3.4. Сущность буферного действия. Буферная емкость

Буферные растворы - это смеси электролитов, имеющие одноименные ионы. Присутствие в растворе слабой кислоты или слабого основания и их солей уменьшает влияние разбавления или действия других кислот или оснований на рН раствора. Свойство таких смесей сохранять неизменной концентрацию ионов водорода при разбавлении, а также при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот или основании называется буферным действием.

Рассмотрим, в чем же заключается сущность буферного действия.

1. При разбавлении водой ожидаемого уменьшения концентрации ионов водорода или гидроксила не происходит, т.к. одновременно вследствие уменьшения концентрации соли, понижается концентрация одноименных ионов, подавляющих ионизацию слабых электролитов, степень ионизации слабой кислоты или слабого основания увеличивается, за счет чего при разбавлении в определенных пределах рН буферного раствора практически не изменяется. Количественно это достаточно наглядно видно при анализе формул для расчета [H⁺] и рН буферных систем (III - 1, 2, 4, 5). Отношение концентраций кислоты и ее соли или основания и его соли сохраняется при разбавлении постоянным, так как концентрация каждого отдельного компонента уменьшается в одно и то же число раз.

2. При введении небольшого количества сильной кислоты в буферных системах сохраняется постоянство рН благодаря сдвигам равновесий в сторону образования слабых электролитов:

а) кислота и соль этой кислоты:

НАn  Н⁺ + Аn^- KtAn  Kt⁺ + Аn^-

Введенные ионы водорода связываются анионами соли в слабую кислоту: Н⁺ + Аn^-  НАn

б) основание и соль этого основания:

KtOH  Kt⁺ + OH^- KtАn  Kt⁺ + Аn^-

Введенные ионы водорода связываются ионами ОН^- в слабый электролит – Н₂О: Н⁺ + ОН^-  Н₂О

3. При введении небольшого количества сильного основания наблюдаются аналогичные процессы:

а) кислота + соль этой кислоты: НАn  Н⁺ + Аn^-

ионы ОН^- связываются ионами водорода в слабый электролит – Н₂О:

Н⁺ + ОН^-  Н₂О

б) основание + саль этого основания:

KtOH  Kt⁺ + OH^- KtАn  Kt⁺ + Аn^-

ионы ОН^- связываются катионами соли в слабый электролит - KtOH.

Таким образом, в буферных растворах вместо добавленных небольших количеств сильных кислот ила оснований образуются слабая кислота или слабое основание и рН практически не изменяется.

Такая способность буферных растворов поддерживать постоянство значения рН небезгранична и количественно характеризуется буферной емкостью.

При добавлении к буферному раствору значительных количеств сильной кислоты или щелочи наблюдается заметное изменение рН. Причем для различных буферных смесей эти количества различны. Если к буферной смеси слабой кислоты и ее соли добавить сильную кислоту, то количество кислоты увеличивается, а анионов уменьшается и новое значение рН, которое устанавливается после добавления сильной кислоты, можно вычислить по уравнению:

(III.6)

После добавления к такому же буферному раствору сильного основания концентрация кислоты уменьшается, а соли - увеличивается, и устанавливается новое значение рН, которое вычисляется по уравнению:

(III.7)

Количество вещества эквивалентов (моль/л) сильной кислоты или сильного основания, прибавление которого к 1 л буферного раствора изменяет его рН на единицу, называется буферной емкостью раствора:

(моль/л)

Буферная емкость зависят от качественного состава буферного раствора и концентрации его компонентов. С увеличением концентрации составляющих буферную систему веществ буферная емкости возрастает. Максимальной буферной емкостью обладают растворы, содержащие равные количества слабого электролита и его соли. Они же имеют наибольшую устойчивость рН. Примеры вычислений буферной емкости растворов приведены в §6.