2.4. Буферні системи

Б уферні системи (або буферні розчини) – це розчини, які здатні зберігати приблизно незмінне значення рН при додаванні невеликої кількості сильних кислот або лугів

Буферні розчини можуть містити або індивідуальну речовину або суміш речовин (слабка основа та її сіль сильної кислоти; слабка кислота та її сіль сильної основи) (Табл.1.)

Принцип дії буферних розчинів полягає в тому, що окремі компоненти суміші зв'язують іони H⁺ або OH^- при додаванні до цих розчинів кислот або основ, утворюючи при цьому слабкий електроліт.

Таблиця 1.

Приклади буферних розчинів та значення їх рН при 25°С

Буферний розчин	кислотний	рН	лужний	рН
Індивідуальна речовина	KHC4H4O6 калій гідрогентартрат, насичений розчин	3,57	Na2B4O7·10H2O	9,18
Суміш речовин	Ацетатний CH3COOH + CH3COONa (ссолі = са=0,1 моль/дм3)	4,75	Амоніачний NH3·H2O + NH4Cl (ссолі = сb=1 моль/дм3)	9,25
	Фосфатний KH2PO4+Na2HPO4 (с = 0,025 моль/дм3)	6,86	Карбонатний NaHCO3+Na2CO3 (С = 0,025 моль/дм3)	10,012

Наприклад:

а) кислотний буферний розчин

Ацетатний буферний розчин: 0,1 М розчин CH₃COOH + 0,1 М розчин CH₃COONa забезпечує сталість значення рН за рахунок зміщення рівноваг:

CH₃COOH + ОH^- ↔ CH₃COO^- + H₂О

CH₃COO^- + H⁺ ↔ CH₃COOH

Виведення формули для розрахунку рН кислотного буферного розчину:

Ацетатна кислота, слабкий електроліт, дисоціює за рівнянням:

CH₃COOH ↔ CH₃COO^- + H⁺.

Вираз для константи рівноваги процесу дисоціації

Звідси концентрація [H⁺]:

В розчині присутній також сильний електроліт натрій ацетат CH₃COONa, який практично повністю дисоційований на іони:

CH₃COONa → CH₃COO^- + Na⁺.

Концентрація кожного іона дорівнює концентрації солі:

[CH₃COO^- ] = [Na⁺] = с_солі.

Наявність значної кількості ацетат-іонів веде до зміщення рівноваги дисоціації кислоти в бік існування недисоційованих молекул оцтової кислоти, тому можна вважати, що рівноважна концентрація кислоти дорівнює її вихідній концентрації: [CH₃COOН]=с_а. В такому випадку можна записати:

де : К_а-константа дисоціації кислоти;

с_а – концентрація кислоти;

с_солі – концентрація солі.

Логарифмуємо це рівняння та змінюємо знак на протилежний:

або

Це рівняння для визначення рН кислотного буферного розчину носить назву рівняння Гендерсона-Хассельбаха.

а) основний буферний розчин

Амоніачний буферний розчин: 1 моль/дм³ NH₃ ·H₂O + 1 моль/дм³ NH₄Cl забезпечує сталість значення рН за рахунок зміщення рівноваг:

NH₄⁺ + ОH^- ↔ NH₃·H₂O

NH₃ + H⁺ ↔ NH₄⁺

Формула для розрахунку рОН основного буферного розчину виводиться аналогічно попередньому випадку:

де : К_b – константа дисоціації основи;

с_b – концентрація основи;

с_солі – концентрація солі.

Оскільки рН = 14-рОН, тоді

Це рівняння для визначення рН основного буферного розчину.

Буферні розчини використовуються в практиці якісного та кількісного аналізу в тому випадку, коли необхідно підтримати стале значення рН середовища. Так, наприклад, при комплексонометричному визначенні катіонів деяких металів, використовують амоніачний буферний розчин.

Ацетатний буферний розчин використовують при якісному аналізі для відокремлення Ba²⁺ від іонів Ca²⁺ та Sr²⁺ за допомогою дихромат-іонів Cr₂O₇^2–.

Буферні системи мають велике медико-біологічне значення. Вони регулюють життєдіяльність організмів, де необхідне постійне значення рН: кров, лімфа. Наприклад, рН крові людини підтримується буферною системою на рівні 7,4.

Найважливішу роль в людському організмі мають: білкова, гемоглобінова, гідрокарбонатна, фосфатна буферні системи. В крові вирішальну роль відіграє гідрогенкарбонатний буферний розчин, а в тканинах – фосфатний.

