Буферные растворы – это растворы, способные сохранять практически постоянные значения рн при разбавлении или добавлении небольших количеств сильной Кислоты или сильного Основания.

Буферные растворы (или буферные системы) обычно состоят из слабой кислоты и её соли или слабого основания и его соли. Например, (СН₃СООН + СН₃СООNa) – ацетатная буферная система (или смесь), (NH₄OH + NH₄Cl) – аммонийная буферная смесь. Как следует из приведённых примеров, буферный раствор состоит из слабой кислоты и соли, содержащей одинаковый с кислотой анион, либо из слабого основания и соли, содержащей одинаковый с ним катион.

Например, буферный раствор состоит из смеси HCN и NaCN в одном растворе:

HCN ↔ H⁺ + CN^- (HCN – электролит слабый, в растворе находится в основном в молекулярной форме);

NaCN ↔ Na⁺ + CN^- (цианид натрия, как и все соли, является сильным электролитом и диссоциирован в растворе полностью).

Отсюда ясно, что такая смесь содержит большой резерв ионных (CN^-) и молекулярных (HCN) частиц и, поэтому способна поддерживать почти постоянное значение рН при добавлении в неё небольших количеств сильной кислоты или щёлочи. Поясним это, рассматривая равновесие и учитывая степени диссоциации веществ, входящих в состав буфера, следующей схемой:

HCN ↔ H⁺ + CN^-

Относительные концентрации: высокая низкая высокая

Если в такую систему будут поступать ионы Н⁺, то с ними будут реагировать ионы CN^-, образуя слабый электролит HCN, находящийся в растворе практически в молекулярном виде. Следовательно, концентрация ионов Н⁺ в растворе не возрастает, среда не делается кислой.

Н⁺ + CN^- → HCN

 

Если в систему добавлять основание, например, NaOH, то молекулы HCN реагируют с ОН^-, при этом образуются ионы CN^- и вода, значит рН среды не меняется.

OH^- + HCN → CN^- + H₂O

Это будет продолжаться до тех пор, пока в системе имеются достаточные количества ионов CN^- и молекул НCN, способные противостоять подкислению или подщелачиванию раствора.

Для лучшего понимания химии буферных растворов, рассмотрим следующее. Допустим, что в состав буферного раствора входят уксусная кислота и какая-нибудь ацетатная соль. Тогда в растворе устанавливается равновесие

СН₃СООН + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + СН₃СОО^¯

КИСЛОТА₁ ОСНОВАНИЕ₂ КИСЛОТА₂ ОСНОВАНИЕ₂

Такая система способна поддерживать почти постоянные значения рН при добавлении к ней небольших количеств сильной кислоты или сильного основания. Пусть буферный раствор находится в сосуде, в который с одной стороны подключена трубка из резервуара, заполненного СН₃СООН, а с другой - подключена трубка из резервуара, заполненного СН₃СОО^¯. Когда в буферный раствор приливают небольшое количество сильного основания (ОН^-), в раствор поступает из резервуара такое количество кислоты, которое способно нейтрализовать добавленное основание. Когда же в раствор вводят сильную кислоту (Н⁺), в него поступает из другого резервуара необходимое количество основания (СН₃СОО^¯), достаточное для нейтрализации кислоты. До тех пор пока в наличии имеются резервуары с кислотой₁ (СН₃СООН) и основанием₁ (СН₃СОО^¯), раствор продолжает сохранять свойства буфера. Химия буферных растворов – прекрасный пример, подтверждающий представления Бренстеда – Лоури о сопряженных кислотах и основаниях.

Буферное действие сохраняется в определённом интервале значений рН (зона буферного действия) и зависит от соотношения концентраций компонентов буферной системы. Установлено, что выраженное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более чем в 10 раз:

0,1 < < 10, т.е. рН = рК_а ±1

Таким образом, на основе кислоты, имеющей определённое значение рК_а, можно приготовить буферные растворы, поддерживающие значения рН в ₍

Количественно буферное действие характеризуется буферной ёмкостью.

Буферная ёмкость (В) равна количеству вещества эквивалента сильной кислоты или сильного основания, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить значение его рН на 1.

Различают буферную ёмкость по кислоте В_а и буферную ёмкость по основанию В_b. Рассчитываются В_а и В_b по следующим формулам:

В_а = и В_b =

где V (HA), V (В) – объёмы добавленных кислоты или щёлочи, л; С_Н (НА), С_Н (В) – молярные концентрации эквивалентов (нормальность) соответственно кислоты и щёлочи; V _(б.р.) – объём исходного буферного раствора, л; рН₁, рН₂ – значения рН буферного раствора до и после добавления кислоты или щёлочи, |рН₁ – рН₂| - разность рН по модулю (∆рН).

Буферная ёмкость по отношению к кислоте (В_а) определяется концентрацией (количеством эквивалентов) компонента с основными свойствами; буферная ёмкость по отношению к основанию (В_b) определяется концентрацией (количеством эквивалентов) компонента с кислотными свойствами в буферном растворе.

Максимальная буферная ёмкость при добавлении сильных кислот и оснований достигается при соотношении компонентов буферного раствора, равном единице, когда рН=р К,при этомВ_b=В_а.

Поэтому применение любой буферной смеси ограничено определённой областью рН (областью буферирования), а именно:

рН = р К _а ± 1 для кислотных систем

или

рН = 14 – (р K_b ± 1) для основных систем

Буферная ёмкость зависит не только от отношения концентраций компонентов буферного раствора, но и от общей концентрации буферной смеси.

Буферные растворы играют жизненно важную роль, поддерживая приблизительно постоянное значение рН во многих химических реакциях, которые протекают в биологических и других системах.