Механизм действия буферных систем

Буферное действие основано на связывании компонентами буферной системы поступающих в раствор ионов Н⁺ и ионов ОН^- с образованием слабых электролитов.

Рассчитаем, как изменится рН буферного раствора объемом 1 л с концентрацией уксусной кислоты и ацетата натрия по 0,1 моль/л, при добавлении к нему: а) 0,01 моль HCl; б) 0,01 моль NaOH; в) при разбавлении в 10 раз.

а) При добавлении к буферному раствору HCl избыточные ионы H⁺ будут связываться ацетат-анионом в молекулы слабого электролита уксусной кислоты:

CH3COO- + H+= CH3COOH

При этом концентрация молекул уксусной кислоты возрастет на 0,01 моль/л, а концентрация ацетат-ионов уменьшится на ту же величину:

[CH₃COOH] = 0,1 + 0,01 = 0,11 моль/л

[CH₃COO ^-] = 0,1 – 0.01 =0,09 моль/л

Тогда

рН = -lg 2,14 10^-5 = 4,67

Таким образом, рН буферного раствора снизилось от 4,76 до 4,67, т.е. на 0,09. (Для сравнения: при добавлении 0,01 моль HCl к 1 л воды рН изменяется от 7 до 2, т.е. на 5 единиц).

б) При добавлении к буферному раствору NaOH избыточные ионы ОН^– будут взаимодействовать с молекулами уксусной кислоты с образованием слабого электролита воды:

CH3COOH + OH-= CH3COO- + H2O

При этом концентрация молекул уксусной кислоты уменьшится на 0,01 моль/л, а концентрация ацетат-ионов возрастет на ту же величину:

[CH₃COOH] = 0,1 - 0,01 = 0,09 моль/л

[CH₃COO ^-] = 0,1 + 0.01 = 0,11 моль/л

Тогда

рН = -lg 1,43 10^-5 = 4,84

Таким образом, и при добавлении щелочи рН изменяется незначительно (на 0,08).

в) При разбавлении буферного раствора в 10 раз концентрации его компонентов также уменьшаются в 10 раз и, если не учитывать изменение степени диссоциации уксусной кислоты при разбавлении раствора, рН не изменяется:

рН = -lg 1,75 10^-5 = 4,76.

Способность буферных систем сохранять постоянство рН ограничена и определяется буферной емкостью раствора.

Буферная емкость равна количеству эквивалентов кислоты или щелочи, при добавлении которого рН раствора изменяется на единицу.

Буферная емкость зависит от концентрации компонентов буферного раствора и их соотношения. Она возрастает при увеличении концентрации раствора и достигает максимального значение при равных концентрация его компонентов.

Каждый буферная система имеет свой рабочий интервал рН, за пределами которого буферная емкость резко падает. Для буферного раствора, состоящего из слабой кислоты и ее соли, рабочий интервал рН находится в пределах рK_a ± 1.

Пример. Рассчитать буферную емкость по отношению к кислоте раствора, содержащего в 1 л 0,1 моль гидроксида аммония и 0,1 моль хлорида аммония.

рН исходного раствора рассчитываем по формуле:

Обозначим буферную емкость раствора по кислоте через х. Таким образом х – это число молей кислоты, которое надо добавит к раствору, чтобы рН уменьшилось на единицу, т.е. стало равным 8,26.

При добавлении х моль HCl к раствору протекает реакция:

NH4OH + H⁺ = NH4⁺+ H2O.

При этом концентрация NH₄OH уменьшится до (0,1 – х), а концентрация NH₄⁺ увеличится до (0,1 + х). Подставляя полученные выражения в формулу для расчета рН раствора, получим: