буферні раствори.docx
Вам часто в практичній науковій роботі доведеться мати справу з розчинами з певним значенням рН, що зберігається постійним при розведенні розчину і при додаванні в нього кислоти або лугу. Це і будуть буферні розчини. Чому рН крові людини і океанської води постійні? Тому що це буферні розчини!
А хіба вам не траплялося вираз «буферне дію», коли йшлося про діяльність окремих осіб, організацій і навіть цілих держав зі згладжування конфліктів в приватному та суспільному житті або в міждержавних відносинах?
Здатність розчину підтримувати певне значення рН називається буферним дією. а розчини, що володіють такою властивістю, називаються буферними.
Буферне дію розчину вимірюється буферною ємністю. тобто тією кількістю лугу або кислоти, яке потрібно додати до 1 л розчину, щоб значення його рН змінилося на одиницю.
При титруванні сильної кислоти сильною основою буферне дію розчину проявляється тільки при дуже низьких і дуже високих значеннях рН. Найменшу буферну ємність має розчин в точці еквівалентності. До такого розчину достатньо додати одну краплю розчину кислоти або лугу, щоб рН розчину стрибкоподібно змінився. Однак в хімічній практиці часто виникає необхідність мати розчини зі стійким значенням рН, близьким до нейтрального.
Важливою властивістю буферних розчинів є їх здатність зберігати постійне значення рН при розведенні розчину. Розчини кислот і підстав не можуть називатися буферними розчинами, тому що при розведенні їх водою рН розчину змінюється. Якщо 0,1 розчин соляної кислоти розбавили водою в 10 разів, то як змінився рН розчину.
Найбільш ефективні буферні розчини готують з розчинів слабкої кислоти і її солі або слабкої основи і його солі. Ацетатний буферний розчин являє собою розчин оцтової кислоти СН 3 СООН і ацетату натрію NаСН3 СОО. Аміачний буферний розчин являє собою розчин гідроксиду амонію NH4 OH і хлориду амонію NH4 Cl.
Буферне дію подібних розчинів засновано на наступних процесах. Якщо до ацетатному буферного розчину [СН3 СООН + NаСН3 СОО] додати в межах буферної ємності розчин лугу (NaOH або КОН), то буде відбуватися нейтралізація гідроксиду слабкою кислотою:
При додаванні до ацетатному буферного розчину сильної кислоти іони водню зв'язуються аніонами слабкої кислоти, що утворюється при дисоціації солі:
Таким чином, в результаті зв'язування гідроксид-іонів або іонів водню, що виникають при додаванні сильної основи або сильної кислоти, рН буферного розчину практично не змінюється. Так, при додаванні в 1 л 0,1 ацетатного буферного розчину, а для порівняння і в воду 0,01 моль соляної кислоти або гідроксиду натрію рН розчинів приймає значення, наведені нижче.
Буферні розчини - фосфатний [+] і карбонатний [+] - мають велике значення для забезпечення життєдіяльності організмів, тому що вони підтримують сталість рН фізіологічних рідин. Крім цих буферних розчинів рН крові та інших рідин організму зберігається постійним завдяки білкам і гемоглобіну. У людини рН крові дорівнює 7,35-7,45. На 75% буферна ємність крові обумовлена гемоглобіном. Вона настільки велика, що потрібно в 50 разів більше сильної кислоти або лугу, щоб змінити рН на ту ж величину в порівнянні з водою.
Буферними називають розчини, рН яких практично на змінюється від додавання до них невеликих кількостей сильної кислоти або лугу, а також при розведенні. Найпростіший буферний розчин - це суміш слабкої кислоти і солі, що має з цією кислотою загальний аніон (наприклад, суміш оцтової кислоти СН3СООН і ацетату натрію СН3СООNa), або суміш слабкої основи і солі, що має з цим підставою загальний катіон (наприклад, суміш гідроксиду амонію NH4OH з хлоридом амонію NH4Cl).
З точки зору протонної теорії 1 буферне дію розчинів обумовлено наявністю кислотно-лужної рівноваги загального типу:
Воснованіе + Н + И ВН + сполучена кислота
НАкіслота И Н + + А-поєднане підставу
Парні кислотно-основні пари В / ВН + і А- / НА називають буферними системами.
Буферні розчини відіграють велику роль в життєдіяльності. До числа виняткових властивостей живих організмів є їхня здатність підтримувати сталість рН біологічних рідин, тканин і органів - кислотно-основний гомеостаз. Це сталість обумовлено наявністю декількох буферних систем, що входять до складу цих тканин.
Класифікація кислотно-основних буферних систем. Буферні системи можуть бути чотирьох типів:
Слабка кислота і її аніон А- / НА:
ацетатна буферна система СН3СОО- / СН3СООН в розчині СН3СООNa і СН3СООН, область дії рН 3, 8 - 5, 8.
