Буферные растворы

Буферными растворами (или просто буферами) называют растворы, способные сохранять постоянным значение рН при разбавлении, концентрировании, а также при добавлении некоторых количеств растворов сильных кислот и оснований.

К таким растворам относят растворы слабых кислот и их солей; слабых оснований и их солей или растворы кислых солей многоосновных кислот. Буферным действием могут обладать растворы, состоящие из анионов разных слабых кислот. Например, фосфатно-цитратный буфер Na₂HPO₄+C₆H₈O₇^3-

Для буферного раствора, образованного слабой кислотой и ее солью, уравнение имеет вид:

рН = рК(кислоты) − lg С(кислоты)+ lg С(соли);

рН = рК(кислоты) − lg .

где С – молярные концентрации компонентов.

Полученное соотношение называют уравнением Гендерсона-Гейсельбаха.

Рассуждая аналогичным образом, можно получить уравнение для расчетов буферного раствора, состоящего из слабого основания и его соли (например, аммиачно-аммонийного):

рН = pK(Н₂О) − pK(основания) + lg .

Для буферного раствора, состоящего из двух кислых солей, например, Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄, (фосфатный буферный раствор) уравнение Гендерсона-Гейсельбаха имеет следующий вид:

рН = pK – lg .

Уравнения, приведенные выше, показывают, что рН буферного раствора определяется отношением концентраций компонентов кислоты и соли или соотношением основания и соли, поэтому не зависит от разбавления, поскольку при изменении объема концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз.

При одинаковой концентрации компонентов, составляющих буферный раствор, концентрации можно заменить объемами.

Способность буферных растворов поддерживать постоянным значение рН при прибавлении к ним кислоты и щелочи является ограниченной. Предел, в котором проявляется буферное действие, называется буферной емкостью (Б).

Буферная ёмкость определяется числом моль-эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить рН на единицу. Буферная емкость по кислоте рассчитывается:

Б_а = ,

по основанию:

Б_b = ,

где Б_а – буферная ёмкость по кислоте;

Б_b – буферная ёмкость по основанию;

n_a – число моль-эквивалентов кислоты

(n_а = С_{эк
(кисл)} V_кисл);

n_в – число моль-эквивалентов основания

(n_в = С_{эк
(осн)} V_осн);

рН₀ – исходное значение рН;

рН₁ – значение рН после добавления кислоты или щелочи.

Примеры решения задач

1. Приготовьте 20 мл буферного раствора с рН 4,0.

Решение. Выбирают уксусную или муравьиную кислоту (так как значение pK = 4,75, а pK = 3,75 (K_Д = 1,8  10^-4). Концентрации кислоты и соли равны: С_кисл=С_соли.