ПРАКТИЧНА РОБОТА

РОЗРАХУНОК КОНСТАНТ ДИСОЦІАЦІЇ ТА СТУПЕНЯ ДИСОЦІАЦІЇ СЛАБКИХ ЕЛЕКТРОЛІТІВ. РОЗРАХУНОК рН БУФЕРНИХ РОЗЧИНІВ

Мета роботи: Навчитися розраховувати константи, ступені електролітичної дисоціації слабких електролітів та рН буферних розчинів.

Приклади

Приклад 1. Напишіть рівняння дисоціації ацетатної кислоти та математичний вираз константи дисоціації цієї кислоти. Знайдіть у довіднику, чому дорівнює константа дисоціації ацетатної кислоти.

Розв’язання

1. Ацетатна кислота – слабкий електроліт, у розчині дисоціює на іони:

СH₃COOH ↔ СH₃COO^- + Н⁺

Процес електролітичної дисоціації – зворотний, тому для нього можна використати закон діючих мас:

2. За довідником знайдемо значення константи дисоціації ацетатної кислоти:

К_а = 1,86·10^-5

Приклад 2. Визначте константу дисоціації нітритної кислоти, якщо концентрація кислоти дорівнює 0,1 моль/дм³; ступінь дисоціації 6,6%.

Д ано:

с(HNO₂) = 0,1 моль/дм³ = 1·10^-1моль/дм³

α = 6,6% ; α= 0,066 = 6,6·10^-2

К_а – ?

Розв’язання

Згідно закону В.Оствальда для бінарних електролітів ступінь дисоціації дорівнює:

Визначимо константу дисоціації нітритної кислоти:

К_а = (6,6·10^-2)²·10^-1 = 4,36 ·10^-4

Приклад 3. Визначте ступінь дисоціації амоніаку в розчині, якщо концентрація його 0,05 моль/дм³.

Дано:

с (NН₃·Н₂О) = 0,05 моль/дм³ = 5·10^-2 моль/дм³

α – ?

Розв’язання:

За довідником знайдемо значення константи дисоціації розчину амоніаку:

За законом В.Оствальда для бінарних електролітів:

Визначимо ступінь дисоціації розчину амоніаку:

Приклад 4. Розрахуйте рН форміатного буферного розчину, який містить у 1 дм³ розчину 0,3 моль кожного з компонентів

Розв'язання:

Форміатний буферний розчин має склад : НСООН + НСООNa , тобто відноситься до кислотних буферних систем.

Запишемо формулу для розрахунку рН:

З довідника виписуємо значення рК_а(НСООН) = 3,75.

Підставляємо значення:

Завдання для самостійної роботи

1. Напишіть рівняння дисоціації та математичний вираз константи дисоціації наданої речовини. Знайдіть у довіднику, чому дорівнює константа її дисоціації за кожним ступенем:

1. форміатна кислота;

2. сульфідна кислота;

3. магній гідроксид;

4. алюміній гідроксид;

5. борна кислота.

2. Визначте константу дисоціації, якщо надані її концентрація (с, моль/дм³) та ступінь дисоціації (α,%):

№	речовина	с, моль/дм3	α,%
1	ацетатна кислота	0,2	0,95
2	форміатна кислота	0,001	3,68
3	ціанідна кислота	0,1	0,007
4	гіпохлоритна кислота	0,2	0,053
5	нітритна кислота	0,1	6,6

3. Визначте ступінь дисоціації речовини, якщо її концентрація в розчині с моль/дм³:

№	речовина	с, моль/дм3
1	нітритна кислота	0,001
2	гіпохлоритна кислота	0,5
3	ацетатна кислота	0,02
4	амоніак	0,008
5	форміатна кислота	0,025

4. Визначте рН буферного розчину, якщо в 1 дм³ містяться n моль компонентів суміші. Указати тип буферного розчину (кислотний чи основний)

№	Буферний розчин	Компоненти суміші та їх вміст в 1 дм3 розчину, n моль
1	карбонатний	0,5 моль NaHCO3	0,03 моль Na2CO3
2	фосфатний	0,1 моль NaH2PO4	0,005 мольNa2HPO4
3	бензоатний	0,25 моль C6H5COOH	0,25 моль C6H5COONa
4	амоніачний	0,15 моль NH3·H2O	0,2 моль NH4Cl
5	ацетатний	0,2 моль CH3COOH	0,25 моль CH3COONa