Работа № 8 определение величины рН и свойства буферных систем

Многие химические реакции протекают при определенном значении рН раствора. Это касается, в первую очередь, живых систем, в которых процессы протекают в достаточно узких диапазонах рН. Кроме того, для ряда технологических процессов также требуется поддержание постоянного рН.

В химической практике используют буферные растворы − растворы, способные сохранять определенное значение рН при разбавлении или добавлении небольших количеств кислот или оснований.

Буферные растворы состоят из слабой кислоты и соли этой кислоты или слабого основания и соли этого основания. Например, ацетатный буфер состоит из уксусной кислоты и ацетата натрия СН₃СООН/СН₃СООNa. Он содержит кислоту, поэтому имеет кислотный рН. Аммонийный буфер состоит из аммиака и соли аммония NH₄OH/NH₄Cl и является основным буферным раствором. Используя различные пары кислот и оснований, можно приготовить буферные растворы с почти любым значением рН.

Рассмотрим равновесия в ацетатном буферном растворе.

Уксусная кислота – слабый электролит, диссоциирует в водном растворе по схеме:

СН₃СООН ↔ СН₃СОО^- + Н⁺

Ацетат натрия – сильный электролит, полностью распадается на ионы:

СН₃СООNa → CH₃COO^- + Na⁺

Наличие в растворе ацетат-ионов из ацетата натрия сдвигает равновесие диссоциации уксусной кислоты влево, т.е. подавляет ее диссоциацию. В результате количество ацетат-ионов в растворе соответствует концентрации ацетата натрия. А вся кислота находится в недиссоциированном виде.

Запишем выражение для константы диссоциации уксусной кислоты:

В этом выражении концентрация ацетат иона [CH₃COO^-] равна концентрации соли − ацетата натрия. Концентрация кислоты [CH₃COOН] равна исходной концентрации кислоты. Таким образом можем записать:

Откуда выразим концентрацию ионов водорода в буферном растворе:

Формулу для расчета рН кислотного буферного раствора получим, прологарифмировав выражение:

рН = pKкисл + lgCсоли – lgCкисл.

Расчет рН основного буферного раствора осуществляется по формуле:

рН = 14 – рКосн + lgCосн – lgCсоли

Механизм буферного действия

Рассмотрим, какие процессы будут происходит ь в ацетатном буферном растворе (СН₃СООН/СН₃СООNa) при добавлении сильных кислот и оснований.

При добавлении к такому буферу сильной кислоты, например, HCl, произойдет взаимодействие ее с ацетатом натрия:

СН₃СООNa + HCl = CH₃COOH + NaCl

В итоге образуется слабая уксусная кислота и предотвращается понижение рН.

При добавлении щелочи, например, NaOH, произойдет реакция нейтрализации с уксусной кислотой:

CH₃COOH + NaOH = CH₃COONa + H2O

В результате заметного повышения рН не произойдет.

Безусловно, способность «сопротивляться» изменению рН при добавлении кислот и щелочей не безгранична и зависит от концентрации компонентов буферного раствора. Характеристикой этой способности является величина буферной емкости.

Буферная емкость – количество кислоты или щелочи, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора для изменения значения рН на 1.