Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
_Посібник з АХ для біологів 2012 версия 15_08.doc
Скачиваний:
57
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
10.47 Mб
Скачать

8. Буферні розчини

Якщо для розчину характерна властивість зберігати значення будь-якої рівноважної концентрації (активності) при його розведенні або додаванні до нього інших реактивів, то такий розчин називають буферним відносно цього компонента або показника, який розраховують через рівноважну концентрацію (активність) компонента. Відомі буферні розчини рН (pH = -lg[H+]), pM (pM = -lg[Mμ+]), pe- (pe = -lg[e-] = f([Ox]/[Red]). Останні з названих підтримують значення окислювально-відновного потенціалу який є мірою рівноважної концентрації (активності) незв’язаних електронів.

Біологічні системи проявляють буферні властивості відносно рН і ре-.

властивість протидіяти змінам зовні називають буферністю. Буферність вимірюють буферною ємністю. Наприклад, для буферних розчинів рН буферну ємність розраховують за рівнянням:

= C(H+)/pH = (при (С0)) = dC(H+)/dpH. Класичне визначення – це концентрація сильної кислоти (або лугу), додавання яких змінює рН на ±1,0. Буферний розчин рН містить два компоненти, що перетворюються один в одного, приєднуючи або втрачаючи протон. Для розчину слабкої кислоти й її солі (наприклад, оцтової) справджується константа дисоціації:

CH3COOH  CH3COO- + H+ Ka =.

Після логарифмування маємо: pH = pKa +lg .

Значення водневого показника такого розчину визначається значенням константи дисоціації та співвідношенням рівноважних концентрацій кислоти та її аніону. При введенні в розчин слабкої кислоти та солі цієї ж кислоти рівноважні концентрації кислоти й аніона відрізняються від введених на незначну величину. Якщо змінювати співвідношення концентрацій від 1:100 до 100:1 можна змінювати рН розчину від рКа – 2 до рКа + 2. Саме в цьому діапазоні (рКа ± 2) на практиці готують буферні розчини рН.

Наприклад: нижченаведені значення рКа слабких кислот:

рКа(CH3COOH  CH3COO- + H+) = 4,76;

рКа(NH4+  NH3+ H+ ) = 9,24;

рКа1(H3PO4  H2PO4- + H+) = 2,15;

рКа2(H2PO4-  HPO42- + H+) = 7,20;

рКа2(HPO42-  PO43- + H+) = 12,35.

Обчислимо діапазони рН, в яких можна приготувати відповідні буферні розчини. Оцтово-ацетатні буферні розчини можна приготувати в діапазоні рН = 4,76 ± 2 = 2,76 – 6,76. Амонійно-аміакові буферні розчини готують у діапазоні рН = 9,24 ± 2 = 7,24 – – 11,246. А фосфатні буферні розчини можна приготувати в діапазонах рН = pKa1 ± 2 = 0,15 – 4,15; рН = pKa2 ± 2 = 5,2 – 9,2; рН = pKa± 2 = 10,35 – 14.

Слід звернути увагу на те, що в сильнокислому (рН ≤ 2) та сильнолужному (рН ≥ 12) середовищах на практиці розчини слабких кислот не використовують. При необхідності такі середовища створюють розчинами сильних кислот та сильних основ (лугів).

розрахунки рН буферних розчинів.

Розглянемо кілька прикладів.

Приклад 1. Визначити рН буферного розчину, який приготували змішуванням розчинів: 55 мл оцтової килоти (с0(HAc) = 0,15 моль/л) та 120 мл розчину ацетату натрію (c0(NaAc) = 0,22 моль/л).

Розвязання. Обчислимо загальні концентрації в розчині.

с(HAc) = c0(HAc)·V(HAc) / ( V(HAc) + V(naAc)) = = 0,15·0,055/(0,055 + 0,120) = 0,0471 моль/л.

с(СН3COONa) = c0(NaAc)·V(NaAc) / ( V(HAc) + V(naAc)) = = 0,22·0,120/(0,055 + 0,120) = 0,1509 моль/л.

Скористаємося схемою М. П. Комаря.

CH3COOH  CH3COO- + H+ lgKа = 4,76

с 0,0471 0,1509

Δс -х х х

[ ] 0,0471 − x 0,1509 + x x

Зробимо підстановку в рівняння константи ЗДМ

-lgх = pH = pKa +lg = 4,76 + lg.

Приймаючи умови 0,0471 >>x, 0,1509>>x маємо: рН = 5,27.

Умови справджуються 0,0471 >>10-5,27 0,1509>>10-5,27 . Значить розвязання вірне.

Відповідь: рН = 5,27.

Приклад 2. Визначити рН буферного розчину, який приготували змішуванням розчинів: 75 мл гідрокарбонату натрію (с0(NaHCO3) = 0,12 моль/л) та 60 мл розчину карбонату натрію (c0(Na2CO3) = 0,03 моль/л).

