Буферні системи

Буферні системи (буферні розчини) - розчини, здатні зберігати більш менш постійне значення pH при додаванні до них невеликих кількостей сильних кислот або сильних основ Такі розчини можуть містити одну речовину або суміш речовин, наприклад, насичений водний. розчин гідротартрату калію КНС₄Н₄0₆ (pH 3,567 при 25 °С), водний розчин (з концентрацією 0,05 моль/л) гідрофталату калію КНС₈Н₄0₄ (pH 4,008 при 25 °С), водний розчин (з концентрацією 0,05 моль/л) тетраборату натрію (бури) Na₂B₄O₇-10H₂O (pH 9,18 при 25 °С та pH 9,07 при 38 °С).

• - гідроксид натрію та гідрофталат калію: NaOH + КНС₈Н₄0₄ (Підтримує pH в інтервалі 4,00-6,20);
• - однозаміщений ортофосфат калію та двозаміщений ортофосфат натрію: КН₂Р0₄ + Na₂HP0₄ (підтримує pH в інтервалі 4,80-8,00);
• - оцтову кислоту та ацетат натрію: СН₃СООН + CH₃COONa (підтримує pH в інтервалі 38-63).

Універсальну буферну суміш готують, змішуючи розчини ортофосфорної, оцтової та борної кислот із розчином гідроксиду натрію (підтримує pH у широкому інтервалі 1,81-11,98).

Часто застосовують буферні розчини, що містять суміш слабкої кислоти та її солі (наприклад, мурашина кислота та форміат натрію НСООН + HCOONa — форміатний буферний розчин) або суміш слабкої основи та солі цієї основи (наприклад, аміак та хлорид амонію NH₃-H₂0 + NH₄C1 – амонійний буферний розчин).

Для підтримки заданого постійного значення pH буферний розчин готують, змішуючи точно розраховані кількості компонентів.

Розглянемо докладніше два типи буферних систем: систему, що містить слабку кислоту та її сіль, і систему, що містить слабку основу та її сіль.

Буферна система, що містить слабку кислоту та її сіль

Приклад такої системи – ацетатна буферна суміш: водний розчин, що містить слабку оцтову кислоту СН₃СООН та її сіль - ацетат натрію CH₃COONa. Ацетат натрію (сильний електроліт) у водному розчині розпадається на іони повністю, оцтова кислота (слабкий електроліт) лише частково:

Остання рівновага сильно зміщена вліво, оскільки дисоціація оцтової кислоти пригнічується у присутності ацетат-іонів.

Буферна дія ацетатної суміші полягає в наступному: якщо в буферну суміш додають невеликий об'єм сильної кислоти, то іони водню цієї кислоти, які могли б призвести до зміни pH розчину, ацетат-іонами зв'язуються в малодисоціюючу оцтову кислоту:

При цьому баланс іонів водню у розчині практично не порушується, рН розчину зберігається постійним.

Якщо до цього розчину додати невеликий обсяг лугу, то гідроксид-іони лугу зв'язуються оцтовою кислотою з утворенням води, pH розчину також практично не зміниться:

Розрахуємо pH в буферному ацетатному розчині. Концентраційна константа кислотної дисоціації оцтової кислоти:

Ступінь дисоціації оцтової кислоти значно менше одиниці (а = 0,0132), тому рівноважна концентрація недисоційованої кислоти [СН₃СООН] приблизно дорівнює вихідній концентрації кислоти з_до, рівноважна концентрація ацетат-іонів [СН₃СОО] приблизно дорівнює початковій концентрації ацетату натрію з_з; [СН₃СООН] = с_до; |СН₃СОО-] = с_з.

Рівняння (4.51) набуде вигляду

Після логарифмування рівняння (4.52) та множення на -1 отримуємо

Вводимо в рівняння (4.53) замість негативних логарифмів показники pH = -lg[H+]; рДо_до = -lgДо_до, отримуємо рівняння для розрахунку pH буферної системи, що складається із слабкої кислоти та її солі:

де рДо_до - Показник константи дисоціації слабкої одноосновної кислоти; з_до і з_з - вихідні концентрації слабкої кислоти та солі, моль/л.

Рівняння (4.54) застосовують для розрахунку pH буферних систем, що містять слабку одноосновну або багатоосновну кислоту та її сіль (у розрахунку використовують константу першого ступеня дисоціації).