2.2. Буферные растворы

Многие реакции в растворе протекают в желаемом направлении только при определенной кислотности, поэтому поддержание определенного значения рН часто является одним из решающих условий ее протекания. Заданное значение рН раствора поддерживается постоянным с помощью буферных растворов.

Буферный раствор – это раствор соли химического соединения или смесь химических веществ, в котором рН практически не изменяется при разбавлении раствора или слабо изменяется при добавлении сильного протолита (кислоты или основания).

Обычно это смеси слабой кислоты и ее соли (например, HAc + NaAc), слабого основания и его соли (например, NH₃H₂O + NH₄Cl), могут быть кислые или основные соли (например, NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄).

ПРИМЕР.

Ацетатный буфер: CH₃COONa + CH₃COOH

или NaAc + HAc

,

откуда

1. При разбавлении буферного раствора отношение концентраций кислоты и соли сохраняется, следовательно, значение рН остается постоянным (без учета изменения ионной силы раствора).

2. Если в буферную смесь внести небольшого объема сильной кислоты, то ионы H⁺ этой кислоты, которые могли бы привести к резкому изменению рН раствора, будут связываться ацетатными ионами в практически недиссоциирующую уксусную кислоту, так что баланс ионов водорода в растворе практически не нарушается и рН раствора изменяется незначительно:

H₃O⁺ + Ac^- = HAc + H₂O,

Если к этому же раствору прибавить небольшое количество щелочи, то гидроксид-ионы щелочи будут связываться уксусной кислотой, так что значение рН раствора также практически не изменится:

OH^- + HAc = Ac^- + H₂O.

Очевидно, что добавлять сильную кислоту или основание к буферному раствору и надеяться на несущественное изменение рН можно лишь в определенных пределах. Каждый буферный раствор характеризуется сопротивляемостью к изменениям. Количественно ее выражают буферной емкостью.

Буферная емкость определяется количеством эквивалентов сильной кислоты или основания, которые нужно ввести в 1 дм³ буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу. Из определения следуют пределы допустимого изменения концентраций кислоты и соли в буферном растворе:

.

Буферная емкость зависит от соотношения исходных концентраций компонентов буферного раствора.

ПРИМЕР.

Расчет буферной емкости ацетатного буферного раствора.

Примем, что исходные концентрации компонентов С⁰_кисл.= С⁰_соли= 0,1М, тогда рН_буф.= рK_HAc = 4,76, допустимый интервал изменения рН = 4,76  1.

При введении х моль эквивалентов Н⁺ в 1 дм³ буферного раствора допустимо уменьшение рН до 3,76, при этом должно выполняться условие:

.

При введении х моль эквивалентов ОН^- в 1 дм³ буферного раствора допустимо увеличение рН до 5,76, при этом должно выполняться условие:

Если в буферной смеси С⁰_кисл.  С⁰_соли, то буферная емкость по ионам Н⁺ и ОН^- будет различной.

2.3. Кривые титрования сильных протолитов

Процесс кислотно-основного титрования наглядно можно представить графически в координатах: рН = (количество добавленного титранта, г, мл, %). Кривая титрования позволяет:

1) проследить за изменением рН в процессе титрования;

2) установить конец титрования (точку эквивалентности);

3) сделать правильный выбор индикатора;

4) изучить влияние концентрации и природы реагирующих веществ.