БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ

Буферным раствором или просто буфером называют такой раствор, pH которого не претерпевает значительных изменений при добавлении небольших количеств кислоты либо основания.

Буферные растворы можно подразделить на четыре типа.

Буферные растворы, содержащие сильную кислоту

Всякая сильная кислота, например азотная, может использоваться как буфер с низким значением pH. Сильные кислоты полностью диссоциированы в водных растворах, и поэтому их растворы характеризуются высокой концентрацией ионов гидроксония. Добавление небольшого количества кислоты или основания к сильной кислоте оказывает поэтому лишь незначительное влияние на pH раствора сильной кислоты.

Например, если к 100 см3 раствора азотной кислоты с концентрацией 0,01 моль/дм3 добавить 1 см3 соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/дм3, то уменьшится от 2,00 до 1,96. Изменение pH на 0,04 может считаться пренебрежимо малым. Чтобы проверить указанные выше значения pH раствора до и после добавления соляной кислоты, следует воспользоваться уравнением

Сопоставим теперь указанное пренебрежимо малое уменьшение pH с результатом добавления раствора с концентрацией 0,1 моль/дм3 к 100 см3 чистой воды. В этом случае pH резко уменьшается от 7,00 до 4,00. Очевидно, чистая вода не действует как буферный раствор, поскольку она не поддерживает pH приблизительно на прежнем уровне. Концентрации буферных растворов соответствуют пологим частям кривых титрования, показанных на рис. 8.2. Эти части кривых титрования называются буферными областями. В буферной области значения pH нечувствительны к небольшим изменениям концентрации кислоты или основания.

Буферные растворы, содержащие сильное основание

Всякое сильное основание может использоваться в качестве буфера с высоким значением Добавление к такому буферу небольшого количества кислоты либо основания оказывает пренебрежимо малое влияние на Например, при добавлении раствора соляной кислоты с концентрацией раствора с концентрацией происходит изменение от 12,00 до 11,96. Изменение в этом случае составляет всего 0,04. Проверить этот результат можно с помощью уравнения (6) и соотношения

Буферные растворы, содержащие слабую кислоту

Буферные растворы с устойчивыми значениями в пределах от 4 до 7 можно получить с помощью какой-либо слабой кислоты и одной из ее солей. С этой целью часто пользуются смесью уксусной кислоты и ацетата натрия. Ацетат натрия в водном растворе полностью ионизирован

В отличие от него уксусная кислота ионизирована лишь частично

При добавлении кислоты это равновесие смещается влево, содержание добавленных ионов уменьшается и восстанавливается первоначальное значение Наличие ацетата натрия в буферном растворе обеспечивает большой запас ионов способный компенсировать действие добавляемых порций кислоты.

При добавлении основания оно нейтрализуется ионами гидроксония

Удаление ионов в результате протекания этой реакции приводит к тому, что равновесие (7) смещается вправо. Концентрация ионов и, следовательно, значение раствора остаются постоянными. Наличие уксусной кислоты в буферном растворе обеспечивает большой запас недиссоциированных молекул способных диссоциировать и, таким образом, при необходимости компенсировать добавление порций основания.

Действие буферных растворов можно рассмотреть количественно на основе закона действующих масс. Как было показано в предыдущем разделе, применение этого закона к равновесию диссоциации уксусной кислоты приводит к следующему выражению для константы диссоциации уксусной кислоты:

Логарифмирование этого выражения приводит к следующему результату:

где полные концентрации соответствующих частиц в буферном растворе. Константа диссоциации уксусной кислоты равна табл. 8.1). Это означает, что равновесие диссоциации уксусной кислоты, описываемое

уравнением (7), значительно сдвинуто влево. По этой причине относительный вклад уксусной кислоты в общее количество ионов в буферном растворе невелик. Величина в уравнении (8) почти полностью обусловлена вкладом соли, т.е. ацетата натрия, который полностью диссоциирован на ионы Следовательно,

Поскольку уксусная кислота мало диссоциирована в буферном растворю, концентрация кислоты в равновесной смеси (7) приблизительно совпадает с ее исходной концентрацией в буферном растворе. Это позволяет записать

Подставляя полученные результаты в уравнение (8), получаем

Полученное соотношение называется уравнением Гендерсона для буферного раствора, состоящего из слабой кислоты и ее соли. Его можно использовать для различных вычислений, а именно для вычисления: буферного раствора;

количества кислоты или соли, необходимого для получения буферного раствора с требуемым значением

изменений буферного раствора при добавлении к нему небольших порций кислоты либо основания.

