7.2. Буферные растворы

Буферными называют растворы, рН которых не изменяется при добавлении небольших количеств кислот или щелочей, а также при разбавлении их водой.

Механизм буферного действия можно объяснить при помощи основных положений протолитической теория кислот и оснований Бренстеда-Лоури (1923). Согласно этой теории, кислота — это донор протонов, а основание – их акцептор.

С точки зрения протолитической теории различают:

• кислоты–молекулы (CH₃COOH),

• кислоты-катионы (NH₄⁺),

• кислоты–анионы (H₂PO₄^-).

Кислота отдает протон и превращается в сопряженное с ней основание. Ниже приведены примеры нескольких сопряженных пар:

СH₃COOH CH₃COO^- + H⁺

Кислота Сопряженное

основание

NH₄⁺ NH₃ + H⁺

Кислота Сопряженное

основание

H₂PO₄^- PO₄^2- + H⁺

Кислота Сопряженное

основание

Буферный раствор содержит как кислоту, так и сопряженное с ней основание. Именно поэтому он способен нейтрализовывать как добавленную кислоту, так и добавленное основание.

Классификация буферных растворов

1) Слабая кислота/ ее соль

Например, ацетатный буфер: СН₃СООН/СН₃СООNa

Механизм буферного действия:

Нейтрализация добавленной кислоты:

НCl + CH₃COONaCH₃COOH + NaCl

Нейтрализация добавленной щелочи

NaOH+ CH₃COOHCH₃COONa + H₂O

2) Слабое основание/его соль

Например, аммиачный буфер: NН₃/NН₄Сl

Механизм буферного действия:

Нейтрализация добавленной кислоты:

НCl + NH₃NH₄Cl

Нейтрализация добавленной щелочи

NaOH+ NH₄ClNH₃ + NaCl + H₂O

3) Две кислые соли

Например, гидрофосфатный буфер: NаН₂PO₄/Nа₂НPO₄

Механизм буферного действия:

Нейтрализация добавленной кислоты:

НCl + Na₂HPO₄NaH₂PO₄+ NaCl

Нейтрализация добавленной щелочи

NaOH+ NаH₂PO₄ → Na₂HPO₄ + H₂O

4) кислая соль/средняя соль

Например, гидрокарбонатный буфер: NаНСO₃/Nа₂СO₃

Механизм буферного действия:

Нейтрализация добавленной кислоты:

НCl + Na₂СO₃NaHСO₃+ NaCl

Нейтрализация добавленной щелочи

NaOH+ NаHСO₃Na₂СO₃ + H₂O

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха позволяет рассчитать рН буферного раствора:

рН = рК_а – ,

где рК_а = – lg K_a

Важной хапактеристикой растворов является их буферная емкость. Буферная емкость раствора (В, ммоль/л) — это количества сильных кислот или щелочей, при прибавлении которых к 1 л буферного раствора, происходит изменение рН на единицу:

где С_н — нормальность добавляемых кислот или щелочей, моль/л

V — их объем, мл

V_бр — объем буферного раствора, л.

Буферная емкость зависит: (1) от концентрации раствора: чем концентрированнее раствор, тем больше его буферная емкость; (2) от соотношения концентраций компонентов:

Чем больше буферная емкость раствора, тем эффективнее он поддерживает кислотно-основное равновесие.

Характеристиками биологических буферных систем являются буферная емкость по кислоте (B_к) и буферная емкость по щелочи (B_щ). Как правило, B_к > B_щ. Это объясняется тем, что в организме человека количество кислотных метаболитов значительно превышает количество метаболитов щелочных. Например, в теле человека в спокойном состоянии ежесуточно образуется такое количество кислоты, которое эквивалентно 2,5 л концентрированной соляной кислоты HCl.