16.2
Bufory
Roztwór zawierający znaczne ilości słabej sprzężonej pary kwas-zasada nazywany jest roztworem buforowym lub buforem. Roztwory buforowe są odporne na z…
Dodanie niewielkiej ilości kwasu lub zasady do roztworu może spowodować znaczny spadek lub wzrost pH. Jednak wiele procesów chemicznych i biochemicznych wymaga do działania stabilnego pH. mogą zapobiec drastycznym zmianom pH roztworu, gdy ich pojemność buforowa nie jest przekroczona.
zawierają słaby kwas i jego sprzężoną zasadę lub słabą zasadę i sprzężony kwas. Na przykład ludzka krew utrzymuje pH w pobliżu 7,4 dzięki buforowi złożonemu z kwasu węglowego, słabego kwasu i jonów wodorowęglanowych, sprzężonej zasady.
Sprzężone pary kwasowo-zasadowe tworzą, ponieważ nie neutralizują sprzężonego kwasu lub zasady. Na przykład kwas octowy i octan nie mogą reagować. Jeśli jednak kwas octowy, słaby kwas i amoniak, słaba zasada, zostaną dodane do siebie, zareagują, tworząc sól - octan amonu.
W buforze słaby kwas neutralizuje dodaną zasadę w reakcji z wytworzonych jonami wodorotlenkowymi, podczas gdy jego sprzężona zasada neutralizuje dodany kwas w reakcji z dowolnymi jonami hydroniowymi. Podobny mechanizm działa w przypadku słabej zasady i jej sprzężonego kwasu.
Dwie zlewki, X i Y, zawierają taką samą objętość różnych roztworów, każda o pH 7,2. Roztwór w zlewce X nie jest buforowany. Natomiast roztwór w zlewce Y zawiera bufor kwasu octowego i octanu.
Jeśli kwas solny zostanie dodany do zlewki X, pH roztworu nagle spadnie z powodu zwiększonego stężenia jonów hydroniowych.
Natomiast roztwór w zlewce Y wykazuje prawie stałe pH po dodaniu do niego kwasu solnego, ponieważ jeden ze składników buforowych, octan, reaguje z kwasem solnym, tworząc jon chlorkowy i kwas octowy.
Podobnie, jeśli wodorotlenek sodu zostanie dodany do zlewki X, pH roztworu nagle wzrośnie z powodu zwiększonego stężenia jonów wodorotlenkowych.
Z drugiej strony roztwór w zlewce Y wykazuje minimalną zmianę pH po dodaniu do niego wodorotlenku sodu, ponieważ jeden ze składników buforowych, kwas octowy, reaguje z wodorotlenkiem sodu i wytwarza octan sodu i cząsteczkę wody.
Bufor może zapobiec drastycznej zmianie pH roztworu, o ile stężenie sprzężonej pary kwas-zasada w roztworze jest wyższe niż dodanego mocnego kwasu lub zasady.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a buffer solution and why is it important?
A buffer solution contains a weak acid and its conjugate base, or a weak base and its conjugate acid. Buffers resist pH changes when small amounts of strong acid or base are added, which is critical for chemical and biochemical processes. For example, human blood maintains pH near 7.4 using a carbonic acid-bicarbonate buffer system.
Q2: How does a buffer prevent drastic pH changes?
When acid is added, the conjugate base component neutralizes hydronium ions. When base is added, the weak acid component neutralizes hydroxide ions. This conversion of strong acids and bases into weak conjugate pairs causes minimal pH change. The buffer works as long as the conjugate acid-base pair concentration exceeds the added strong acid or base.
Q3: Why don't conjugate acid-base pairs neutralize each other?
Conjugate acid-base pairs, such as acetic acid and acetate, do not react with each other because they are in equilibrium. However, when a weak acid like acetic acid is mixed with a weak base like ammonia, they will react to form a salt. This distinction is fundamental to buffer formation and stability.
Q4: What happens when you add strong acid to a buffered versus unbuffered solution?
In an unbuffered solution, adding strong acid causes a sharp pH drop due to increased hydronium ion concentration. In a buffered solution, the acetate component reacts with the added acid, producing acetic acid and chloride ions, resulting in minimal pH change. This demonstrates the protective effect of buffers.
Q5: What are common examples of buffer solutions?
Common buffers include acetic acid with sodium acetate, and ammonia with ammonium chloride. The acetic acid-acetate buffer consists of a weak acid and its salt, while the ammonia-ammonium chloride buffer consists of a weak base and its salt. Both effectively resist pH changes in their respective pH ranges.
Q6: What limits a buffer's ability to resist pH change?
A buffer can prevent drastic pH changes only when the concentration of the conjugate acid-base pair is higher than the concentration of added strong acid or base. Once this buffering capacity is exceeded, the buffer loses its protective effect and pH changes become significant.
Q7: How does adding strong base to a buffer solution work?
When strong base like sodium hydroxide is added to a buffer, the weak acid component reacts with it, producing sodium acetate and water. This reaction shifts the acid ionization equilibrium to the right, restoring hydronium ion concentration and maintaining relatively stable pH despite the base addition.