Тема 5 Буферные растворы

Вода и растворы солей, образованных сильными кислотами и основаниями, характеризуются нейтральной реакцией среды ( pH = 7).

Если к воде прибавить небольшое количество раствора кислоты или щелочи, то pH среды резко изменится. Например, смешаем 99 мл H₂O и 1 мл соляной кислоты, С(HCl) = 0,1 моль/л. В воде [H⁺] = 10^-7 моль/л, pH = 7. После добавления кислоты [H⁺] увеличилась:

[H⁺] = == 10^-3 моль/л,

а pH уменьшился до 3.

Разбавим полученный раствор соляной кислоты в 10 раз:

[H⁺] = = 10^-4 моль/л, pH = 4.

pH раствора кислоты 1000 при разбавлении увеличится на 1.

Но если тоже количество кислоты или щелочи прибавить к смеси уксусной кислоты и ацетата натрия, или смеси гидроксида и хлорида аммония, то концентрация ионов водорода в этих растворах почти не изменится, не изменится соответственно и pH среды. Такие системы называются буферными.

Буферными называются растворы, pH которых не зависит от разбавления и лишь слабо изменяется от прибавления небольших количеств сильных кислот или щелочей (3).

Такими свойствами обладают растворы, содержащие слабую кислоту или соли этой кислоты и сильным основанием или слабое основание в присутствии его соли, образованной сильной кислотой.

Например, ацетатный буфер: раствор смеси CH₃COOH и CH₃COONa, аммиачный буфер: раствор смеси NH₄OH и NH₄Cl.

Рассмотрим процессы, протекающие в ацетатной буферной смеси:

Ацетат-ионы, полученные при диссоциации соли, сдвигают равновесие (1) влево и уменьшают степень диссоциации кислоты, равновесие практически полностью смещено влево. С другой стороны, присутствие молекул кислоты, (согласно уравнению 1) подавляет гидролиз соли (уравнение 3). Таким образом, в растворе CH₃COOH и CH₃COONa находятся в основном молекулы кислоты и ионы соли.

Буферное действие. Прибавим к данной смеси раствор сильной кислоты HCl:

HCl →H⁺ + Cl^-

Ионы H⁺ связываются с ацетат - ионами соли с образованием CH₃COOH – малодиссоциированного вещества и pH раствора не меняется.

Прибавим раствор щелочи NaOH:

NaOH → Na⁺ + OH^-

Гидроксид-ионы, связывая ионы H⁺ в малодиссоциируемое вещество H₂O, смещают равновесие (1) вправо, т.е. вызывают новый распад уксусной кислоты на ионы.

Равновесие установится только тогда, когда концентрация ионов H⁺ станет равна прежней.

Расчет pH ацетатного буферного раствора

Так как диссоциация CH₃COOH в присутствии сильного электролита CH₃COONa, имеющий одноименный ион, подавлена практически полностью, то равновесную концентрацию недиссоциированных молекул можно приравнять к исходной концентрации кислоты в растворе – С(CH₃COOH).

С другой стороны, CH₃COONa как сильный электролит, диссоциирует практически нацело, поэтому [CH₃COO^-] = C(CH₃COONa). Концентрацией CH₃COO^- - ионов, полученных из кислоты, можно пренебречь.

Отсюда следует, что:

По формуле (3) можно рассчитать pH ацетатной буферной смеси. Из выражения (2,3) следует, что H⁺ , а значит и pH зависят от соотношения количеств кислоты и соли и не зависят от их абсолютных концентраций. Поэтому разбавление не влияет на концентрацию ионов H⁺ и pH буферного раствора.

При приготовлении ацетатного буферного раствора следует помнить, что С_к и С_с в выражениях (2,3) – это концентрации кислоты и соли в их смеси. Если имеются растворы уксусной кислоты и ацетата натрия с V_k и V_c с концентрациями C₀(CH₃COOH) и C₀(CH₃COONa), то: