В. РАВНОВЕСИЯ В БУФЕРНЫХ РАСТВОРАХ

§ 16. Буферные растворы

В 0,001 н. растворе хлористоводородной кислоты . При разбавлении данного раствора в 10 раз концентрация ионов водорода во вновь полученном растворе тоже уменьшится в 10 раз и станет равной . При добавлении к исходному раствору более концентрированного раствора , например равного объема 0,2 н. раствора , концентрация ионов водорода во вновь полученном растворе увеличивается:

При добавлении к 0,01 н. раствору эквивалентного количества раствор станет нейтральным, а величина уменьшится и будет равна .

Следовательно, если к разбавленным растворам сильных кислот или оснований добавлять воду, кислоты или щелочи, то происходят резкие изменения .

В смесях водных растворов слабых кислот и их солей, а также в смесях слабых оснований и их солей концентрации ионов водорода и гидроксила зависят не от абсолютных количеств, а от соотношений кислоты или основания и их солей. Это значит, что величина в таких смесях не зависит от разбавления смеси. В самом деле, если подобную смесь разбавить в 10 раз, то в 10 раз уменьшится концентрация компонентов смеси, а соотношение кислоты или основания и их солей не изменится и величина останется постоянной. Свойство некоторых растворов сохранять неизменной концентрацию ионов водорода при разбавлении, а также, что будет показано ниже, при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или щелочей, известно под названием буферного действия (см. книга 2, гл. II, § 5 и ).

Растворы, содержащие одновременно какую-либо слабую кислоту и ее соль или какое-либо слабое основание и его соль и оказывающие буферное действие, называют буферными растворами. Буферные растворы можно рассматривать как смеси электролитов, имеющих одноименные ионы. Присутствие в растворе слабой кислоты или слабого основания и их солей уменьшает влияние разбавления или действия других кислот и оснований на раствора.

Такими буферными растворами являются следующие смеси: и др.

Буферные растворы, представляющие собой смеси слабых кислот и их солей, как правйло, имеют кислую реакцию . Например, буферная смесь 0,1 М раствора М раствора имеет

Буферные растворы, представляющие собой смеси слабых оснований и их солей, как правило, имеют щелочную реакцию . Например, буферная смесь 0,1 М раствора М раствора имеет .

Интересно отметить, что растворы некоторых индивидуальных солей, образованных катионами сильных оснований и анионами слабых кислот или катионами слабых оснований и анионами сильных кислот и характеризующиеся шелочной или кислой реакцией, также обладают буферным действием. Например, буферное действие прояв-» ляет раствор тетрабората натрия (буры) , характеризующийся щелочной реакцией и раствор битартрата калия , характеризующийся кислой реакцией .

Буферное действие растворов индивидуальных солей объясняется возникновением в процессе гидролиза кислот и оснований. Например, в растворе тетрабората натрия:

в растворе битартрата калия:

Сущность буферного действия. Действие буферных растворов основано на том, что отдельные компоненты буферных смесей связывают ионы водорода или гидроксила вводимых в них кислот или оснований с образованием слабых электролитов. Например, если к буферному раствору, содержащему слабую кислоту и соль этой кислоты , прибавить сильное основание, то произойдет реакция образования слабого электролита — воды:

Вместо израсходованных ионов водорода, вследствие последующей диссоциации кислоты , появляются новые ионы водорода. В результате прежняя концентрация -ионов в буферном растворе восстановится до ее первоначального значения.

Если к указанной буферной смеси прибавить сильную то произойдет реакция

т. е. -ионы, образующиеся при электролитической диссоциации соли , соединяясь с ионами водорода прибавленной кислоты, образуют молекулы слабой кислоты. Поэтому концентрация ионов водорода от прибавления сильной кислоты к буферной смеси тоже практически не изменится. Подобным же образом можно объяснить действие других буферных смесей (табл. 3).

Буферная емкость. Способность буферных растворов поддерживать постоянство значения небезгранична и зависит от качественного состава буферного раствора и концентрации его компонентов. При добавлении к буферному раствору значительных количеств сильной кислоты или сильного основания наблюдается заметное изменение . Причем для различных буферных смесей, отличающихся друг от друга по составу, буферное действие неодинаково. Следовательно, буферные смеси можно различать по силе оказываемого ими сопротивления по отношению к действию кислот и оснований, вводимых в буферный раствор в одинаковых количествах и определенной концентрации. Предельное количество кислоты или основания определенной концентрации или , которое можно добавить к буферного раствора, чтобы значение его изменилось только на единицу, называют буферной емкостью.

Если величина одного буферного раствора изменяется при добавлении сильной кислоты меньше, чем величина другого буферного раствора при добавлении того же количества кислоты, то первая смесь обладает большей буферной емкостью. Для одного и того же буферного раствора буферная емкость тем больше, чем выше концентрация его компонентов.

Пример 1. Определите, какая будет среда раствора, если к прибавить хлористоводородную кислоту.

Решение. При смешении могут быть три случая:

1) смешаны эквивалентные количества :

2) кислоты взято больше требуемого эквивалентного количества:

Таблица 3. Сущность буферного действия

3) кислоты взято меньше эквивалентного количества:

избыток

В первом случае обусловливается концентрацией образовавшейся уксусной кислоты, т. е. среда полученного раствора будет слабокислой.

Во втором случае обусловливается концентрацией избыточной , т. е. среда будет кислой.

В третьем случае обусловливается соотношением концентрации полученной уксусной кислоты и избытка , т. е. среда может оказаться слабокислой, нейтральной и слабощелочной. Если

тогда слабокислая.

Если указанное отношение больше 1 — среда кислая; равно — нейтральная; меньше — щелочная. (См. книга 2, гл. II, § 5 и сл.).