ЧАСТЬ 7.  Буферные растворы

Чтобы изменить концентрацию ионов Н⁺ в воде в области от слабой щелочности до слабой кислотности, достаточно очень небольшого количества сильной кислоты или основания.

Если добавить 1 каплю концентрированной кислоты к 1 л воды, то вода сразу становится достаточно кислой – концентрация [ H ⁺ ] увеличивается при этом в 5000 раз. При добавлении 1 капли щелочи [ H ⁺ ] уменьшается в 10⁶ раз.

Однако же, многие реакции в растворе протекают в желаемом направлении только при определенной кислотности, и изменение рН часто приводит к изменению направления реакции и к появлению новых продуктов взаимодействия. Кислотность раствора может меняться в результате химической реакции, поэтому поддержание определенного значения рН часто является одним из решающих условий ее протекания.

Свойство растворов сохранять свою кислотность независимо от добавок щелочи и кислоты называется буферным действием раствора.

Заданное значение рН раствора поддерживается постоянным с помощью буферных растворов.

Буферным называется раствор, рН которого не изменяется при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислоты или основания.

Буферный раствор представляет собой смесь кислоты и сопряженного основания.

Сопряженное основание – это основание, содержащее с кислотой одноименные ионы.

При ведении в такую смесь небольших добавок сильной кислоты или сильного основания изменения рН не происходит совсем или оно очень велико.

Очень немного изменяется рН буферного раствора и при разбавлении.

Лучшим является буферный раствор, содержащий высокие и приблизительно равные концентрации кислоты и сопряженного с ней основания.

Одним из наиболее известных является ацетатный буфер, в состав которого входят уксусная кислота и ацетат натрия.

                         СН₃СООН и СН₃СОО Na.

Равновесие в растворе ацетатного буфера можно представить схемой:

                         СН₃СООН = СН₃СОО^- + Н⁺

Буферное действие такой системы связано с тем, что в ней имеется «противоядие» и против ионов водорода, и против гидроксид-ионов.

При введении в ацетатный буфер сильной кислоты равновесие несколько сдвинется влево, а при введении сильного основания - несколько вправо.

Но, поскольку в растворе в достаточном количестве имеется и уксусная кислота, и ацетат натрия, то заметного изменения рН не происходит.

Чтобы понять, каким образом действует буферный раствор, следует проанализировать выражение для константы равновесия диссоциации кислоты.

       →

В эквимоляльном растворе (1:1) [ Н⁺] зависит от Кд и является постоянной величиной: рН = -lg [ Н⁺]= 4.7

При соответствующем подборе концентраций соли и кислоты можно добиться разных рН.

Например, в смеси уксусной кислоты и ацетата, взятых в пропорции 1:5:    

[ Н⁺] = 0.2 * Кд → рН = 5.4.

Рассмотрим подробнее, как влияют на буферные растворы добавки сильных кислот и оснований и разбавление водой.

Влияние добавок

СН₃СООН = СН₃СОО^- + Н⁺           - здесь ионов мало

СН₃СОО Na = СН₃СОО^- + Na ⁺     - ионов больше

 

1. добавка Н Cl.     Это сильная кислота   HCl = H⁺ + Cl^-

ионы Н⁺ из кислоты взаимодействуют с СН3СОО-, которые образовались при диссоциации ацетата и кислоты (но от кислоты их очень мало, т.к. она плохо диссоциирует). При этом происходит образование слабой уксусной кислоты:

     СН₃СОО^- + Н⁺= СН₃СООН.

Эта кислота диссоциирует очень слабо сама по себе. Кроме того, ее диссоциация подавляется ионами СН₃СОО^-, которые уже присутствуют в растворе.

То есть, сильная кислота заменяется слабой уксусной и концентрация ионов Н⁺ меняется мало.

Как мы видим, в растворе еще присутствуют ионы Cl^- и Na ⁺ , которые рекомбинируют и образуют нейтральную соль, которая также не влияет на рН, поскольку не содержит ионов Н⁺.

