§ 6. Буферні розчини

Буферними розчинами називають розчини суміші слабкої кислоти (або слабкої основи) і її солі. Такою є, наприклад, суміш оцтової кислоти і аце­тату натрію (СН₃СООН + CH₃COONa). При добавлянні до такої суміші сильної кислоти або сильної основи відбуваються такі реакції:

CH₃COONa + HC1 = СН₃СООН + NaCl; СН3СООН + NaOH = CH₃COONa + Н₂0.

Звідси видно, що при дії на буферний розчин сильної кислоти або сильної основи змінюється концентрація слабкої кислоти. У першому випад­ку концентрація її збільшується, а в другому — зменшується. Проте рН розчину практично не змінюється. Це пояснюється тим, що слабка кислота взагалі мало дисоціює, а в присутності однойменних іонів її солі дисоціація відбувається значно меншою мірою. Отже, концентрація водневих іонів бу­ферної суміші під впливом сильної основи або сильної кислоти практично не змінюється. Нижче буде показано, що при розведенні буферної суміші рН розчину також залишається сталим.

У хімії, біології, медицині, у промисловому виробництві в результаті тих чи інших процесів часто можуть поглинатись або виділятись водневі іони. Щоб процес відбувався при сталому значенні рН, у розчин вводять буферні суміші, які поглинають водневі або гідроксильні іони, і значення рН розчину практично не змінюється.

Слабкі кислоти (слабкі основи), які є складовими частинами буферних сумішей, у водних розчинах частково дисоціюють на іони:

НЛ ?± Н+ + А~. (1)

Згідно з цим рівнянням константа дисоціації кислоти матиме вигляд

_ [Н+] [А~\ ₍₂₎

^К« [НА] • '

У розчині буферної суміші, крім вільної слабкої кислоти, є ще її сіль, яка практично повністю дисоціює на іони. Аніони, які утворюються в ре­зультаті дисоціації солі, значно зменшують дисоціацію слабкої кислоти. Тому можна допустити, що в розчинах суміші слабкої кислоти і її солі кон-

42

центрація аніонів практично дорівнюватиме концентрації солі: [А ] — С_с. З другого боку, очевидно, справедливим буде також припущення, що кон­центрація недисоційованих молекул практично дорівнюватиме загальній концентрації кислоти: [НЛ] = С_к. Підставляючи ці значення в рівняння (2), дістанемо:

[Н+] С_с

С_к

*_{K =} J«4bL. (3)

звідки

[Н+]=-^. (4)

Логарифмуючи цей вираз, дістанемо:

lg[H+]=lg/C_K + lg-^, (5)

або

pH=p^_K+1g^. (6)

Формулу (6) використовують для обчислення рН розчину буферної су­міші. З цього рівняння видно, що рН буферного розчину залежить лише від співвідношення концентрацій солі й кислоти і не залежить від розведення.

Буферні розчини часто застосовуються в якісному аналізі, коли треба

■ провести реакцію за цілком певної величини концентрації водневих іонів.

Так, іони барію виявляються в присутності іонів стронцію за допомогою

осадження розчином дихромату калію, який утворює осад ВаСг0₄ жовтого

кольору. Реакція відбувається за таким рівнянням:

2Ва²+ + Сг₂0^- ₊ н_аО = 2BaCr0₄ + 2H+.

З рівняння видно, що одним з продуктів реакції є іони Н . Осад хромату барію розчиняється в кислоті і тому наведена реакція не доходить до кінця: частина іонів барію залишається в розчині. Повне осадження барію можливе лише після нейтралізації розчину. Використовувати для цього розчин їд­кого лугу не можна, бо в лужному розчині осаджуватиметься хромат строн­цію. Тому іони водню зв'язують, добавляючи розчин ацетату натрію. Ут­ворюється буферна суміш, яка складається з ацетату натрію й оцтової кислоти і має рН близько 5. При такій кислотності іони барію повністю осад­жуються, тоді як іони стронцію залишаються в розчині.

В хімічному аналізі використовуються також інші буферні суміші, на­приклад суміші розчинів гідроксиду і хлориду амонію, борної кислоти й борату натрію, одно- і двозаміщених фосфатів калію, винної або лимонної кислот та їх солей тощо.

Багато прикладів застосування буферних сумішей в якісному аналізі наведено в другій частині книги. Для кількісного аналізу буферні розчини мають велике значення у зв'язку з титруванням слабких основ і слабких кислот, бо в цих випадках наприкінці титрування утворюються солі слаб­ких кислот або основ і трохи вільної кислоти або вільної основи.

43

Приклади.

1. Обчислити рН розчину, який містить 25 мл 0,1 н. розчину СН₃СООН і 25 мл 0,1 и. розчину CH₃COONa.

З довідника знаходимо, що АГ_СН соон^ ^ " ^~ ; (рК — 4,75). Підставляючи відповідні значення у формулу (6), знаходимо

рН = 4,75 + !g

= 4,75.

25 • 0,1 -50 50 -25 • 0,1

2. Обчислити рН розчину, який містить 20 мл 0,1 М розчину Na₂C0₃ і 10 мл 0,1 М роз­ чину NaHC0₃. Роль кислоти в цьому випадку відіграватиме NaHC0₃, а роль солі — кар­ бонат, З довідника знаходимо, що для вугільної кислоти рК₂~ Ю,2.

Підставляючи відповідні значення у формулу (6), знаходимо

20 • 0,1 • ЗО

рН= 10,2 + lg

ЗО • 10 ■ 0,1

■= 10,2+ lg 2= 10,5.

_{v_}

_У\

-+-

•+-

10 11 12 13 14

-і

■+■

■+-

рн

рК СН₃СООН а

рн-

0

14 13 12 II 10 9

ю и

—і ь

рН 1 М розчину j NH₄OH

| 12 13 14

-н-

1

-рОН

І

рОН 1 М розчину NH₄OH'

Рис. 2. Обчислення рН слабких кислот і основ графічним методом.

При використанні буферних сумішей треба звертати увагу на концентра­ції компонентів, що входять до їх складу. Кожний буферний розчин має певну буферну ємність, яка характеризується здатністю цього розчину зберігати сталу величину рН при добавлянні кислот або лугів. Мірою буферної ємності є кількість еквівалентів кислоти (або лугу), яку треба добавити, щоб величина рН 1 л буферного розчину змінилася на одиницю. Велику буферну ємність мають розчини з високою концентрацією слабкої кислоти та її солі; для цього потрібно також, щоб співвідношення концентрацій цієї кислоти і солі було близьким до одиниці. Так, суміш 1 М розчинів ацетату натрію і оцтової кислоти, взятих в однакових об'ємах, має велику буферну ємність. У суміші з 0,1 М концентраціями названих ре­човин буферна ємність буде меншою. Якщо ж змішати, наприклад, 100 мл 0,1 М розчину оцтової кислоти і 100 мл 0,01 М розчину ацетату натрію, то така суміш матиме найменшу буферну ємність порівняно з наведеними раніше.

Властивості буферних сумішей з різним співвідношенням складових час-

44

тин безпосередньо випливають з рівняння (6). Справді, чим менша концент­рація солі в буферній суміші, тим менше сильної кислоти треба добавляти для повного зв'язування аніонів солі за рівнянням

CHjCOCT + Н+ = СН₃СООН.

Після того як усі аніони солі будуть повністю зв'язані в молекули слабкої кислоти, буферна суміш втрачає свою буферну здатність протистояти дії сильних кислот.