Титриметрические методы анализа

2.2. Буферные растворы

Многие реакции в растворе протекают в желаемом направлении только при определенной кислотности, поэтому поддержание определенного значения рН часто является одним из решающих условий ее протекания. Заданное значение рН раствора поддерживается постоянным с помощью буферных растворов.
Буферный раствор – это раствор соли химического соединения или смесь химических веществ, в котором рН практически не изменяется при разбавлении раствора или слабо изменяется при добавлении сильного протолита (кислоты или основания).
Обычно это смеси слабой кислоты и ее соли (например, HAc + NaAc), слабого основания и его соли (например, NH₃H₂O + NH₄Cl), могут быть кислые или основные соли (например, NaH₂PO₄ + Na₂HPO₄).
ПРИМЕР.
Ацетатный буфер: CH₃COONa + CH₃COOH
или NaAc + HAc
,
откуда

1. 
   При разбавлении буферного раствора отношение концентраций кислоты и соли сохраняется, следовательно, значение рН остается постоянным (без учета изменения ионной силы раствора).
   
2. 
   Если в буферную смесь внести небольшого объема сильной кислоты, то ионы H⁺ этой кислоты, которые могли бы привести к резкому изменению рН раствора, будут связываться ацетатными ионами в практически недиссоциирующую уксусную кислоту, так что баланс ионов водорода в растворе практически не нарушается и рН раствора изменяется незначительно:
   

H₃O⁺ + Ac^- = HAc + H₂O,
Если к этому же раствору прибавить небольшое количество щелочи, то гидроксид-ионы щелочи будут связываться уксусной кислотой, так что значение рН раствора также практически не изменится:
OH^- + HAc = Ac^- + H₂O.
Очевидно, что добавлять сильную кислоту или основание к буферному раствору и надеяться на несущественное изменение рН можно лишь в определенных пределах. Каждый буферный раствор характеризуется сопротивляемостью к изменениям. Количественно ее выражают буферной емкостью.
Буферная емкость определяется количеством эквивалентов сильной кислоты или основания, которые нужно ввести в 1 дм³ буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу. Из определения следуют пределы допустимого изменения концентраций кислоты и соли в буферном растворе:
.
Буферная емкость зависит от соотношения исходных концентраций компонентов буферного раствора.
ПРИМЕР.
Расчет буферной емкости ацетатного буферного раствора.
Примем, что исходные концентрации компонентов С⁰_кисл.= С⁰_соли= 0,1М, тогда рН_буф.= рK_HAc = 4,76, допустимый интервал изменения рН = 4,76  1.
При введении х моль эквивалентов Н⁺ в 1 дм³ буферного раствора допустимо уменьшение рН до 3,76, при этом должно выполняться условие:

.
При введении х моль эквивалентов ОН^- в 1 дм³ буферного раствора допустимо увеличение рН до 5,76, при этом должно выполняться условие:


Если в буферной смеси С⁰_кисл.  С⁰_соли, то буферная емкость по ионам Н⁺ и ОН^- будет различной.