"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Буферная система — раствор, который поддерживает почти постоянный pH при добавлении небольших количеств кислоты или щёлочи. Она состоит из слабого электролита и частицы, связанной с ним сопряжённой кислотно-основной парой. Один компонент связывает добавленные H₃O⁺, другой — OH⁻. Главное в расчётах — соотношение компонентов и ограниченная буферная ёмкость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Буферная система — раствор, который противодействует заметному изменению pH при добавлении небольших количеств кислоты или щёлочи, а также при разбавлении. Она нужна для поддержания почти постоянной кислотности среды, когда небольшие внешние воздействия не должны резко менять условия реакции.
Кислотный буфер — система из слабой кислоты и её сопряжённого основания, например CH₃COOH и CH₃COONa. В растворе соль даёт ионы CH₃COO⁻, поэтому присутствуют обе части пары CH₃COOH/CH₃COO⁻; это позволяет связывать как добавленные H₃O⁺, так и OH⁻.
Основный буфер — система из слабого основания и его сопряжённой кислоты, например NH₃·H₂O и NH₄Cl. В растворе находятся NH₃·H₂O и ионы NH₄⁺, образующие пару; благодаря ей раствор сопротивляется изменению pH в обе стороны.
Буферная ёмкость — мера количества сильной кислоты или щёлочи, которое буфер способен связать без значительного изменения pH. Она показывает не сам уровень кислотности, а запас устойчивости раствора: после расходования одного компонента защита быстро ослабевает.
Слабый электролит диссоциирует не полностью, поэтому в растворе одновременно сохраняются его молекулы и сопряжённые частицы. Сопряжённое основание может принять протон H₃O⁺, а слабая кислота — отдать протон воде или OH⁻. Поэтому одна и та же пара реагирует с добавками противоположного характера, не допуская большого изменения концентрации свободных ионов.
В ацетатном буфере при добавлении HCl решающим реагентом является не вся молекула кислоты, а её ионы H₃O⁺. Их связывают ацетат-ионы: CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O. При добавлении NaOH молекулы уксусной кислоты нейтрализуют OH⁻: CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.
В основном буфере слабое основание принимает протоны, поэтому связывает добавленные H₃O⁺: B + H₃O⁺ → BH⁺ + H₂O. Сопряжённая кислота BH⁺, напротив, отдаёт протон гидроксид-ионам: BH⁺ + OH⁻ → B + H₂O. Так, в системе NH₃·H₂O/NH₄⁺ аммиак связывает кислоту, а NH₄⁺ нейтрализует щёлочь.
pH буфера определяется главным образом отношением концентраций компонентов пары, а не только их абсолютными значениями. Для кислотного буфера используют приближённую формулу pH = pKa + lg([A⁻]/[HA]), где HA — слабая кислота, A⁻ — её сопряжённое основание. Пока количества компонентов сопоставимы, превращение небольшой доли одного в другой изменяет их отношение мало, поэтому pH меняется незначительно.
Буферная ёмкость зависит от общей концентрации компонентов: чем больше частиц доступно для связывания добавленного реагента, тем больше кислоты или щёлочи выдержит раствор. Наибольшая устойчивость обычно наблюдается при близких количествах компонентов пары, поскольку тогда есть запас для реакции в обе стороны. При разбавлении отношение концентраций почти сохраняется и pH меняется мало, но частиц в единице объёма становится меньше, поэтому ёмкость снижается.
| Характеристика | Кислотный буфер | Основный буфер |
|---|---|---|
| Компоненты системы | Слабая кислота HA и её сопряжённое основание A⁻ | Слабое основание B и его сопряжённая кислота BH⁺ |
| Пример пары веществ | CH₃COOH и CH₃COONa | NH₃·H₂O и NH₄Cl |
| Что связывает добавленные H₃O⁺ | Сопряжённое основание A⁻, например CH₃COO⁻ | Слабое основание B, например NH₃·H₂O |
| Что нейтрализует добавленные OH⁻ | Слабая кислота HA, например CH₃COOH | Сопряжённая кислота BH⁺, например NH₄⁺ |
| От чего зависит pH | От pKa и отношения [A⁻]/[HA] | От pKb и отношения [BH⁺]/[B] или соответствующего кислотного равновесия |
| Как влияет разбавление на буферную ёмкость | Ёмкость уменьшается, хотя pH обычно меняется мало | Ёмкость уменьшается, хотя pH обычно меняется мало |
Сначала найдите тип буфера и подпишите слабый электролит и его сопряжённую частицу. Затем определите, какой компонент реагирует с добавленными H₃O⁺ или OH⁻, и только после этого оценивайте pH. Для сравнения ёмкости смотрите на общую концентрацию компонентов, а для сравнения pH — прежде всего на их отношение.
