Буферы

Добавление небольшого количества кислоты или основания в раствор может вызвать значительное снижение или повышение pH. Однако для функционирования многих химических и биохимических процессов необходим стабильный pH. Буферы могут предотвратить резкое изменение pH раствора, если их буферная способность не превышена.

Буферы содержат слабую кислоту и сопряженное с ней основание или слабое основание и сопряженную с ним кислоту. Например, человеческая кровь поддерживает pH около 7, 4 с помощью буфера, состоящего из слабой угольной кислоты и бикарбонат-ионов сопряженного с ней основания. Сопряженные пары кислота-основание образуют буферы, поскольку они не нейтрализуют свую сопряженную кислоту или основание.

Например, уксусная кислота и ацетат не могут вступить в реакцию. Однако, если уксусная кислота, слабая кислота, и аммиак, слабое основание, будут добавлены вместе, они будут реагировать с образованием соли ацетата аммония. В буфере слабая кислота нейтрализует любое добавленное основание, реагируя с образовавшимися гидроксид-ионами, тогда как его сопряженное основание нейтрализует любую добавленную кислоту, реагируя с любыми ионами гидроксония.

Аналогичный механизм работает в случае слабого основания и его сопряженной кислоты. Два стакана, X и Y, содержат одинаковый объем различных растворов, каждый с pH 7, 2. Раствор в стакане X не образует буфер.

Напротив, раствор в стакане Y содержит ацетатно-уксусный буфер. Если соляную кислоту добавить в стакан X, pH раствора внезапно падает из-за повышенной концентрации ионов гидроксония. Напротив, раствор в стакане Y показывает почти постоянный pH при добавлении к нему соляной кислоты, потому что один из компонентов буфера, ацетат, реагирует с соляной кислотой с образованием хлорид-иона и уксусной кислоты.

Точно так же, если гидроксид натрия добавить в стакан X, pH раствора резко увеличится из-за повышенной концентрации гидроксид-ионов. С другой стороны, раствор в стакане Y показывает минимальное изменение pH при добавлении к нему гидроксида натрия, поскольку один из компонентов буфера, уксусная кислота, реагирует с гидроксидом натрия и образует ацетат натрия и молекулу воды. Буфер может предотвратить резкое изменение pH раствора до тех пор, пока концентрация сопряженной пары кислота-основание в растворе выше, чем концентрация добавленной сильной кислоты или основания.