Теоретическая часть. Буферным называют раствор, способный поддерживать практически постоянное значение рН при разбавлении или добавлении небольших количеств кислоты или щелочи

 

Буферным называют раствор, способный поддерживать практически постоянное значение рН при разбавлении или добавлении небольших количеств кислоты или щелочи. Компонентами протолитических буферных растворов являются донор протона и акцептор протона, представляющие собой сопряженную кислотно-основную пару.

Буферные системы делятся на кислотные и основные. Кислотные буферные растворы содержат слабую кислоту (донор протона) и соль этой кислоты (акцептор протона). К ним относятся ацетатная буферная система - СН₃СООNa, СН₃СООН; гидрокарбонатная - NaНСО₃, Н₂СО₃; гидрофосфатная – Na₂HPO₄, NaH₂PO₄. Основными буферными растворами называются растворы, содержащие слабое основание (акцептор протона) и соль этого основания (донор протона). К основным буферным растворам относится аммиачный буфер - NH₃·Н₂О, NH₄Cl.

Механизм буферного действия рассмотрим на примере ацетатного буферного раствора. В кислотной буферной системе наблюдаются два процесса: один обратимый – диссоциация слабой кислоты:

СН₃СООН ↔ Н⁺ + СН₃СОО^-

другой необратимый – диссоциация соли:

СН₃СООNa → Na⁺ + СН₃СОО^-

По закону действующих масс константа диссоциации для уксусной кислоты

Концентрация в растворе акцептора протона (СН₃СОО^-) определяется в основном концентрацией соли СН₃СООNa, т.к. диссоциация слабой уксусной кислоты в присутствии сильного электролита – её соли, подавляется. Т.к. уксусная кислота диссоциирует очень слабо, то считают, что концентрация её не изменилась. Поэтому уравнение (1) можно представить в виде

Логарифмируя уравнение (2), получают

lg[Н⁺] = lgК + lg[кислота] - lg[соль].

Меняют знаки на обратные:

-lg[Н⁺] = -lgК - lg[кислота] + lg[соль], т.е.

рН = рК_а - lg[кислота] + lg[соль], т.е.

 

В соответствии с уравнением Гендерсона - Хассельбаха (3), рН кислотной буферной системы зависит от показателя константы диссоциации слабой кислоты рК_а и отношения концентраций акцептора протона (соли) и донора протона (кислоты) в растворе.

При добавлении небольших количеств сильной кислоты (например, НCl→Н⁺ + Cl^-), казалось бы должно произойти увеличение концентрации ионов водорода. Однако этого не происходит, т.к. катионы Н⁺ связываются акцептором протона буферного раствора c образованием малодиссоциирующей уксусной кислоты:

Н⁺ + СН₃СОО^- → СН₃СООН

Значение рН среды не изменяется.

При добавлении небольших количеств щелочи (например, NaOH→Na⁺ + OH^-) анионы ОН^- связываются донором протона с образованием малодиссоциирующего соединения – воды:

OH^- + СН₃СООН → СН₃СОО^- + Н₂О

Значение рН среды поддерживается постоянным.

При разбавлении буферного раствора водой концентрация кислоты и соли изменяются в одинаковое число раз и их отношение остается постоянным, например,

[Н⁺] = К · 0,1 / 0,1 = К · 0,01 / 0,01 = К · 0,001 / 0,001 = const.

Защитные свойства буферных растворов по отношению к действию кислот и щелочей будут сохраняться до тех пор, пока концентрации компонентов буферного раствора, связывающих Н⁺ или ОН^-, будут больше концентрации добавляемых ионов:

с(Н⁺)_добавл<[акцептор протона]; с(ОН^-)_добавл<[донор протона].

Для характеристики сопротивляемости буферных растворов к добавлению кислот или оснований введено понятие буферная емкость. Буферная емкость – способность буферного раствора сохранять постоянство рН при добавлении некоторого количества кислоты или щелочи.

Мерой буферной емкости (В) называется число моль-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которые нужно добавить к 1 литру буферного раствора, чтобы изменить величину рН на единицу

(4),

где n_x – количество моль-эквивалентов кислоты или щелочи,

рН₀ и рН – водородный показатель буферного раствора до и после титрования.

Мера буферной емкости зависит от концентраций компонентов в буферном растворе. Чем выше концентрация компонентов, тем больше буферная емкость. Максимальное буферное действие будет наблюдаться при равных концентрациях компонентов в смеси. В таких буферных растворах рН = рК_а (4).