16.2: Bufory

Roztwór zawierający znaczne ilości słabej sprzężonej pary kwas-zasada nazywany jest roztworem buforowym lub buforem. Roztwory buforowe są odporne na zmianę pH po dodaniu niewielkich ilości mocnego kwasu lub mocnej zasady. Przykładem buforu składającego się ze słabego kwasu i jego soli jest roztwór kwasu octowego i octanu sodu: CH3COOH (aq) + CH3COONa (aq). Przykładem buforu składającego się ze słabej zasady i jej soli jest roztwór amoniaku i chlorku amonu: NH3 (aq) + NH4Cl (aq).

Jak działają bufory

Aby zilustrować funkcję roztworu buforowego, rozważmy mieszaninę mniej więcej równych ilości kwasu octowego i octanu sodu. Obecność słabej sprzężonej pary kwas-zasada w roztworze nadaje zdolność do neutralizowania niewielkich ilości dodanego mocnego kwasu lub zasady. Na przykład dodanie mocnej zasady do tego roztworu zneutralizuje jon hydroniowy i przesunie równowagę jonizacji kwasu octowego w prawo, częściowo przywracając obniżone stężenie H3O+:

Podobnie dodanie mocnego kwasu do tego roztworu buforowego zneutralizuje jon octanowy, przesuwając powyższą równowagę jonizacji w prawo i przywracając [H3O+] do wartości bliskiej pierwotnej. Rycina 1 przedstawia graficzną ilustrację zmian w roztworze buforowym po dodaniu mocnego kwasu i zasady. Buforujące działanie roztworu jest zasadniczo wynikiem przekształcenia dodanego mocnego kwasu i zasady w słaby kwas i zasadę, które tworzą parę koniugatu buforu. Słabszy kwas i zasada ulegają jedynie niewielkiej jonizacji w porównaniu z całkowitą jonizacją mocnego kwasu i zasady. Z tego powodu pH roztworu zmienia się znacznie mniej drastycznie niż w roztworze niebuforowanym.

Rysunek 1. Działanie buforujące w mieszaninie kwasu octowego i soli octanowej.

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.