5.Буферная емкость.

Буферная емкость - это расчетная величина, равная числу молярных масс эквивалента сильной кислоты или сильного основания. которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.

Буферная емкость рассчитывается по формуле

В=СV / ∆рН V_б,

где В- буферная емкость, моль/л; С - молярная концентрация эквивалента сильной кислоты или основания, моль/л; V- объем добавленного сильного электролита, мл; Vб - объем буферного раствора, мл; ∆рН - изменение рН.

На практике значение рН буферных растворов определяют методами: а) колориметрическим -- по изменению окраски цветных индикаторов, б) электрометрическим или потенциометрическим. В последнем методе определение рН буферных растворов сводится к измерению ЭДС цепи, составленной из электрода с известным потенциалом — электрода сравнения (вспомогательного) и электрода определения (индикаторного, измерительного):

Е= φ_инд -- φ_всп

Так как φ_всп не зависит oт изменения рН и состава исследуемого раствора, то изменение ЭДС пропорционально ∆рН:

∆Е = ∆φ_инд = b₀ ∆рН

где φ_инд =b₀рН; b₀ - коэффициент пропорциональности, равный2 , 303 (RT / F )

Стеклянный электрод является универсальным для определения рН. Концентрацию ионов водорода с использованием стеклянного электрода измеряют на приборах - рН-метрах. Эти приборы имеют различное оформление, но принцип их работы один и тот же.

Рабочим органом рН-метра является гальваническая ячейка, состоящая обычно из стеклянного электрода и хлорсеребряного электрода сравнения.

Буферную емкость раствора можно определить из кривых за- висимости рН раствора от количества прибавленной к нему щелочи или кислоты. Буферная емкость, очевидно, обратно про- порциональна тангенсу угла наклона кривой нейтрализации.(см. рисунок 1) Если кривая идет полого (кривая 2 титрования слабых кислот и оснований), тоdpH/db мала и, следовательно, буферная емкость велика. Из рис. 1 следует, чторастворы сильных кислот обладают значительной буферной емкостью в области рН< 2—3, а растворы сильных оснований — в области рН > 11—12. Из кривых также следует, что раствор одной слабой кислоты (одного слабого основания) не является буферным. Но если к нему добавлено заметное количество соли этой кислоты (основания) так что состав раствора отвечает средней части кривых нейтрализации (пологие участки на рис.1), то буферная емкость значительна. Вблизи точки нейтрализации кислот и оснований буферная емкость этих растворов становится очень малой (чем меньше буферность раствора в точке эквивалентности, тем точнее можно оттитровать раствор).

5.1 Уравнение для расчета буферной емкости растворов сильных кислот и оснований.

Буферную емкость растворов сильных кислот и оснований приближенно можно рассчитать следующим образом. Пусть к 1 дм³ раствора сильной кислоты НА начальной концентрации Са (в экв/дм³) добавляют b экв сильной щелочи (при неизменном объеме раствора). Условие электронейтральности позволяет записать для конечного раствора:

^C_н⁺ +b=^C_А- ^{+ C}oн- (3)

сумма концентраций сумма концентраций

катионов анионов

Учитывая, что в растворе сильной кислоты с_А^- = с_а и с_он- =К_ω/с_н+, получаем:b=c_α- c_н⁺ +К_ω/c_н+ (4)

Полагая для простоты расчета, что рН = —lgc_H+, после дифференцирования получаем значение буферной емкости растворов сильных кислот:

β = db/dpH = - db/dlgc_H⁺ = - 2,3db/dlnc_H⁺ = - c_H⁺ х 2,3/dc_H⁺ = 2,3 (с_н⁺+К_ω/c_н⁺)=

2,3(с_н⁺+с_он^-). (5)

Аналогичное соотношение получается при рассмотрении процесса добавления сильной кислоты к раствору сильного основания (следует учитывать, что в этом случае β = —dα/d рН). Как видно из уравнения (5), наименьшую буферную емкость имеют растворы, в которых b = с_α (вода или титруемый раствор в точке эквивалентности при титровании сильной кислоты сильной щелочью). В этом случае с_н+ = с_он- = 10 ^-7 и db/dpH = = 2 х2,3.10^-7.

Чем больше концентрация сильной кислоты (чем больше с_α), тем больше β. Между рН = 2,4 и рОН = 2,4 (рН = 11,6) β мала и не превышает значения 0,01, но в более концентрированных растворах кислоты или основания β больше. Например, буферная емкость 0,1 М раствора НС1, в соответствии с уравнением (5), равна 0,23, что позволяет применять этот раствор как раствор, имеющий устойчивое значение рН.