Буферные свойства растворов

Смеси, состоящие из слабой кислоты и ее соли с сильным основанием или слабого основания с солью сильной кислоты, обладают способностью противодействовать изменениям pH раствора при внесении в него некоторого количества кислот или оснований. Такое свойство смесей называется буферным, а растворы таких смесей называют буферными растворами. Соответствующие кислотноосновные пары называют буферными системами.

В общем виде буферная система в организме представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из доноров (АН, ВН⁺) и акцепторов (В, А") водородных ионов (протонов) — уравнение (2.3).

Для вычисления pH раствора, содержащего смесь сопряженной пары кислота — основание, используется уравнение Гендерсона — Гассельбаха:

которое обычно записывают в виде.

Уравнение (2.4) позволяет:

• а) вычислить значение рК_а любой кислоты при данном pH (если известно отношение молярных концентраций донора и акцептора протонов);
• б) определить значение pH сопряженной кислотно-основной пары при данном молярном соотношении донора и акцептора протонов (если известна величина рК_а)
• в) рассчитать соотношение между молярными концентрациями донора и акцептора протонов при любом значении pH (если известна величина рК_а слабой кислоты).

Способность буферных растворов сохранять постоянство pH ограничена. Прибавлять кислоту и щелочь, существенно не меняя pH буферного раствора, можно лишь в ограниченных количествах. Величину, характеризующую способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислот и щелочей, называют буферной емкостью раствора (В). Последняя измеряется количеством кислоты или щелочи (в молях или ммолях эквивалента), добавление которого к 1 л буферного раствора изменяет величину pH на единицу. Математически это можно выразить следующим образом:

буферная емкость по кислоте (моль/л).

буферная емкость по щелочи (моль/л).

где V_HA, V_B — объемы добавленных кислоты (НА) или щелочи (В) соответственно, л; п^_/гНАу ^п(/_гв) «количество эквивалента кислоты или щелочи, моль; С^_/гНАу С (/₂в) «молярные концентрации эквивалента кислоты или щелочи; V_6p — объем буферного раствора, л; рНо, pH — значения pH буферного раствора до и после добавления кислоты или щелочи; |рН — рН₀1 — разность pH.

Рабочий участок буферной системы, т. е. способность противодействовать изменению pH при добавлении кислот и щелочей, имеет протяженность приблизительно в одну единицу pH. Интервал pH = рК_а ± 1 называется зоной буферного действия.

Рис. 2.3. Зависимость буферной емкости раствора (В) от pH для ацетатного буфера с суммарной концентрацией компонентов 2 моль/л Как следует из определения, буферная емкость раствора зависит от ряда факторов: а) чем больше количество компонентов кислотно-основной пары, определяющих буферную систему, тем буферная емкость раствора выше; б) чем соотношение концентраций компонентов буферного раствора ближе к единице, тем больше его буферная емкость.

На рис. 2.3 представлен типичный график зависимости буферной емкости от pH ацетатного раствора. Видно, что максимальная буферная емкость раствора соответствует pH = рК_а = = 4,76. Как следует из уравнения Гендерсона-Гассельбаха (2.4), pH = $К_а при Ссоль/Скисжпа = 1. Таким образом, максимальная буферная емкость достигается при равных концентрациях компонентов буферной пары.