2.2. Буферные растворы

В аналитической химии очень часто используют буфер­ные растворы. Буферными называют растворы, рН кото­рых практически не изменяется при добавлении к ним не­больших количеств кислот и оснований или при их разбавлении. Буферные растворы могут быть четырех типов.

1. Слабая кислота и ее соль. Например, ацетатный бу­ферный раствор СН₃СООН + CH₃COONa.

2. Слабое основание и его соль. Например, аммиачный буферный раствор NH₄OH + NH₄C1.

3. Раствор двух кислых солей. Например, фосфатный буферный раствор NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄. В этом случае соль NaH₂PO₄ играет роль слабой кислоты.

4. Аминокислотные и белковые буферные растворы. рН и рОН буферных растворов зависят от величины константы диссоциации кислоты или основания и от соот­ношения концентраций компонентов. Эта зависимость Выражается уравнениями

pH = pK_k – lg C (кислота) (2.6)

С (соль)

или

рОН = рК₀ - lg С(основание) , (2.7)

С(соль)

где рК_к и рК₀ - показатели константы диссоциации соот­ветствующей кислоты и основания; С(кислота) - концент­рация кислоты; С(основание) - концентрация основания; С(соль) — концентрация соли.

При приготовлении буферного раствора с одинаковой концентрацией кислоты (основания) и соли рН или рОН такого раствора численно равняется рК_к или рК₀, так как С(кислота)/С(соль) = 1 или С(основание) / С(соль) = 1. Из­меняя соотношение между концентрациями кислоты (ос­нования) и соли, можно получить серию растворов с раз­личной концентрацией ионов водорода, т.е. с различными значениями рН.

На примере ацетатного буферного раствора рассмот­рим, на чем основано свойство буферных растворов сохра­нять постоянным значение рН. Для ацетатного буферного раствора рН можно рассчитать по уравнению (2.6):

рН = рКсн₃соон – lg С (СН₃СООН) . (2.8)

C(CH₃COONa)

При разбавлении водой ацетатного буферного раствора, как видно из уравнения (2.8),соотношение С(СН₃СООН) / C(CH₃CОONa) не изменяется, так как концентрации кис­лоты и соли уменьшаются в одинаковое число раз, а рКсн₃соон остается постоянной величиной. В результате при разбавлении рН буферного раствора практически не меняется.

Теперь предположим, что приготовлен 1 л ацетатного бу­ферного раствора с одинаковой концентрацией обоих ком­понентов, равной 0,1 М. Для уксусной кислоты рК = 4,76. Следовательно, согласно уравнению (2.8), рН такого бу­ферного раствора равно следующей величине:

pH = 4,76 – lg0,1/0,1 = 4,76.

Добавим к такому раствору 10 миллимоль соляной кис­лоты. В результате реакции

CH₃COONa + HC1 → СН₃СООН + NaCl

концентрация слабой кислоты увеличивается, а концент­рация соли уменьшается. Концентрация уксусной кисло­ты будет равна 0,1 М + 0,01М = 0,11М, а концентрация соли CH₃COONa: 0,1M – 0,01М = 0,09М. Тогда рН ацетатно­го буферного раствора уменьшается на 0,08:

рН = 4,76 – lg(0,11/0,09) =4,76 - 0,079 = 4,68.

При добавлении вместо сильной кислоты такого же коли­чества основания последнее реагирует с уксусной кислотой:

СН₃СООН + NaOH ↔ CH₃COONa + Н₂О.

Концентрация кислоты уменьшается (0,1М - 0,01М = 0,09М), но увеличивается концентрация соли (0,1М + 0,01M = 0,11М). Тогда

рН = 4,76 – lg (0,09/0,11) = 4,76 - 0,09 = 4,67.

При добавлении кислоты или основания концентрации компонентов буферного раствора изменяются незначительно, и после установления равновесия рН изменяется тоже незначительно.

Добавление к 1 л воды 10 миллимоль НСl или NaOH со­здает концентрацию [Н⁺] и [ОН^-], равную 0,01М. В первом случае рН станет равным 2, во втором — 12, т.е. рН изме­нится на 5 единиц по сравнению с рН чистой воды.

Способность буферных растворов поддерживать рН практически постоянным является ограниченной. Любой буферный раствор практически сохраняет постоянство рН только до прибавления некоторого определенного количе­ства кислоты или щелочи. Способность буферного раство­ра противодействовать смещению рН измеряется буфер­ной емкостью. Эта величина характеризуется количест­вом моль Н⁺ или ОН^- соответственно сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 л буферного рас­твора, чтобы сместить величину его рН на одну единицу.

Буферные растворы широко применяются в качествен­ном и количественном анализе для создания и поддержания определенного значения рН среды при проведении реакций. Так, ионы Ва²⁺ отделяют от ионов Са²⁺ и Sr²⁺ осаждением дихромат-ионами Cr₂О₇^2- в присутствии ацетатного буфер­ного раствора. При определении многих катионов металлов С помощью трилона Б методом комплексонометрии используют аммиачный буферный раствор (NH₄OH + NH₄Cl).

Буферные растворы или буферные системы обеспечива­ют постоянство рН биологических жидкостей и тканей. Главными буферными системами в организме являются гид­рокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Действие всех буферных систем в организме взаимосвязано. Поступившие извне или образовавшиеся в процессе обмена веществ ионы водорода связываются в слабо диссоциируе­мые соединения одним из компонентов буферных систем. Однако при некоторых заболеваниях может происходить изменение значения рН крови. Смещение значения рН кро­ви в кислую область от нормальной величины рН 7,4 называется ацидозом, в щелочную область - алкалозом. Ацидоз возникает при тяжелых формах сахарного диабета, дли­тельной физической работе и при воспалительных процес­сах. При тяжелой почечной или печеночной недостаточнос­ти или при нарушении дыхания может возникнуть алкалоз.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Что такое буферные растворы?

2. Назовите основные типы буферных растворов. Приведи­те примеры.

3. От чего зависит рН буферных растворов?

4. Почему рН ацетатного буферного раствора не изменяет­ся значительно при добавлении к нему небольших коли­честв азотной кислоты или гидроксида калия?

5. Будет ли изменяться рН фосфатного буферного раствора при разведении его водой в 10 раз? Дайте объяснение.

6. Вычислите: а) рН фосфатного буферного раствора, состоя­щего из 16 мл раствора Na₂HPO₄ с концентрацией 0,1 моль/л и 40 мл раствора NaH₂PO₄ с концентрацией 0,04 моль/л, если pKH₂PO^-₄ = 6,8; б) как изменится рН этого раствора при добавлении к нему 6 мл раствора НС1 с концентрацией 0,1 моль/л.

Ответ: а) рН = 6,8; б) рН = 6,46; ∆рН = 0,34.

7. Приведите примеры применения буферных растворов в аналитической химии.

8. Что такое: а) ацидоз; б) алкалоз?