Розв’язання. У розчині співіснують іони HCO3- та СO32-. Ці два іони співіснують в другій ступінчастій рівновазі дисоціації вугільної кислоти:

HCO3-  СO32- + H+ рKа2 = 10,33;

с 0,12·0,075 0,03·0,06

0,075+0,06 0,075+0,06

Δс -х х х

[ ] 0,12·0,075 - x 0,03·0,06 + x x

0,075+0,06 0,075+0,06

Приймаючи умови x << 0,12·0,075 та x<<0,03·0,06, виражаємо значення –lg x з константи рівноваги

-lgх = pH = pKa2 + lg = 10,33 + lg = 9,63.

Відповідь: рН = 9,63.

Звертаємо увагу, що добуток концентрації на об’єм розчину можна замінити на кількість речовини (n). При цьому рН буферного розчину залежить від співвідношення кількостей речовини іонів, що утворюють буферну систему (nHA / nA-) і не залежить від об’єму розчину, в якому вони знаходяться. Саме тому розведення буферного розчину водою не змінює (значимо) його рН.

приготування буферних розчинів із заданим рН

Буферний розчин із заданим рН з відомою парою буферуючих компонентів можна приготувати трьома способами:

  • змішуючи в необхідному співвідношенні кількості речовини; розчини слабкої кислоти і розчинної солі цієї кислоти («кислотою» може виступати кисла сіль багатоосновної кислоти);

  • змішуючи в необхідному співвідношенні кількості речовини; розчин слабкої кислоти і розчин лугу;

  • змішуючи в необхідному співвідношенні кількості речовини; розчин солі слабкої кислоти і розчинн сильної кислоти.

Приклад 3. У якому співвідношенні треба змішати розчини, щоб отримати буфер з рН = 5,0?

  1. 0,20 моль/л NaAc і 0,15 моль/л НAc;

  2. 0,20 моль/л NaAc і 0,15 моль/л НCl;

  3. 0,20 моль/л NaOH і 0,15 моль/л НAc.

Розвязання. 1) За схемою М. П. Комаря.

Hac  Ac- + H+ lgKа = 4,76,

c 0, 15·VHac 0,20·VNaac

VHac+VNaac VHac+VNaac

Δс -х х х

[ ] cHac -x cNaac + x x

Знехтувавши змінами введених концентрацій кислоти і солі, враховуючи, що x = 10-рН = 10-5 , зробимо підстановку в вираз константи ЗДМ і прологарифмуємо з негативним знаком.

pH – pKa = lg ;

5,0 – 4,76 = lg;

100,24 = ;

= 1,30.

Відповідь: Для приготування буферного розчину з рН = 5,0 треба змішати 0,15 моль/л НAc і 0,20 моль/л NaAc у співвідношенні 1:1,3 (або до 100 мл 0,15 моль/л Нac додати 130 мл 0,20 моль/л NaAc).

2) Розглянемо рівняння реакції протонування ацетат-іона.

Ac- + H+  HAc KH = 104,76

n 0,20·VNaAc 0,15·VHCl -

Після змішувння розчинів

cАс = (0,20·VNaAc − 0,15·VHCl)/ (VNaAc + VHCl);

сHAc = 0,15·VHCl / (VNaAc + VHCl);

c cАс - сHAc

Δc x x -x

[ ] cАс+ x x сHAc−x

x = 10-5; cАс+ x= cАс; сHAc−x= сHAc. Підставляємо в ЗДМ:

;

100,24 = 1,333 VNaAc /VHCl –1,0;

.

Відповідь: Для приготування буферного розчину з рН = 5,0 треба змішати 0,15 моль/л НCl і 0,20 моль/л NaAc у співвідношенні 1:2,05 або до 100 мл 0,20 моль/л NaAc додати 48,7 мл 0,15 моль/л НСl.

  1. Розглянемо рівняння реакції нейтралізації HAc розчином NaOH.

НAc + OH-  Ac- + H2O KaKw-1 = 109,24

n 0,15·VHAc 0,20·VNaOH -

Після змішувння розчинів

cАс = 0,20·VNaOH / (VNaOH + VHAc);

сHAc = (0,15·VHAc − 0,20·VNaOH)/ (VNaAc + VHCl);

c cHАс - сAc-

Δc x x -x

[ ] cHАс+ x x сAc−x

x = Kw/[H+]=10-14/10-5= 10-9; cHАс+ x= cHАс; сAc−x= сAc. Підставляємо в ЗДМ

;

109.24-9,0 = 100,24 = ;

;

.

Відповідь: Для приготування буферного розчину з рН = 5,0 треба змішати 0,15 моль/л НAc і 0,20 моль/л NaOH у співвідношенні 2,10:1 або до 100 мл 0,15 моль/л HAc додати 47,6 мл 0,20 моль/л NaOH.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.