Особенности равновесий в буферных растворах и механизм буферного действия.

Все дальнейшее обсуждение свойств буферных растворов и расчёты будут проведены на примере гидрофосфатного буферного раствора:

Na₂HPO₄ (осн), NaH₂PO₄ (к)

Соль NaH₂PO₄ (к), выполняющая роль кислоты, диссоциирует в буферном растворе на ионы:

		α=1
NaH2PO4	®	Na^+	+	H2PO4^-
	ск				ск
		α®0
H2PO4	Û	H^+	+	HPO4^2-
равновесные концентрации ионов	ск
ск(1-α)				α ск

 

где с_k – концентрация дигидрофосфата натрия (к) в буферном растворе, а a – степень диссоциации фосфорной кислоты по второй ступени.

Соль Na₂HPO₄ (осн), выполняющая роль сопряжённого основания, диссоциирует в буферном растворе на ионы и частично гидролизуется по аниону:

		α=1
Na2HPO4	®	Na^+	+	H2PO4^-
	cо				cо
				h®0
HPO4^2-	+	H2O	Û	H2PO4^-	+	OH^-
равновесные концентрации ионов	cо
cо(1-h)						h сo

 

где с_осн – концентрация гидрофосфата натрия в буферном растворе, а h – степень гидролиза гидрофосфат - ионов.

В буферной системе ионы H₂PO₄^-, образующиеся при диссоциации NaH₂PO₄ (к) и являющиеся донорами протонов Н⁺, подавляют гидролиз ионов HPO₄^2-, образующихся при диссоциации Na₂HPO₄ (осн) и выполняющих роль акцептора протонов, и наоборот, ионы HPO₄^2- подавляют диссоциацию ионов H₂PO₄^-. Это означает, что равновесные концентрации анионов практически совпадают с концентрацией соли в буферном растворе:

[H₂PO₄^-] = (1-a)Ч c_k (NaH₂PO₄)_{a » 0}» c_k (NaH₂PO₄)

[HPO₄^2-] = (1-h)Ч c ₀(Na₂HPO₄)_{h » 0}» c ₀(Na₂HPO₄).

Буферное действие фосфатного буферного раствора обеспечивается за счёт смещения равновесия, существующего между ионами H₂PO₄^- и HPO₄^2- в буферном растворе при добавлении сильной кислоты или щелочи, которое является результатом протекания реакций между компонентами буферного раствора и добавляемыми ионами водорода или гидроксила:

а) при добавлении сильной кислоты H_nX в буферный раствор поступает количество добавленных ионов водорода:

сопряжённое основание буферной системы связывает ионы Н⁺, в результате чего общее содержание сопряженной кислоты в буферном растворе растёт, а основания – уменьшается, а активная кислотность буферного раствора – рН -остаётся неизменной или незначительно уменьшается:

 

HPO₄^2- + H⁺_{(добавка)} ® H₂PO₄^- – ионная форма уравнения буферного действия.

	Na2HPO4	+	HCl	®	NaH2PO4	+	NaCl	молекулярная форма
начало	nо	>	x (доб.)		nk
окончание	nо-x				nk+x			количество после утилизации Н^+

 

б) при добавлении щёлочи М(ОН)_n в буферный раствор поступает количество введенных гидроксид-ионов:

сопряженная кислота буферной системы связывает введенные ионы ОН^-, в результате чего общее содержание сопряженного основания в буферном растворе растёт, а кислоты – уменьшается, но активная кислотность буфера – рН остаётся неизменной или незначительно увеличивается:

 

H₂PO₄^- + OH^-_{(добавка)} ® HPO₄^2- + H₂O – ионная форма уравнения буферного действия.

 

	NaH2PO4	+	NaOH	®	Na2HPO4	+	H2O	молекулярная форма
начало	nk	>	x (доб.)		no
окончание	nk-x				no+x			количество после утилизации OH^-

 

Буферное действие по отношению к кислотам и щелочам сохраняются до тех пор, пока количества компонентов буферной системы, связывающих ионы Н⁺ или ОН^-, будут больше количеств этих ионов, поступающих в буферный раствор извне.