Тема: Буферные растворы. Теоретическая часть

Буферным раствором или буфером называется раствор, рН которого остается с известной точностью постоянным несмотря на добавление небольших количеств кислоты или основания. Буферные растворы обычно готовят из смеси слабой кислоты и ее соли (или слабого основания и его соли). Например, ацетатный буфер состоит из уксусной кислоты и ее соли – ацетата натрия.

Рассмотрим механизм действия буферной смеси на примере ацетатного буфера. В растворе уксусной кислоты существует равновесие:

СН₃СООН ↔ СН₃СОО^­ + Н⁺

Константа ее электролитической диссоциации:

откуда (1)

Значение концентрации водородных ионов:

(2)

Степень электролитической диссоциации уксусной кислоты незначительна, поэтому в растворе преобладают ее недиссоциированные молекулы. Добавление к водному раствору уксусной кислоты ее натриевой соли, почти нацело распадающейся в водных растворах на составляющие ее ионы настолько понижает диссоциацию уксусной кислоты, что концентрация недиссоциированных молекул будет почти равна концентрации кислоты. Тогда концентрацию недиссоциированной кислоты можно заменить общей концентрацией кислоты в растворе:

[СН₃СООН] = [кислота],

а концентрацию ацетатных ионов — концентрацией соли в растворе:

[СН₃СОО^­] = [соль].

Подставив эти величины в выражение (2), получим уравнение расчёта [Н⁺] для буферного раствора:

(3)

Величина К (константа электролитической диссоциации кислоты) при данных условиях постоянна. Применяя такие же рассуждения, для смеси слабого основания и соли сильной кислоты можно вывести уравнение:

Из уравнения (3) следует, что концентрация водородных ионов буферных растворов зависит не от абсолютного значения концентрации кислоты и соли, а лишь от их соотношения. Вследствие этого при разбавлении буферных растворов концентрация водородных ионов практически не изменяется.

Действительно, если к смеси уксусной кислоты и ацетата натрия добавить соляную кислоту, то последняя вступает в обменную реакцию с ацетатом натрия, образуя хлорид натрия и освобождая слабую уксусную кислоту:

Cl^- + Н⁺ + Na⁺ + СН₃СОО^- → Na⁺ + Cl^- + СН₃СООН.

Таким образом, буферные растворы обладают следующими свойствами:

1. Концентрация водородных ионов буферных смесей не зависит от разбавления.

2. Добавление к буферным растворам небольших количеств сильной кислоты или основания очень мало изменяет в низ концентрацию ионов водорода (в пределах буферной емкости раствора).

Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной емкостью (В). Численно буферная емкость определяется количеством моль-эквивалентов сильной кислоты или основания, которое надо добавить к 1 л буферной смеси, чтобы изменить величину рН на единицу.

Величина буферной емкости зависит от концентрации компонентов буферной смеси и их отношения. Чем выше концентрация компонентов буферной смеси, тем больше ее емкость. Максимальное буферное действие наблюдается в случае, если кислота и соль находятся в растворе в эквивалентных количествах.

Наличие буферных смесей в живых организмах определяет постоянство рН крови, молока, клеточного сока растений. Карбонатная и фосфатная буферные системы имеют большое значение в регулировании биохимических процессов в организме, почве, в процессах пищевой промышленности.

Водные растворы характеризуются определенной концентрацией водородных ионов, зависящей от содержащихся в них веществ.

Методы определения рН растворов и биологических жидкостей делятся на две группы:

1. Колориметрические, или непрямые, методы.

2. Электрометрические, или прямые, методы.

Из этих методов наиболее простыми и распространенными являются колориметрические методы определения рН, основанные на свойстве кислотных и основных индикаторов изменять свою окраску в зависимости от активности ионов водорода (рН) в растворе.

Индикаторы колориметрии обычно представляют собой слабые органические кислоты или основания с различной окраской недиссоциированных молекул и соответствующих анионов или катионов. Например, молекулы метилового оранжевого окрашены в желтый цвет(щелочная среда), а отвечающие ему катионы - в красный (кислая среда). Границы рН, в которых меняется окраска индикатора, называется интервалом перехода. На практике, для точного определения рН, могут быть применены только такие индикаторы, которые дают промежуточные окраски между окраской в кислой и щелочной среде, например, различные оттенки оранжевого цвета у метилоранжа.

Изменение окраски, или, точнее, переход от «кислой» окраски к «щелочной» происходит у различных индикаторов при разных концентрациях водородных ионов в зависимости от константы диссоциации каждого индикатора. Поэтому можно подобрать соответствующие индикаторы и составить из них для растворов с точно измеренным значением рН целую шкалу окрасок. При помощи такой шкалы путем сравнения ее с окраской исследуемого раствора, обработанного соответствующим индикатором, можно определить концентрацию водородных ионов и соответственно рН.

В настоящее время для быстрого приближенного определения рН растворов применяют универсальный индикатор (или универсальную индикаторную бумагу), который представляет собой смеси индикаторов с разными, но примыкающими друг к другу интервалами перехода окраски. Этот метод даёт точность 0,5-1,0 рН. Обычно зона перехода окраски индикатора лежит в пределах двух единиц рH, т.е. на единицу выше и на единицу ниже точки перехода:

Сущность колориметрического метода определения рН заключается в сравнении окраски индикатора в исследуемом растворе с окраской индикатора в стандартном растворе, т. е., растворе с известной величиной рН.

Следовательно, кроме индикатора необходимо иметь ряд стандартных растворов с определенной и практически неизменной величиной рН. Обычно для этой цели пользуются буферными растворами, но существуют и безбуферные стандартные растворы.

Колориметрический метод позволяет просто, удобно, быстро – даже в полевых условиях – определить рН среды. Точность его - (0,1 единицы рН); не всегда считается достаточной наличие в растворе значительного количества солей, белков и пр. может привести к некоторым ошибкам. Мало пригоден метод в случае мутных и окрашенных жидкостей.