  Cl^- + Na ⁺ = Na Cl

 

2. добавление NaOH – это сильное основание (щелочь). В растворе диссоциирует почти нацело:

                                            NaOH = Na ⁺ + OH ^-

При добавлении в раствор ионы OH ^- могут создать щелочную среду и резко увеличить рН ( мы знаем, что при рН>7 – среда щелочная).

Но, на самом деле, эти OH ^- взаимодействуют с Н⁺ из уксусной кислоты. При этом образуется вода:

                                                  Н⁺ + OH^- = Н₂О

То есть, опять мы видим, что рН не меняется, т.к. вода нейтральна.

 

Вместо же израсходованных Н⁺ -ионов кислота, диссоциируя, поставляет новые, поэтому изменения кислотности, опять-таки не происходит.

 

Подобные же процессы происходят при добавлении кислоты и щелочи к аммонийному буферу. Это смесь NH ₄ OH и NH ₄ Cl.

Т.о. можно отметить, что буферный раствор стойко поддерживает постоянное значение рН, не позволяя ему изменить ни под действием кислоты, ни под действием щелочи.

 

Однако все-таки при введении добавок кислотность меняется, но не сильно. При этом если рассматривать разные буферные системы, то при добавлении в них одинакового количества кислоты или щелочи рН меняется по-разному.

Это происходит из-за того, что разные растворы обладают разным буферным действием.

Влияние разбавления

Возьмем формиатный буферный раствор

НСООН (0.4 М) и НСООNa (1 М)

Н₂О + НСООН = Н₃О⁺ + НСОО^-

К_д=1.77*10^-4=[ Н₃О⁺][ НСОО^-]/[ НСООН]=[ Н₃О⁺]*1.00/ 0.4

[ Н₃О⁺]=7.08*10^-5моль/л → рН=4.15

при разбавлении в 50 раз:

С _НСООН = 0.4/50 = 8*10^-3 М

С _{НСОО Na} = 1/50 = 2* 10^-2 М

При разбавлении добавляется вода: 2Н₂О = Н₃О ⁺ + OH^-

1.77*10^-4=[Н₃О⁺]*2*10^-2/8*10^-3 →[ Н₃О⁺]=7.08*10^-5моль/л → рН=4.15

при разбавлении в 10 000 раз:

С _НСООН = 0.4/50 = 4*10^-5 М

С _{НСОО Na} = 1/50 = 1* 10^-4 М

 

Раствор уже кислый, поэтому используются такие выражения для концентраций:

рН=4.63

             [ НСООН]= 4*10^-5 - [ Н₃О⁺]

            [ НСОО^-] = 1* 10^-4 + [ Н₃О⁺]

 

Видно, что при большом разбавлении рН меняется, при малом же – остается практически постоянной.

 

Влияние разбавления на рН буферных и небуферных растворов отражено на рисунке.

рН

 

                                                        С_М

Величина рН буферного раствора остается практически неизменной при разбавлении, пока его концентрация не уменьшится настолько, что приближения, которые мы описали химическими реакциями, станут недействительными.

То есть, если к буферному раствору добавить большое количество сильной кислоты или основания (и если концентрация кислоты велика), то происходит существенное изменение рН в кислую или щелочную сторону.

Это происходит из-за того, что поступающие ионы Н⁺ или ОН^- находятся в большом количестве и не могут уже компенсироваться теми противоионами, которые находятся в буферном растворе за счет его диссоциации.

 

Способность буферного раствора поддерживать постоянное значение рН определяется его буферной емкостью.

Буферной емкостью (В) называется число эквивалентов сильной кислоты или сильного основания (щёлочи), которое необходимо добавить к 1 л буферного рас­твора, чтобы изменить его рН на единицу

Математически: ,      где p - буферная емкость

dx – концентрация введенной сильной кислоты или щелочи, равная изменению концентрации соответствующего компонента буферной смеси.

 

Буферная емкость зависит:

· от концентрации кислотно-основной сопряженной пары

· от отношения концентраций кислоты и сопряженного основания

если это отношение равно 1, то буферная емкость максимальна.

 

⇐ Предыдущая1234567

Поделиться: