Билет 29. Буферные системы. Расчёт рН буферной системы на примере ацетатного буфера. Механизм действия ацетатного буфера.

Растворы, рН которых лишь незначительно изменяется при разбавлении или при добавлении к ним сравнительно больших количеств сильной кислоты или сильного основания, называются буферными. Буферные растворы или системы могут быть: смесью раствора слабой кислоты с её солью, например, СН3СООН и СН3СООNa, смесью раствора слабого основания и его соли, например NH3 и NH4Cl, смесью растворов 2х солей многоосновной кислоты, анионы которых содержат различные количества атомов водорода, например, NaH2PO4 и Na2HPO4. Водородный показатель рН буферного раствора можно рассчитать, зная концентрации составляющих его веществ. Покажем, как это делается, на примере ацетатного буферного раствора, концентрация уксусной кислоты в котором Ск, а её соли, например, ацетата натрия- Сс. Ацетат натрия является сильным электролитом и полностью распадается на ионы: СН3СООNa CH3COO-+Na+. Уксусная кислота является слабым электролитом, процесс её диссоциации обратим: СН3СООН CH3COO-+H+ и характеризуется соответствующей константой Кк= [СН3СОО-][Н+]\[СН3СООН],откуда [Н+]=Кк[СН3СООН]\[СН3СОО-]. Из уравнения видно, что концентрация ионов водорода в ацетатном буферном растворе определяется соотношением равновесных концентраций уксусной кислоты и ацетат- ионов. Равновесная концентрация недиссоциированной уксусной кислоты в растворе в соответствии с уравнением реакции равна: [СН3СООН]= Ск-[H+]. Равновесная концентрация ацетат- ионов складывается из 2 величин- концентрации ионов СН3СОО-, образовавшихся при диссоциации кислоты, и концентрации этих же ионов, которые образуются при полной диссоциации соли. Первая, как следует из уравнения, равна концентрации ионов водорода, а вторая- исходной концентрации Сс: [СН3СОО-]=Сс+[Н+]. Уксусная кислота является слабым электролитом и степень её диссоциации обычно невелика. В присутствии одноимённых ионов СН3СОО- равновесие реакции смещается в сторону недиссоциированных молекул СН3СООН, из- за чего концентрация ионов Н+ в смеси с уксусной кислоты и её соли меньше, чем в чистой кислоте. Поэтому в выражениях (последних) данной величиной можно пренебречь и принять равновесные концентрации уксусной кислоты и ацетат- ионов в буферном растворе приближённо равными их исходным концентрациям: [СН3СООН]=прибл.Ск, [СН3СОО-]=приб. Сс.. подставив их в [Н+]=Кк[СН3СООН]\[СН3СОО-] получим: [Н+]=КкСк\Сс; рН=-lgCk\Cc= pKk- lgCk\Cc. Этот результат является общим для всех буферных растворов, приготовленных из слабой одноосновной кислоты и её соли. Значения их рН определяются константой диссоциации кислоты и отношением концентраций кислоты и соли. При равных концентрациях кислоты и соли рН=рКк. Это соотношение так же используется для экспериментального определения констант диссоциации слабых кислот. Поясним теперь механизм буферного действия на конкретном примере. Для этого вычислим как изменяется рН ацетатного буфера в 1л которого содердится 1 моль СН3СООН и 1мол СН3СООNa после добавления к нему 0,1 моль сильного основанияNaOH или 0,1 моль сильной кислоты НCl. СН3СООН+ NaOH= CH3COONa+ H2O, CH3COONa+ HCl= CH3COOH+ NaCl. Очевидно, что при добавлении сильного основания гидроксид- ионы свяжут часть ионов водорода, образующихся при диссоциации кислоты, в слабый электролит- воду и равновесие СН3СООН CH3COO-+H+ сместится вправо. При этом равновесна концентрация кислоты в растворе уменьшится на величину 0,1 моль\л, а равновесная концентрация ацетат- ионов увеличится на столько же. Рассчитаем рН полученного раствора: рН= рКк- lg[CH3COOH]\[CH3COO-]= 4,75- lg1(-0,1)\1+0,1= 4,84. Полученное значение 4,84 отличается от исходной величины 4,75 только на 0,9 единицы рН. Есои учесть то, что точность измерения рН обычно составляет +- 0,05, подобное изменение окажется незаметным (добавление такого же количества сильного основания к 1 л чистой воды изменит рН с 7 до 13, то есть на 6 единиц. ) при введении в 1 л буферного раствора 0,1 моль сильной кислоты, образующиеся при её диссоциации ионы Н+ свяжутся с имеющимися в растворе ацетат- ионами СН3СОО- в молекулы СН3СООН. В результате концентрация уксусеой кислоты увеличится на 0,1моль\л, а концентрация соли уменьшится на столько же. рН= рКк-lg[СР3СООН]\[СН3СОО-]= 4,75- lg(1+0,1)\1-0,1= 4,66. В этом случае рН раствора уменьшится на 0,09(при введении такого же количества сильной кислоты в воду рН изменится с 7 до 1). Разумеется, если добавлять большие количества вещества, то рН изменится сильнее. Количество кислоты или щёлочи, вызывающие изменения рН буферного раствора на 1, называются его буферной ёмкостью. Буферные растворы используются для калибровки рН- метров, а также в качестве среды проведения химических и биохимических реакций, в ходе которых надо поддерживать постоянную величину рН. Благодаря различным природным буферным системам поддерживаются постоянные значения концентраций ионов Н+ и ОН- во внутри и внеклеточных жидкостях живых организмов, почвах, природных водах. Например, значение рН плазмы крови 7,4, обеспечивается гидрокарбонатной и фосфатной буферными системами, а так же буферным действием находящихся в крови белков.