Значение кислотно-основных равновесий в сельскохозяйственном анализе

Роль кислот и оснований в почвообразовании, жизнедеятельности растений и животных связана с важнейшими биологическими процессами. При повышении кислотности почвы жизнедеятельность бактерий угнетается, нарушается микробное разложение органических веществ и происходит накопление аммония вместо нитратов. Буферные растворы обеспечивают химическую устойчивость и нормальную работу ферментативных систем, так как многие ферменты могут функционировать только в определенных, достаточно узких диапазонах pH. Усвоение питательных веществ из почвы растениями происходит в слабокислой, нейтральной или слабощелочной среде.

В агрохимической практике, почвоведении, зоотехнии широко применяют методы анализа, в которых используются в качестве реагентов различные кислоты, основания, буферные растворы. Например, определение реакции почв относится к числу наиболее распространенных анализов как в теоретических, так и в прикладных исследованиях. При этом различают актуальную (активную), обменную и гидролитическую формы кислотности. Для выяснения степени засоленности почв определяют щелочность, обусловленную присутствием анионов слабых кислот (угольная, кремниевая, органические кислоты).

При анализе почв, растений, кормов в качестве экстрагентов применяют кислоты, щелочи, буферные растворы. При выполнении аналитических определений возникает необходимость нейтрализации сильных кислот или оснований, создания определенной реакции среды.

Кислотно-основные равновесия — это основа кислотно-основного титрования, применяемого в сельскохозяйственном анализе для определения азота, аминокислот, полипептидов, кислотного числа масел и других химических показателей, необходимых для оценки плодородия почв, роста и развития растений, качества получаемой продукции.

Примеры расчетов

Пример 1. Рассчитайте концентрацию формиат-ионов НСОО в водном растворе муравьиной кислоты с концентрацией 0,05 моль/л. Константа кислотной диссоциации муравьиной кислоты равна 1,8 • 1СИ.

Решение. Муравьиная кислота как слабый электролит в водном растворе диссоциирует:

Константа кислотной диссоциации К_к = [Н₃0+] [НСОО"]/[НСООН]. Равновесные концентрации [Н₃0⁺] и [НСОО~] одинаковы, так как при диссоциации из одной молекулы муравьиной кислоты образуются по одному иону гидроксония и формиат-иону. Равновесную концентрацию муравьиной кислоты [НСООН) можно принять равной ее исходной концентрации в растворе, поскольку степень ионизации мала. Поэтому К_к = [НСОО]²/с (НСООН), или 1,8−10-⁴ = [НСОО-]²: 0,05. Решая это уравнение относительно [НСОО], получаем.

Пример 2. Рассчитайте pH водного раствора, содержащего в 1 л 3,0 г ортоборной кислоты. Константа кислотной диссоциации этой кислоты по первой ступени К_г = 7,1 • 10~¹⁰, рК₁ = 9,15. Диссоциацией по второй и третьей ступеням можно пренебречь.

Решение. Диссоциации ортоборной кислоты в водном растворе по первой ступени:

Константа кислотности =[Н₃0⁺] [Н₂В0₃]/[Н₃В0₃]. Для расчета pH слабых кислот можно записать pH = 0,5[рК¹ — lgc (H₃B0₃)], где с (Н₃В0₃) — исходная концентрация раствора ортоборной кислоты, моль/л. Рассчитаем с (Н₃В0₃) по формуле.

где т (В) — масса растворенного вещества, г; М (В) — молярная масса растворенного вещества, г/моль; У_р — объем раствора, л:

где М (Н₃В0₃) = 61,833 — молярная масса ортоборной кислоты, г/моль; К_р = 1л.

Вычислим pH раствора:

Пример 3. Рассчитайте константу гидролиза К_г, степень гидролиза ацетат-ионов СН₃СОО в водном растворе ацетата натрия с концентрацией 0,1 моль/л и значение pH этого раствора. Константа кислотной диссоциации уксусной кислоты К_к = 1,74 • 10^-5, рК_к = 4,76.

Решение. Ацетат натрия как сильный электролит в водном растворе полностью диссоциирует:

Образовавшиеся ацетат-ионы подвергаются гидролизу:

Концентрационная константа гидролиза.

где К_ъ — постоянная воды, lO¹⁴; К_к— константа диссоциации уксусной кислоты.

Константа гидролиза ацетат-иона.

Для расчета степени гидролиза а_г используем уравнение а_г = л/К^/Со, где с₀ = c (CH₃OONa):

Значение pH раствора рассчитываем по уравнению (4.48):

Пример 4. Рассчитайте pH буферного раствора, 1 л которого содержит 0,1 моль уксусной кислоты и 0,01 моль ацетата натрия. Константа диссоциации уксусной кислоты К_к = 1,74 • 10~⁵, рК_к = 4,76.

Решение. В ацетатной буферной системе устанавливаются равновесия:

pH = рК_к — lg (c_K/c_c), где с_к = 0,1 моль/л — концентрация уксусной кислоты и с_с = 0,01 моль/л — концентрация ацетата натрия. Вычислим pH:

Пример 5. Рассчитайте буферную емкость (3 ацетатной буферной смеси, содержащей в 1 л раствора 0,01 моль уксусной кислоты и 0,01 моль ацетата натрия. Константа диссоциации уксусной кислоты К_к = 1,74 • 10-⁵, рК_к = 4,76.

Решение. Рассчитаем pH рассматриваемой буферной смеси по уравнению (4.54):

Вычислим буферную емкость по уравнению

где с_к и с_с—концентрации соответственно кислоты и соли, моль/л; К_к — константа диссоциации кислоты; [Н₃0⁺] — концентрация ионов водорода, моль/л.

Концентрацию ионов водорода вычислим, исходя из величины pH: pH = -lg[H₃0+] = 4,76.

Находим антилогарифм — концентрацию ионов водорода: [Н₃0+] = 1,74 • 10-⁵ моль/л.

Вычислим буферную емкость по уравнению (4.61):