Буферов

Буферов

Когда в воду добавляют аррениусовую кислоту (HA), она диссоциирует на сопряженное основание (A^-) и катион водорода (H⁺).

HA + H₂O → H⁺_(aq) + A^-_(aq)

Количество ионов водорода, присутствующих в растворе, определяет кислотность раствора, где большее количество ионов водорода указывает на более низкий или более кислый pH. Точно так же, когда в воду добавляется сильное основание Аррениуса (BOH), оно диссоциирует на свою сопряженную кислоту (B⁺) и гидроксид-ион (OH^-).

BOH + H₂O → B⁺_(aq) + OH^-_(aq)

Как правило, добавление сильных кислот или оснований в раствор резко изменяет рН, потому что кислота или основание вступает в реакцию с молекулами воды в растворе, увеличивая концентрацию ионов водорода или гидроксид-ионов. Тем не менее, это изменение pH можно смягчить с помощью буфера. Буферы — это растворы, которые работают на поддержание постоянного pH в системе, независимо от добавления сильных кислот или оснований.

Чаще всего компонентами буфера являются сопряженные кислотно-основные пары слабой кислоты или слабого основания. По этой причине сильные кислоты или основания, которые полностью диссоциируют в воде, являются очень плохими буферами, а слабые кислоты или основания, которые частично диссоциируют, являются лучшими буферами. Когда буфер присутствует, сильная кислота или основание не вступает в реакцию с молекулами воды, присутствующими в растворе, а вместо этого реагирует со слабым кислотным/сопряженным основанием. Это приводит к незначительному изменению pH раствора или его отсутствию.

Общий ионный эффект

Буфер работает через явление, называемое эффектом общих ионов. Общий ионный эффект возникает, когда данный ион добавляется к смеси, находящейся в равновесии, которая уже содержит данный ион. Когда это происходит, равновесие смещается в сторону от образования большего количества этого иона.

Например, уксусная кислота (CH₃COOH) слабо диссоциирует в воде, образуя ацетат-ион (CH₃COO^-) и ион водорода.

CH₃COOH_(aq) H₂O ⇔ H⁺_(aq) + CH₃ ^COO-_(aq)

Если добавить больше иона ацетата из растворимого ацетата натрия, положение равновесия смещается влево, образуя больше недиссоциированной уксусной кислоты, и концентрация ионов водорода уменьшается. Здесь общий ион — ацетат — подавляет диссоциацию уксусной кислоты.

Буфер должен содержать высокие концентрации как кислотных (HA), так и основных (A^-) компонентов для буферизации раствора. Если количество ионов водорода или гидроксида, добавляемых в буфер, невелико, они приводят к тому, что небольшое количество одного компонента буфера превращается в другой. До тех пор, пока концентрация добавляемых ионов намного меньше, чем концентрации ГК и А^-, уже присутствующих в буфере, то добавленные ионы будут оказывать незначительное влияние на рН, так как они потребляются одним из компонентов буфера. Когда концентрация водорода или гидроксида превышает концентрации кислоты и ее сопряженного основания, буферный эффект теряется, и pH изменяется.

Уравнение Хендерсона-Хассельбальха

Константа диссоциации K_a слабой кислоты рассчитывается с использованием концентраций недиссоциированной кислоты HA, а также концентраций ионов водорода и сопряженного основания A^-.

Более высокие значения K_a представляют более сильные кислоты, в то время как меньшие значения K_a представляют более слабые кислоты. Чтобы определить концентрацию ионов водорода, уравнение перестраивается. В этой форме ясно, что соотношение кислотных форм к основным веществам имеет важное значение для определения концентрации ионов водорода и, следовательно, pH.

Если взять отрицательный общий логарифм обеих сторон, то получится уравнение Хендерсона-Хассельбальха.

Уравнение Хендерсона-Хассельбальха позволяет рассчитать pH буфера напрямую, без предварительного расчета концентрации ионов водорода.

Например, его можно использовать для определения pH буфера объемом 1 л после добавления 0,02 моля сильного основания. Сильное основание полностью диссоциирует, поэтому концентрация добавляемых гидроксильных ионов составляет 0,02 М. Это снизит концентрацию кислоты на 0,02. Предполагая, что исходная концентрация компонентов кислоты (HA) и основания (A^-) составляет по 0,5 М, новая концентрация основания увеличивается на 0,02 М до 0,52 М, в то время как концентрация кислоты уменьшается на 0,02 М до 0,48 М. Зная_{pK a} кислотного компонента буфера, мы можем подставить эти новые концентрации компонентов в уравнение Хендерсона-Хассельбальха для определения pH.

Это полезно для определения емкости буфера, или того, сколько сильной кислоты или сильного основания может быть добавлено в буфер без существенного влияния на pH.

Емкость буфера

Буферная емкость — это мера способности буфера противостоять изменению pH. Эта способность зависит от концентрации буферных компонентов, то есть кислоты и ее сопряженного основания. Чем выше концентрация буфера, тем выше буферная емкость. Это означает, что необходимо добавить большее количество ионов водорода или более сильную кислоту, чтобы нарушить равновесие и изменить pH буфера.

Буферная емкость также зависит от относительных концентраций буферных компонентов. Буфер более эффективен при схожих концентрациях компонентов. Если соотношение буферных компонентов аналогично, то соотношение концентраций компонентов существенно не изменяется при добавлении кислоты или основания; необходимо добавить большое количество кислоты или щелочи, чтобы компенсировать соотношение и изменить pH.

pH буфера отличается от его буферной емкости. Диапазон pH — это диапазон, в котором буфер эффективен. Как правило, буферы имеют полезный диапазон в пределах 1 единицы pH от pK_a кислотного компонента буфера.

Ссылки

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Химия: молекулярная природа материи и изменения. Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл.