6. Буферные растворы

Растворы, рН которых относительно мало изменяется при добавлении небольших количеств кислоты или основания, называются буферными.

Буферные растворы содержат либо слабую кислоту и её соль, содержащую катион сильного основания, либо слабое основание и его соль, содержащие анион сильной кислоты (табл. 6).

Таблица 6

Буферные системы

Состав буферной смеси (при молярном соотношении 1 : 1)	Название смеси	рН
Смесь муравьиной кислоты НСООН и формиата натрия НСООNа	Формиатная	3,7
Смесь уксусной кислоты СН3СООН и ацетата натрия СН3СООNа	Ацетатная	4,7
Смесь дигидрофосфата натрия NаН2РО4 и гидрофосфата натрия Nа2НРО4	Фосфатная	6,6
Смесь раствора аммиака NН3*Н2О и хлорида аммония NН4Сl	Аммонийная	9,3

Действие буферных растворов можно объяснить на основе закона действующих масс.

Рассмотрим в качестве примера ацетатный буферный раствор:

CH₃COOH + CH₃COONa.

Уксусная кислота – слабый электролит, её диссоциация в водном растворе описывается уравнением:

СН₃СООН ⇄ СН₃СОО^– + Н⁺

= . (6.1)

Ацетат натрия – сильный электролит, и в водном растворе диссоциирует практически полностью:

СН₃СООNа → СН₃СОО^– + Nа⁺

Под влиянием общего ацетат-иона СН₃СОО^– равновесие диссоциации слабого электролита – уксусной кислоты – смещается влево, то есть диссоциация подавляется.

Вследствие незначительной диссоциации, концентрация СН₃СООН в буферном растворе практически не отличается от исходной концентрации кислоты (с_кисл.), а равновесная концентрация ацетат-иона СН₃СОО^– практически не отличается от концентрации соли (с_соли).

Преобразуем уравнение (6.1):

К_а = или [Н⁺] = К_а· . (6.2)

Чтобы от концентрации ионов [Н⁺] перейти к рН нужно прологарифмировать уравнение (6.2) и изменить знаки на обратные:

–lg[Н⁺] = –lgК_а – lgс_кисл. + lgс_соли (6.3)

Так как pH = lg[H⁺], а pK = -lgK_a , то

рН = рК_а – lg (6.4)

При добавлении к ацетатному буферу небольшого количества сильной кислоты существенного изменения [Н⁺] не происходит, так как ионы Н⁺ связывают СН₃СОО^– в СН₃СООН.

Н⁺ + СН₃СОО^– ⇄ СН₃СООН

При добавлении к ацетатному буферу небольшого количества растворимого в виде основания (щёлочи), образующиеся при её диссоциации ионы ОН^– взаимодействуют с ионами Н⁺ уксусной кислоты.

Н⁺ + ОН^– ⇄ Н₂О.

Вместо израсходованных СН₃СООН даёт новые ионы Н⁺, при этом величина рН изменится незначительно.

Не происходит заметного изменения величины рН и при разбавлении ацетатного буферного раствора водой, так как уменьшение при этом концентрации ионов Н⁺ компенсируется увеличением степени диссоциации (α) уксусной кислоты.

Количество вещества эквивалента сильных кислоты или основания (щёлочи) (моль), необходимое для изменения величины рН на одну единицу 1 л буферного раствора, называется буферной ёмкостью.

Буферное действие прекращается, когда один из компонентов раствора израсходован примерно на 90 %.

Для аммиачного буфера:

[ОН^–] = К_b · ; (6.5)

рОН = рК_b – lg ; (6.6)