Буферный раствор

Бу́ферные раство́ры (от Шаблон:Lang-en, от buff — «смягчать удар») — растворы с определённой устойчивой концентрацией водородных ионов, рН которых мало изменится при прибавлении к ним небольших количеств сильного основания или сильной кислоты, а также при разбавлении и концентрировании.

Принцип действия буферных систем

Буферные системы представляют собой смесь кислоты (донора протонов) и сопряженного с ней основания (акцептора протонов), то есть частиц, различающихся на $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$. В растворе устанавливаются равновесия:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$ (автопротолиз воды)

$\mathrm{H}\mathrm{A}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{A}{\phantom{A}}^{-}$ (диссоциация кислоты, заряды поставлены условно, из предположения, что кислота является нейтральной молекулой)

Каждое из этих равновесий характеризуется своей константой: первое — ионным произведением воды, второе — константой диссоциации кислоты.

При добавлении в систему сильной кислоты, она протонирует основание, входящее в буферную смесь, а добавление сильного основания связывает протоны и смещает второе равновесие в сторону продуктов, при этом в итоге концентрация $\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$ в растворе меняется незначительно.

Буферные системы

В качестве буферных смесей могут быть использованы системы:

• слабая кислота и её соль с сильным основанием, например, ацетатный буфер СНШаблон:SubСООН + CHШаблон:SubCOONa

$𝖢{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}𝖢𝖮𝖮𝖧\mathsf{\rightleftarrows }𝖢{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}𝖢𝖮{𝖮}^{\mathsf{-}}\mathsf{+}{𝖧}^{\mathsf{+}}$

• слабое основание и его соль с сильной кислотой, например, аммиачный буфер NHШаблон:Sub·H₂O+ NHШаблон:SubCl

$𝖭{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{*}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\rightleftarrows }𝖭H_{\mathrm{𝟦}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}𝖮{𝖧}^{\mathsf{-}}$

• кислая соль и средняя соль слабой кислоты с сильным основанием, например, карбонатный буфер NaШаблон:SubCOШаблон:Sub + NaHCOШаблон:Sub

$𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}\mathsf{\to }𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathrm{𝟤}\mathsf{-}}\mathsf{+}{𝖧}^{\mathsf{+}}$

Расчёт pH буферных систем

Значение pH буферных растворов можно рассчитать по уравнению Гендерсона:

• Для слабой кислоты HA и её соли с сильным основанием BA

$𝗉𝖧\mathsf{=}𝗉{𝖪}_{𝖧𝖠}\mathsf{+}𝗅𝗀\frac{C_{BA}}{C_{HA}}$

• Для слабого основания BOH и его соли с сильной кислотой BA

$𝗉𝖧\mathsf{=}\mathrm{𝟣}\mathrm{𝟦}\mathsf{-}𝗉{𝖪}_{𝖡𝖮𝖧}\mathsf{+}𝗅𝗀\frac{C_{BOH}}{C_{BA}}$

Например, pH аммиачного буферного раствора NHШаблон:Sub·H₂O + NHШаблон:SubCl определяется формулой:

$𝗉𝖧\mathsf{=}\mathrm{𝟣}\mathrm{𝟦}\mathsf{-}𝗉{𝖪}_{𝖭{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{*}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮}\mathsf{+}𝗅𝗀\frac{C_{N{H}_3*H_{2}O}}{C_{N{H}_{4}Cl}}$

pH карбонатного буферного раствора выражается формулой:

$𝗉𝖧\mathsf{=}𝗉{𝖪}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{-}𝗅𝗀\frac{C_{NaHC{O}_3}}{C_{N{a}_{2}C{O}_3}}$

Буферная ёмкость

Буферные растворы сохраняют своё действие только до определённого количества добавляемой кислоты, основания или степени разбавления, что связано с изменением концентраций его компонентов.

Способность буферного раствора сохранять свой pH определяется его буферной ёмкостью — количеством сильной кислоты или основания, которые следует прибавить к 1 л буферного раствора, чтобы его pH изменился на единицу. Буферная ёмкость тем выше, чем больше концентрация его компонентов.

Буферная ёмкость π определяется по формуле

$\pi =\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}pH}$

где dx — концентрация введённой сильной кислоты (основания), т. е. её количество, отнесённое к объёму буферного раствора.

Область буферирования — интервал pH, в котором буферная система способна поддерживать постоянное значение pH. Обычно он равен pKШаблон:Sub±1.

Биологическая роль

Буферные растворы имеют большое значение для протекания реакций в живых организмах. Например, в крови постоянство водородного показателя рН (химический гомеостаз) поддерживается тремя независимыми буферными системами: бикарбонатной, фосфатной и белковой. Известно большое число буферных растворов (ацетатно-аммиачный буферный раствор, фосфатный буферный раствор, боратный буферный раствор, формиатный буферный раствор и др.).

Примеры буферных растворов

• Калий-фосфатный буфер
• Натрий-фосфатный буфер
• Натрий-ацетатный буфер
• Буферные системы крови

Литература

• Шаблон:Книга

Ссылки

• Кислоты и основания
• Примеры составов буферных растворов