Пример

а) Сколько ацетата натрия следует растворить в уксусной кислоты, имеющей концентрацию чтобы получить буферный раствор с

б) Как изменится этого буферного раствора, если к буфера добавить раствора имеющего концентрацию

Решение

а) Из уравнения (9) нетрудно найти

По условию и

По данным табл. 8.1 .

Подстановка всех этих значений в полученное уравнение дает

Следовательно,

Это означает, что для получения буферного раствора с следует растворить в уксусной кислоты моль ацетата натрия.

Относительная молярная масса ацетата натрия:

Следовательно, масса моль ацетата натрия составляет

Таким образом, чтобы получить буферный раствор с нужно растворить в уксусной кислоты 1,46 г ацетата натрия.

б) 1 см3 раствора имеющего концентрацию содержит

0,001 моля Он реагирует с образуя Следовательно, концентрация уменьшится на а концентрация возрастет на 0,001 моль/дм3 (небольшим увеличением объема можно пренебречь). Таким образом,

Значит,

Итак, при добавлении к буферного раствора щелочи должно произойти пренебрежимо малое изменение на величину 0,07.

При рассмотрении буферных растворов, содержащих слабую кислоту, возникает один особый случай. Уравнение Гендерсона показывает, что, когда концентрация соли точно равна концентрации кислоты, буферного раствора совпадает с этой кислоты, т.е.

Например, если 100 см3 раствора с концентрацией 0,1 моль/дм3 добавить к 100 см3 раствора с концентрацией 0,1 моль/дм3, то pH полученного буфера должен быть равен 4,75 при 25 °С.

Буферные растворы, содержащие слабое основание

Буферные растворы с устойчивыми значениями в интервале от 7 до 10 можно получить, смешав какое-либо слабое основание с одной из его солей. Типичным буферным раствором такого типа является раствор аммиака и хлорида аммония. В водном растворе хлорид аммония полностью диссоциирует

Аммиак диссоциирует в воде лишь частично

При добавлении кислоты в этот буферный раствор она нейтрализуется ионами Вследствие этого равновесие (10) смещается вправо. Этот сдвиг поддерживает постоянную концентрацию ионов и, следовательно, постоянный

При добавлении основания равновесие (10) смещается влево, и концентрация ионов ОН поддерживается постоянной. Наличие в буферном растворе хлорида аммония обеспечивает в нем большой запас ионов позволяющий компенсировать влияние добавляемых порций основания.

Уравнение Гендерсона для буферного раствора, содержащего слабое основание и одну из его солей, имеет вид

Применения буферных растворов

Буферные растворы играют важную роль во многих технологических процессах. Они используются, например, при электрохимическом нанесении защитных покрытий, в производстве красителей, фотоматериалов и кожи. Кроме того, буферные растворы широко используются в химическом анализе и для калибровки рН-метров (см. гл. 10).

Многие биологические и другие системы зависят от содержащихся в них буферных растворов, которые поддерживают постоянство pH. Нормальные значения pH для некоторых из таких систем указаны в табл. 8.6. Например, pH крови в организме человека поддерживается в пределах от 7,35 до 7,45, несмотря на то, что содержание диоксида углерода и, следовательно, угольной кислоты в крови может варьировать в широких пределах. Содержащийся в крови буфер представляет собой смесь фосфата, гидрокарбоната и белков. Буферы, состоящие из белков, поддерживают pH слез равным 7,4. В бактериологических исследованиях для поддержания постоянства pH культурных сред, используемых с целью выращивания бактерий, тоже приходится использовать буферные растворы.

Таблица 8.6, Значения pH для некоторых биологических систем и других растворов