Водень-карбонатна система НСО3- / Н2СО3 в розчині NaНСО3 і Н2СО3, область її дії - рН 5, 4 - 7, 4.
Слабка основа і його катіон В / ВН +:
аміачна буферна система NH3 / NH4 + в розчині NH3 і NH4Cl,
область її дії - рН 8, 2 - 10, 2.
Аніони кислої і середньої солі або двох кислих солей:
карбонатная буферна система СО32- / НСО3- в розчині Na2CO3 і NaHCO3, область її дії рН 9, 3 - 11, 3.
фосфатная буферна система НРО42- / Н2РО4- в розчині Nа2НРО4 і NаН2РО4, область її дії рН 6, 2 - 8, 2.
Ці сольові буферні системи можна віднести до 1-го типу, т. К. Одна з солей цих буферних систем виконує функцію слабкої кислоти. Так, в фосфатной буферної системі аніон Н2РО4- є слабкою кислотою.
4. Іони і молекули амфолітов. До них відносять амінокислотні і білкові буферні системи. Якщо амінокислоти або білки знаходяться в ізоелектричному стані (сумарний заряд молекули дорівнює нулю), то розчини цих сполук не є буферними. Вони починають проявляти буферне дію, коли до них додають деяку кількість кислоти або лугу. Тоді частина білка (амінокислоти) переходить з ІЕЗ в форму "білок-кислота" або відповідно до форми "білок підставу". При цьому утворюється суміш двох форм білка: (R - макромолекулярний залишок білка)
а) слабка "білок-кислота" + сіль цієї слабкої кислоти:
R - СН + Н + И R - СН
підставу А- сполучена кислота НА
(Сіль білка-кілота) (білок-кислота)
б) слабке "білок-основа" + сіль цього слабкої основи:
R - СН + ОН И R - СН + Н2О
кислота ВН + поєднане підставу В
(Сіль білка-підстави) (білок-підставу)
Таким чином, і цей тип буферних систем може бути віднесений відповідно до буферних систем 1-го і 2-го типів.
Механізм буферної дії можна зрозуміти на прикладі ацетатної буферної системи СН3СОО- / СН3СООН, в основі дії якої лежить кислотно-основну рівновагу:
СН3СООН И СН3СОО- + Н +; (РКа = 4, 8)
Головне джерело ацетат-іонів - сильний електроліт СН3СООNa:
СН3СООNa ® СН3СОО- + Na +
При додаванні сильної кислоти поєднане підставу СН3СОО- пов'язує додаткові іони Н +, перетворюючись в слабку оцтову кислоту:
СН3СОО- + Н + И СН3СООН
(Кислотно-основна рівновага зміщується вліво, по Лешательє)
Зменшення концентрації аніонів СН3СОО- точно врівноважується підвищення концентрації молекул СН3СООН. В результаті відбувається невелика зміна в співвідношенні концентрацій слабкої кислоти і її солі, а отже, і незначно змінюється рН.
При додаванні лугу протони оцтової кислоти (резервна кислотність) вивільняються і нейтралізуються додаткові іони ОН-, пов'язуючи їх в молекули води:
СН3СООН + ОН И СН3СОО- + Н2О
(Кислотно-основна рівновага зміщується вправо, по Лешательє)
У цьому випадку також відбувається невелика зміна в співвідношенні концентрацій слабкої кислоти і її солі, а отже, і незначна зміна рН. Зменшення концентрації слабкої кислоти СН3СООН точно врівноважується підвищення концентрації аніонів СН3СОО-.
Аналогічний механізм дії та інших буферних систем. Наприклад, для білкового буферного розчину, утвореного кислої і сольовий формами білка, при додаванні сильної кислоти іони Н + зв'язуються сольовий формою білка:
R - СН + Н + ® R - СН
Кількість слабкої кислоти при це незначно збільшується, а сольовий форми білка - еквівалентно зменшується. Тому рН залишається практично постійним.
При додаванні лугу до цього буферного розчину іони Н +, пов'язані в "білку - кислоті", вивільняються і нейтралізують додані іони ОН-:
R - СН + ОН ® R - СН + Н2О
Кількість сольовий форми білка при цьому незначно збільшується, а "білка - кислоти" - еквівалентно зменшується. І тому рН практично не зміниться.
Таким чином, розглянуті системи показують, що буферне дію розчину обумовлено зміщенням кислотно-лужної рівноваги за рахунок зв'язування додаються в розчин іонів Н + і ОН- в результаті реакції цих іонів і компонентів буферної системи з утворенням малодисоційованих продуктів.
В основі розрахунку рН буферних систем лежить закон діючих мас для кислотно-лужної рівноваги.
Для буферної системи 1-го типу, наприклад, ацетатної, концентрацію іонів Н + в розчині легко обчислить, виходячи з константи кислотно-лужної рівноваги оцтової кислоти: