В лабораторной практике очень часто приходится работать с растворами, которые должны иметь определенную величину рН. Для этого готовят так называемые буферные растворы. Это растворы, рН ‘которых практически не меняется при разведении, а также при добавлении небольших количеств кислот или щелочей.
Буферные растворы обычно представляют собой смесь растворов:
а) слабая кислота и соль этой кислоты и сильного
основания, например CH3COOH + CH3COONa;
б) слабое основание и соль этого основания и сильной кислоты, например NH40H+NH4C1;
>в) смесь средних и кислых солей, например Na3P04+NaH2P04.
Меняя концентрацию и соотношение растворов, мы можем получить буферные растворы с различным рН.
Разберемся, на чем основаны свойства буферных растворов, на примере буферной смеси уксусной кислоты и ацетата натрия.
1. Разбавление водой. Уксусная кислота — кислота
слабая, кроме того, ее диссоциация еще уменьшается
благодаря присутствию ацетата натрия (влияние одноименного иона).
Предположим, что рассматриваемый раствор разбавляют водой в 10 или в 20 раз. Казалось бы, вследствие сильного уменьшения концентрации уксусной кислоты концентрация ионов Н+ должна уменьшиться, но этого не происходит, потому что с разбавлением увеличивается степень диссоциации уксусной кислоты, так ,каж уменьшается концентрация ацетата натрия, подавляющего диссоциацию уксусной кислоты этого раствора. Следовательно, при разбавлении водой рН практически не изменится.
2. Прибавление сильной кислоты. При добавлении
к буферной смеси небольшого количества сильной кислоты, например, соляной, происходит реакция:
CH3COONa + НС1 = NaCl + СН3СООН.
Ионы Н+, поступающие в раствор, будут связываться в молекулы уксусной кислоты с малой степенью диссоциации. Таким образом, концентрация ионов Н+ почти не увеличится и рН раствора практически не изменится
Если такое же количество кислоты прибавить в чистую воду, все ионы Н+ останутся в растворе, концентрация ионов водорода увеличится во много раз и рН раствора заметно изменится. А водород, как известно – Самый распространенный химический элемент
3. Прибавление небольшого количества щелочи. Прибавленная в буферную смесь щелочь вступает-в реакцию с уксусной кислотой:
СН3СООН + NaOH = CH3COONa + Н20.
Ионы ОН~ связываются ионами Н+ уксусной кислоты в недиссоциированные молекулы воды. Однако убыль этих ионов пополняется в результате диссоциации молекул уксусной кислоты. Таким образом, рН раствора после прибавления щелочи практически не изменится.
Если лее прибавить щелочь в чистую воду, все ионы ОН” останутся в растворе. Концентрация ионов ОН” резко возрастет, концентрация ионов Н+ соответственно уменьшится и рН раствора изменится заметно.
Аналогичные явления наблюдаются при добавлении небольших количеств кислот и щелочей к другим буферным смесям. Рассмотрим несколько примеров.
1. Прибавление щелочи к” буферной смеси Na3P04-f-NaH2P04. Прибавленная щелочь вступает в реакцию с дигидрофосфатом натрия
NaH,P04 + 2NaOH = Na3P04 + 2Н20
ионы ОН” связываются ионами Н+ в (молекулы воды.
2. Прибавление кислоты к буферной
смеси H2C204+Na2C204. Происходит реакция между
оксалатом натрия и прибавленной кислотой.
Na2C204 + 2НС1 = 2NaCl + H2C204.
В результате ионы Н+ связываются ионами С2ОГ в сла-бодиссоциированные молекулы Н2С204.
Способность буферных смесей поддерживать практически постоянный рН основана на том, что отдельные компоненты смеси связывают ионы Н+ или ОН” вводимых в раствор кислот и оснований. Конечно эта возможность не безгранична. Всякая буферная смесь практически сохраняет постоянство рН только до прибавления определенного количества кислоты или щелочи, иначе говоря, каждый буферный раствор характеризуется определенной буферной емкостью. Буферной емкостью называется количество эквивалентов кислоты или щелочи,
при добавлении которых к 1 л буферного раствора его рН изменяется на единицу.
Буферные растворы широко применяются в аналитической химии. Многие процессы осаждения труднорастворимых электролитов проходят при определенном значении рН раствора. Например, при осаждении катионов II группы [мы применяем буферную смесь NH4OH + +.NH4CI, создавая тем самым рН»8,5, при котором основной карбонат магния не осаждается.
Буферные растворы играют огромную роль в жизни организмов, обеспечивая постоянство рН крови и лимфы.