50

5. БУФЕРНІ РОЗЧИНИ

Для підтримання певної величини рН у досліджуваному розчині користуються буферними системами. Розчини, рН яких майже не змінюються при додаванні невеликих об'ємів сильних кислот або лугів, а також від розбавлення, називають буферними розчинами чи буферними сумішами.

Найчастіше як буферні розчини, використовують суміші розчинів слабких кислот та їх солей, або ж суміші розчинів слабких основ та їх солей, або суміші розчинів солей багатоосновних кислот різного ступеня заміщення

(табл. 5.1).

Таблиця 5.1. Буферні суміші

Здатність буферних систем підтримувати постійність рН при додаванні до них невеликих кількостей сильної кислоти або сильної основи грун-тується на тому, що одна складова частина буферної системи може взаємо-діяти, з іонами Н+ кислоти, а друга – з іонами ОН- основи, що додається. Вна-слідок цього буферна система може зв'язувати як іони Н+, так і іони ОН- кислот та основ, які приливають, і до певної межі зберігати постійність вели-чини рН.

Наприклад, якщо до ацетатного буферного розчину додати розчин лугу (NaОН, КOН), то піде реакція нейтралізації оцтової кислоти. Реакція йде за схемою:

Іони ОН- сполучаються при цьому з катіонами водню оцтової кислоти і дають малодисоційовану воду. Замість витрачених іонів Н+ оцтова кислота, дисоціюючи, надсилає в розчин нові. В результаті цих процесів рН розчинів змінюється незначно.

51

Коли до ацетатного буферного розчину додають сильну кислоту (НCl; Н2SO4; НNO3), процес проходить інакше:

Уцьому випадку аніони СН3СОО-, сполучаючись з іонами Н+ сильної кислоти, утворюють молекули малодисоційованої оцтової кислоти

СН3СООН. До того ж її дисоціація стримується однойменними іонами СН3СОО-, присутніми в розчині. Таким чином, сильна кислота замінюється слабкою оцтовою, і концентрація іонів Н+ змінюється дуже мало.

Утому та іншому випадках в розчині істотно не змінюються концентрації Н+, або відповідно ОН- іонів.

Не відбувається помітної зміни рН і при розведенні ацетатного буферного розчину водою, бо зменшення концентрації іонів Н+, пов'язане з розбавленням, компенсується, збільшенням ступеня дисоціації оцтової кислоти.

Процес, що відбувається при додаванні лугу до амонійного буферного розчину, можна зобразити схемою:

При додаванні сильної кислоти до амонійного буферного розчину процес проходить за схемою:

Із наведених рівнянь видно, що при додаванні лугу до амонійного буферного розчину іони ОН- зв'язуються з катіонами солі з утворенням малодисоціюючих молекул NH4ОН, а при додаванні сильної кислоти іони Н+ сполучаються з іонами ОН- гідроксиду амонію і утворюють малодисоціюючі молекули води.

Отже, з додаванням до амонійного буферного розчину невеликих кількостей лугу або сильної кислоти рН розчину не повинен сильно змінюватися.

При введенні в різні буферні розчини однакових кількостей кислоти або лугу концентрація іонів Н+ в них змінюється неоднаково, бо ці розчини мають різну буферну дію.

52

Додавання до буферного розчину значних кількостей сильної, кислоти або лугу обумовлює помітну зміну рН. Наприклад, в міру додавання соляної кислоти, до 1н ацетатної буферної суміші величина рН змінюється так:

Величину рН, що створюється тим чи іншим буферним розчином, можна обчислити.

5.1. Обчислення рН буферних розчинів, утворених слабкою кислотою та її сіллю

Приклад 1. Обчислити рН суміші оцтової кислоти і її солі.

1. Із рівняння константи іонізації кислоти знаходимо концентрацію іонів водню:

[Н+ ]= К[СН3СООН] [СН3СОО− ]

Оцтова кислота присутня в розчині у суміші з ацетатом натрію СН3СООNа у вигляді неіонізованих молекул, тому концентрацію молекул можна вважати такою, що дорівнює загальній молярній концентрації кислоти в розчині, тобто [CH3COOH] = Скисл.. Концентрація іонів кислоти може дорівнювати концентрації солі, тобто [CH3COO−] = Cсолі, оскільки ацетат натрію - сильний електроліт, дисоціює в розчині на 100%.

Взявши до уваги ці спрощення, одержимо:

[Н+ ]= К Скисл.

Ссолі

2. Логарифмуючи одержане рівняння і змінюючи знаки логарифмів на зворотні, отримаємо:

рН = рК−lg Cкисл. .

Ссолі

Змінюючи відношення концентрації кислоти до концентрації солі, можна отримати серію буферних систем із різною величиною рН.

При цьому готують низку буферних систем із одних і тих же компонентів, змінюючи лише відношення концентрації кислоти до концентрації солі від 10:1 до 1:10. У таких розчинах водневий показник змінюватиметься від рН - рК-1 до рН = рК + 1.

5.2. Обчислення рН буферних систем, утворених слабкими основами та їх солями

53

Для прикладу візьмемо аміачну буферну систему, що являє собою суміш розчинів гідроксиду амонію NH4ОН і хлориду NH4Cl.

1.Запишемо рівняння константи іонізації NH4ОН і знайдемо [ОН-]

2.Звідси знаходимо:

рОН = рКосн. - lg Сосн.

Ссолі

Знаючи, що рН + рОН = 14, одержимо:

рН = 14 - рК + Сосн. .

Ссолі

Здатність буферних систем зберігати постійність рН визначається їх буферною місткістю. Буферна місткість розчину змінюється кількістю грамеквівалентів сильниї кислоти або сильної основи, яку необхідно додати до 1 л буферної системи розчину, щоб змінити його рН на одиницю. Буферна місткість тим більша, чим вища концентрація компонентів буферної суміші. Щоб дія буферної системи була достатньо ефективною концентрація одного не повинна перевищувати концентрацію іншого компонента в 10 разів.

Буферні системи широко і різнобічно, використовуються в аналітичній хімії. Для створення і підтримання величини рН до досліджуваного розчину додають буферну суміш. Так, аміачна буферна суміш застосовується для осадження гідроксиду алюмінію в ході аналізу третьої аналітичної групи катіонів, для кількісного визначення загальної твердості води, визначення кальцію та магнію при їх спільній присутності комплексометричним методом.

Ацетатний буферний розчин використовується при осадженні іонів барію дихроматом калію в присутності іонів стронцію і калію в ході аналізу другої групи катіонів.

Форміатний буферний розчин застосовується для осадження іонів цинку сірководнем у ході аналізу третьої аналітичної групи і т.д.

Багато аналітичних реакцій з органічними реактивами, що характеризуються утворенням забарвлених сполук, проводиться при точно визначеній величині рН. Так, при виявленні катіона Ni2+ диметилгліоксимом (реактивом Чугаєва) використовується ацетатна буферна суміш з рН = 5.

В організмах рослин і тварин також діють складні буферні системи, які підтримуються постійними рН крові, лімфи та інших рідин. Буферні властивості має і грунт, якому властиво протидіяти зовнішнім факторам, що змінюють рН ґрунтового розчину. Це має місце при внесенні у грунт різних речовин, наприклад, вапна, мінеральних добрив тощо.