1.3. Рівноваги в буферних розчинах

Для підтримання сталого рН у хімічних і біологічних системах використовують буферні розчини. Буферний розчин перешкоджає зміні рН, яка може бути при розбавлянні розчину або при додаванні до нього сильної кислоти чи сильної основи.

Буферні розчини – це суміш слабкої кислоти і солі цієї кислоти, або суміш слабкої основи і солі цієї основи, або суміш розчинів солей багато основних кислот різного ступеня заміщення.

Наприклад:

Ацетатна буферна суміш - CH₃COOH + CH₃COONa

Амоніачна буферна суміш – NH₄OH + NH₄Cl

Фосфатна буферна суміш – NaH₂ PO₄ + Na₂HPO₄

Величина рН, за якої проявляється буферна дія, залежить від співвідношення у буферному розчині концентрацій спряжених кислоти і основи, від константи іонізації слабкої кислоти чи основи, які складають цей буфер.

Якщо буферний розчин є сумішшю слабкої кислоти і солі цієї кислоти, то рН розраховують за формулою:

;

Якщо буферний розчин є сумішшю слабкої основи і солі цієї основи, то рН розраховують за формулою:

.

Якщо буферний розчин є сумішшю розчинів солей багато основних кислот різного ступеня заміщення, то рН розраховують за формулою:

;

Приклади розв’язання задач

Задача 1.Розрахуйте рН ацетатної буферної суміші, яка містить у 1 дм³ розчину 0,2 моль кожного з компонентів. Як зміниться рН при додаванні до 1 дм³ суміші: 0.01 моль НСI; 0,01 моль NaOH.

Розв’язок. До складу ацетатної буферної суміші входить ацетатна кислота і натрію ацетат. Ацетатна кислота – слабкий електроліт і дисоціює за рівнянням:

CH₃COOH = H⁺ + CH₃COO^-

; рК = 4,76

Натрію ацетат – сильний електроліт, дисоціює повністю:

CH₃COONa  CH₃COO^- + Na⁺

У присутності однойменних іонів рівновага дуже зміщена ліворуч, тобто концентрацію кислоти можна прийняти рівною її початковій концентрації:

[CH₃COOH] = c_{кислоти}.

Унаслідок того що ацетатна кислота – слабкий електроліт, то майже всі CH₃COO^- - іони утворюються внаслідок дисоціації солі:

[CH₃COO^-] = с_солі.

Визначаємо[ H⁺ ]:

Визначаємо рН ацетатної буферної суміші за формулою:

;

c_кисл=с_солі= 0,2 моль/дм³;

Якщо до 1 дм³ суміші додати 0,01 моль НСI, то внаслідок реакції між НСI і CH₃COONa концентрація ацетатної кислоти зросте до 0,21 моль/дм³ , а концентрація CH₃COO^- -іонів знизиться до 0,19 моль/дм³.

Тоді :

Якщо до 1дм³ суміші додати 0,01 моль NaOH, то внаслідок взаємодії NaOH і CH₃COOH концентрація [CH₃COO^-]- іонів зросте до 0,21 моль/дм³ , а концентрація ацетатної кислоти знизиться до 0,19 моль/дм³.

Тоді:

Відповідь: рН₁ = 4,76; рН₂ = 4,72; рН₃ = 4,80.

Задача 2. Розрахувати буферну ємність ацетатної буферної суміші, яка містить у 1 л розчину по1 молю кожного з компонентів.

Розв’язок. Кількісно буферну ємність визначають як кількість речовини сильної кислоти або основи, яку необхідно прилити до 1 л розчину, щоб змінити його рН на одиницю.

За даними задачі співвідношення с_кисл/с_солі=1, тому рН=рК=4,76.

1) Щоб зменшити рН на одиницю, тобто збільшити концентрацію гідроген-іонів в 10 разів, необхідно додати до розчину таку кількість моль кислоти, щоб співвідношення с_кисл/с_солі =10.

При збільшенні кількості моль кислоти на х, кількість моль солі зменшується також на х. Таким чином, можна скласти рівняння:

= 10; звідки х = 9:11 = 0,818 моль/л.

Для перевірки правильності нашого рішення розрахуємо концентрацію гідроген-іонів та рН розчину після додавання 0,818 моль хлоридної кислоти:

[Н+] ==1,8∙10^-4 моль/л, рН=3,76; ∆рН=1.

2) Розрахуємо кількість лугу для збільшення рН розчину на одиницю. У цьому випадку до розчину треба додати стільки моль лугу, щоб співвідношення с_кисл/с_солі = 0,1. Додавання у моль лугу зменшить кількість кислоти , та збільшить кількість солі у суміші на у моль:

= 0,1; звідки у = 0,818 моль/л.

При перевірки рішення знаходимо:

[Н+] = =1,8∙10^-6 моль/л, рН=5,76; ∆рН=1.

Відповідь: Буферна ємність 1 л даної ацетатної буферної суміші складає 0,818 моль хлоридної кислоти та 0,818 моль лугу.