У різних напрямках хімії мають велике значення буферні розчини.
Це розчини, які складаються із слабкої кислоти та солі цієї кислоти або із слабкої основи та солі цієї основи із сильною кислотою. Їх використовують для підтримки сталого значення pH розчину, при додаванні до нього невеликих кількостей сильних кислот та основ.
Буферна дія - здатність стійко зберігати сталість рН розчинів.
Для кількісного аналізу буферні розчини цікаві у зв’язку з титруванням слабких кислот та їхніх солей, так як в процесі нейтралізації утворюється розчин, який містить часину вільної кислоти та деяку кількість солі цієї кислоти. солі сильних кислот майже не впливають на дисоціацію однойменних кислот: так, наприклад, NaCl не змінює pH розчину HCl. Між іншим, сіль слабкої кислоти сильно знижує дисоціацію відповідної однойменної кислоти.
Для суміші слабкої кислоти з її сіллю можна розрахувати концентрацію йонів гідрогену, якщо відомі концентрації кислоти та її солі, а також константа дисоціації кислоти. для розрахунку користуються тим же виразом константи дисоціації кислоти, що застосовується для визначення pH розчину вільної слабкої кислоти та її солі :
Однак тепер [A-] набуває іншого значення. У розчині слабкої кислоти утворюється лише небагато аніонів [A-] і їх кількість еквівалентна кількості йонів [Н+]. Сіль слабкої кислоти є сильним електролітом, тому можна прийняти, що у суміші слабкої кислоти з її сіллю аніони [A-] утворюються лише в результаті дисоціації солі. Таким чином
Через малу дисоціацію слабкої кислоти, особливо у присутності її солі, можна також прийняти, що концентрація молекул кислоти рівна загальній концентрації кислоти
Підставивши ці два значення для [A-] та [НA] у виразі дисоціації кислоти отримуємо
З останньої формули видно, що суміш слабкої кислоти з її сіллю має такі властивості, що значення pH розчину суміші слабкої кислоти з її сіллю не залежить від абсолютної концентрації компонентів, а залежить лише від співвідношення концентрацій кислоти та солі
Таким чином pH буферного розчину не змінюється при розбавленні водою
До буферних систем належать суміші, що містять:
Слабку кислоту і сіль цієї кислоти, утворену сильною основою, наприклад СН3СООН + СН3СООNa (ацетатний буфер);
Слабку основу і сіль цієї основи, утворену сильною кислотою, наприклад NH4OH + NH4Cl (аміачний буфер);
Солі багатоосновних кислот, наприклад NaH2PO4 + Na2HPO4 (фосфатний буфер);
Na2CO3 + NaHCO3 (карбонатний буфер);
Механізм буферної дії кислотної буферної системи
Н+ (HCl): реагує із сіллю (акцептор протонів) і витісняє еквівалентну кількість слабкої кислоти:
CH3COONa + HCl CH3COOH + NaCl
CH3COO– + H+ CH3COOH
У розчині замість сильної кислоти утворюється слабка кислота й тому величина рН зменшується незначно.
ОН- (NaOH): реагує зі слабкою кислотою (донор протонів) і в розчині з'являється еквівалентна кількість солі, гідроліз якої загальмований присутністю кислоти:
CH3COOH + NaOH CH3COONa + H2О
CH3COOH + OH– CH3COO– + H2О
У результаті рН майже не збільшується.
Механізм буферної дії основної буферної системи
Н+ (HCl): реагує із слабкою основою буферного розчину:
NH4OH + HCl NH4Cl + H2О
NH4OH + H+ NH4+ + H2О
У розчині замість сильної кислоти утворюється еквівалентна кількість солі, гідроліз якої загальмований присутністю слабкої основи. Тому величина рН зменшується незначно.
ОН- (NaOH): взаємодіє із сіллю й у результаті замість сильної основи в розчині утвориться еквівалентна кількість слабкої основи:
NH4Cl + NaOH NH4ОН + NaCl
NH4+ + OH– NH4ОН
У підсумку величина рН змінюється незначно.
Рівняння Гендерсона-Гассельбалха для розрахунку рН буферних розчинів
Розрахунок рН кислотного буферного розчину:
pH = pKк+lgCс/Cк
Розрахунок рН основного буферного розчину:
pOH = pKо+lgCс/Cо
pH=14-pKо–lgCс/Cо
Кількісною мірою стійкості буферних систем підтримувати стале значення рН є величина буферна ємність. Буферною ємністю називають кількість моль-еквівалентів сильної кислоти, яку необхідно долити до одного дециметра кубічного буферного розчину, щоб змінити його рН на одиницю.
Кількість моль-екв H3O+ або OH-, яку слід додати до 1 л буферного розчину, щоб змінити його рН на одиницю
Буферна ємність залежить від: концентрації компонентів розчину та Їх співвідношення . Чим більша концентрація слабкої кислоти і спряженої основи, тим більшою буде буферна ємність розчину.
де С = концентрація буферу: Сс+ Со
Найбільшефективнимиє буфери, в якихспіввідношеннякомпонентіврозчинумаксимально близькедо 1, коли ж вонобільше10:1 абоменше1:10, такібуферизовсімне придатнідо використання.