот сорок шесть а было четыре целых семьсот пятьдесят четыре но уксус и соляная кислота не подходят для описания так как далеки от практики давайте я покажу вам как все происходит в реальном мире возьмем буферную систему реки кларк for в ней процесса взаимодействия между растворенным известняком и кислотным дождём протекает в 3 шага во-первых известняк карбонат кальция реагируют с ионами водорода из кислотного дождя и получается ионы кальция и гидрокарбоната вы он их гидрокарбоната содержится один ион водорода когда мимо проплывает еще один протон гидрокарбонат притягивает его к себе и образует нейтрально заряженную молекулу угольной кислоты как видите в этой реакции используются два протона на каждую молекулу карбоната кальция от этого буферный раствор становится вдвое эффективнее именно поэтому река кларк форк так сильно сопротивляется кислотности но есть всему предел и есть порог буферной емкости раствора вернемся к индикаторам есть много разных у каждого свой цвет и порог ph при котором их цвет меняется это называется конечная точка индикатора здесь у меня 100 миллилитров речной воды в которую я добавил индикатор ph точнее говоря даже два индикатора громко и за лавой зеленый и метиловый красный они отлично подойдут для рассматриваемой нами реакции пока и он и гидрокарбоната удерживают ph буферного раствора выше 4 его цвет будет голубоватым вот эта длинная трубочка называется бюретка она предназначена для добавления жидкости и маленькими точными дозами сейчас в ней ровно 25 миллилитров раствора серной кислоты с концентрацией одна десятая моля на литр наша задача по чуть-чуть добавлять кислоту постоянно помешивая для чего у меня здесь есть специальная автоматическая перемешивающие устройства и дальше если вы знаете в какой момент цвет сменился вы можете открыть клапан и быстро спустить часть кислоты но я не знаю поэтому буду добавлять кислоту по чуть-чуть можно приоткрыть клапан чтобы кислота капала не большими каплями вы сейчас ждете когда что-то начнет меняться после каждой капле цвет немного меняется но быстро возвращается в прежнее состояние но дело в том что мы уже вот-вот подходим границы и я сейчас каждый раз добавляя даже не целую каплю а часть обычные капли очень быстро открывая и закрывая в бюретку я вижу как реакция протекает прямо у меня на глазах это прекрасный индикатор реагируют на кислоту и тут же возвращается в изначальное состояние голубой цвет стал уже не таким насыщенным и это здорово значит мы уже близко все красота дальше раствор так и будет розовым а это значит что я исчерпал буферную емкость раствора до прекрасно вот так это и выглядит и уровень ph упал ниже конечные точки индикатора в беретки осталось 22,4 миллилитра то есть я использовал два целых шесть десятых миллилитра или 26 10 тысячных литра раствора кислоты его концентрация одна десятая моля на литр перемножив эти числа я узнаю что использовал 26 100 тысячных моля h2o so4 серная кислота реагирует с карбонатом кальция в соотношении один к одному и если считать что карбонат кальция единственной буфер воде значит 100 миллилитров речной воды также содержит 26 100 тысячных моля карбоната кальция то есть его концентрация 26 десятитысячных моля на литр или 2,6 миллиона на литр я большой поклонник защита окружающей среды но иногда удивительно наблюдать как она защищает сама себя