Условие: для буфера CH₃COOH/CH₃COO⁻ определить частицы, реагирующие с небольшими добавками HCl и NaOH, и записать уравнения. Сильные электролиты в воде дают ионы, поэтому рассматриваем реакции именно с H₃O⁺ и OH⁻.
Ответ: H₃O⁺ связывает ацетат-ион, а OH⁻ реагирует с уксусной кислотой. В обоих случаях образуются компоненты той же сопряжённой пары.
Условие: концентрации CH₃COOH и CH₃COO⁻ равны Cкисл и Cосн, константа диссоциации уксусной кислоты равна Ka. Требуется найти pH без решения полного уравнения равновесия.
Ответ: pH = −lg Ka + lg(Cосн/Cкисл). Формула применима, когда оба компонента присутствуют в сопоставимых количествах и раствор достаточно разбавлен для использования концентраций вместо активностей.
Условие: к объёму V буфера с количествами n(CH₃COOH) = nкисл и n(CH₃COO⁻) = nосн добавили n(H₃O⁺) = nкислоты. Нужно найти новый состав и pH.
Ответ: нельзя подставлять исходные значения. Сначала расходуется ацетат, затем по новому отношению компонентов вычисляется pH; если nкислоты превышает nосн, буферная защита исчерпана.
Считать, что pH буфера вообще не меняется, — ошибка: буфер только ограничивает изменение в пределах ёмкости. Проверка проста: после добавки сравните новые количества компонентов, а не утверждайте постоянство pH.
Подставлять исходные концентрации сразу после добавления кислоты или щёлочи неправильно, потому что часть одного компонента уже прореагировала. Сначала составьте уравнение нейтрализации и вычтите израсходованное количество.
Путаница кислотного и основного буферов приводит к неверному выбору реагирующей частицы. Определите, кто принимает протон: A⁻ связывает H₃O⁺, а HA реагирует с OH⁻; для пары B/BH⁺ роли аналогично распределяются.
Нельзя заключать, что любое разбавление резко меняет pH. При сохранении отношения компонентов pH обычно почти тот же, но концентрация и буферная ёмкость уменьшаются; это можно проверить сравнением общего количества компонентов в единице объёма.
Для понимания буферов нужны знания о кислотах и основаниях, сопряжённых кислотно-основных парах, pH и равновесии слабых электролитов. Без идеи сопряжённости трудно определить, какая частица связывает добавленный протон или гидроксид-ион.
Буферные системы связывают расчёты pH с более широкими темами кислотно-основных равновесий. Они также объясняют поддержание постоянства среды в биологических системах, где небольшие изменения pH могут нарушать работу веществ и клеток.
Почему буферный раствор не меняет pH при добавлении кислоты?
Добавленные ионы H₃O⁺ связываются компонентом буфера, являющимся сопряжённым основанием. Поэтому свободная концентрация H₃O⁺ возрастает незначительно, пока количество кислоты не превысило буферную ёмкость.
Чем кислотный буфер отличается от основного?
Кислотный буфер содержит слабую кислоту и её сопряжённое основание, например CH₃COOH и CH₃COO⁻. Основный буфер состоит из слабого основания и его сопряжённой кислоты, например NH₃·H₂O и NH₄⁺.
Почему разбавление буфера обычно мало влияет на pH?
При разбавлении концентрации обоих компонентов уменьшаются примерно во столько же раз, поэтому их отношение сохраняется. Однако общее число частиц в единице объёма становится меньше, и буферная ёмкость снижается.
Как определить, какой компонент буфера израсходуется при добавлении щёлочи?
Щёлочь содержит OH⁻, поэтому она реагирует с кислотным компонентом сопряжённой пары. В ацетатном буфере OH⁻ расходует CH₃COOH, превращая его в CH₃COO⁻.
Что произойдёт с раствором, если количество добавленной кислоты превысит буферную ёмкость?
Один из компонентов буфера будет израсходован полностью. Избыток кислоты останется в растворе в свободном виде, поэтому pH изменится резко.
11.2. Буферные системы
