Механизм действия буферных растворов.

 

Механизм действия буферного раствора, состоящего из слабой кислоты и ее соли, рассмотрим на примере ацетатного буферного раствора.

Диссоциацию кислоты и соли можно представить уравнениями реакций:

СН₃СООН ↔ СН₃СОО⁻ + Н⁺ (a < 3%);

СН₃СООNa ↔ СН₃СОО⁻ + Na⁺ (a > 30%).

Добавление сильной кислоты: HCl = Н⁺ + Сl^- приводит к образованию слабого электролита. Концентрация ионов водорода связана с тем, что анионы соли связывают Н⁺ в молекулы слабой кислоты: Н⁺ + СН₃СОО⁻ ↔ СН₃СООН.

Добавление щелочи NaОН = Na⁺ + ОН^- также не приводит к изменению рН, так как гидроксид-ионы связываются катионами Н⁺ в слабый электролит (H₂O):

ОН^- + Н⁺ ↔ Н₂О.

Действие буферных растворов можно рассмотреть на основании закона действующих масс. Константа диссоциации уксусной кислоты:

К_Д (СН₃СООН) =

[H⁺] =

Равновесная концентрация уксусной кислоты [СН₃СООН]= С (СН₃СООН), моль/л, так как диссоциация очень мала.

Равновесная концентрация ацетат-ионов [СН₃СОО⁻ ]= С (СН₃СООNa), моль/л, так как ацетат натрия является сильным электролитом. Тогда:

 

[H⁺] = ,

где С – молярные концентрации компонентов.

Для буферного раствора, образованного слабой кислотой и ее солью, уравнение имеет вид:

[H⁺] = .

Взяв отрицательный логарифм, получаем:

− lg[H⁺] = − lg К_д (кислоты) – lg С (кислоты) + lg С (соли);

рН = р К (кислоты) − lg С (кислоты) + lg С (соли);

рН = р К (кислоты) − lg .

Полученное соотношение называют уравнением Гендерсона-Гейсельбаха.

Рассуждая аналогичным образом, можно получить уравнение для расчетов буферного раствора, состоящего из слабого основания и его соли (например, аммиачно-аммонийного).

рН = p K (Н₂О) − p K (основания) + lg .

Для буферного раствора, состоящего из двух кислых солей, например, Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄, (фосфатный буферный раствор) уравнение Гендерсона-Гейсельбаха имеет следующий вид:

рН = p K – lg .

Уравнения, приведенные выше, показывают, что рН буферного раствора определяется отношением концентраций компонентов кислоты и соли или соотношением основания и соли, поэтому не зависит от разбавления, поскольку при изменении объема концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз.

При одинаковой концентрации компонентов, составляющих буферный раствор, концентрации можно заменить объемами.

 

4.2. Буферная ёмкость и ее расчет

 

Способность буферных растворов поддерживать постоянным значение рН при прибавлении к ним кислоты и щелочи является ограниченной. Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной емкостью (Б).

Буферная ёмкость определяется числом моль-эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобыизменить рН на единицу. Буферная емкость рассчитывается по кислоте:

Б_а = ,

по основанию:

Б_b = ,

 

где Б_а – буферная ёмкость по кислоте;

Б_b – буферная ёмкость по основанию;

n_a – число моль-эквивалентов кислоты

(n_а = С_{эк (кисл)} V_кисл);

n_в – число моль-эквивалентов основания

(n_в = С_{эк (осн)} V_осн);

рН₀ – исходное значение рН;

рН₁ – значение рН после добавления кислоты или щелочи.