Буферная ёмкость – мера устойчивости буферного раствора

Разные буферные растворы из области буферного действия не в равной мере эффективно противостоят изменению рН в результате добавок сильной кислоты или щёлочи. Мерой устойчивости буферного раствора к указанным выше внешним воздействиям является его буферная ёмкость.

Буферной ёмкостью раствора с заданным значением рН называется число молей эквивалентов сильной кислоты или щёлочи, которые нужно добавить к 1 дм³ данного буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу и обозначается:

по кислоте В_к , моль Н⁺ / дм³;

по щёлочи В_щ , моль ОН^- / дм³

Рассчитанную таким образом буферную емкость называют теоретической буферной емкостью.

Буферная ёмкостьраствора зависит как от исходного значения рН раствора, так и от абсолютных концентраций (количеств) кислоты и сопряжённого основания в нём. Заметим, что согласно уравнениям (6.1–6.3), величина рН буферного раствора определяется только отношением

и не зависит от абсолютных значений этих величин.

1) зависимость буферной ёмкости от рН представлена на рисунке, из которого видно, что наиболее устойчивы растворы со значением рН близким к рК сопряженной кислоты:

а) кислотный буфер:

б) основный буфер – форма зависимости сохраняется, а экстремум кривой приходится на значение рН = 14 - рК_b.

2) увеличение абсолютных концентраций (количеств) компонентов буферного раствора с одним и тем же значением рН увеличивает их буферную ёмкость.

Если приготовить, например, три буферные системы, которые подчиняются приведённым ниже требованиям:

I		II		III
nкў	<	nкўў	<	nкўўў
nосн ў	<	nоснўў	<	nоснўўў

причём

например

,

то согласно уравнению (2) эти растворы будут иметь одинаковые значения рН, но разную буферную ёмкость: Вў< ВІ< ВІў.

Экспериментальное определение буферной ёмкости связано с измерением рН буферного раствора на рН – метре до и после внесения добавки сильной кислоты или щёлочи к заданному объёму V_буф.

а) для буферного раствора объёмом V_буф. измеряют рН^(нач), вносят добавку кислоты :

обычно вносят небольшой объём концентрированного раствора сильной кислоты, который практически не изменяет величину V_буф, т.е. V_доб << V_буф; измеряют рН^(кон.) и определяют

ЅDрН Ѕ= ЅрН^(кон) - рН^(нач)Ѕ.

Найденные величины подставляют в расчётную формулу:

(6.9)

б) аналогично определяют буферную ёмкость по щёлочи:

(6.10)

Расчет теоретической буферной ёмкости по кислоте для данного буферного раствора можно осуществить на основе уравнения (6.7), если положить в нём

pH^(кон) = рН^(нач) – 1,

и далее рассчитать величину добавки кислоты в количестве х моль, которая приведет к уменьшению рН на единицу в буферном растворе, содержащем первоначально n_осн и n_к моль сопряженных основания и кислоты, причем далее эта добавка пересчитывается на 1 дм³ буферного раствора:

где V_буф, см³ – объём буферного раствора содержащего n_осни n_к моль сопряженных основания и кислоты.

Аналогично проводят расчёт буферной ёмкости по щёлочи с использованием уравнения (6.8), в котором полагают pH^(кон.) = рН^(нач.) + 1. Дальнейший расчёт аналогичен предыдущему.

ОБУЧАЮЩИЕ ЗАДАЧИ

1. Определить рН ацетатного буферного раствора, приготовленного путем смешивания 100 см³ раствора уксусной кислоты (НAс) с молярной концентрацией 0,1 моль/дм³ и 200 см³ раствора ацетата натрия (NaAc) с молярной концентрацией 0,2 моль/дм³. Как изменится рН при добавлении к нему 30 см³ 0,2М раствора NaOH?

Решение:

а) Рассчитаем количество компонентов в буферном растворе:

nк(буф) (НАс) = 0,1 Ч 0,1 = 0,01 моль		подставляем в уравнение Г-Х (5.1):
nосн(буф) (NaAc) = 0,2 Ч 0,2 = 0,04 моль

б) Рассчитаем число моль ионов ОН, ^- внесённых с добавкой щелочи:

n (ОН^-) = c(NaOH) Ч V_доб = 0,2 Ч 0,03 = 0,006 [моль]

В результате связывания ионов ОН^- кислотой НАс происходит, изменение количеств сопряжённых кислоты и основания в буферном растворе:

nкў(НАс) = 0,01 – 0,006 = 0,004 моль		подставляем в уравнение Г-Х (6.1):
nоснў(NaAc) = 0,04 + 0,006 = 0,046 моль

2. Необходимо приготовить буферный раствор с рН = 4,3. В распоряжении имеются муравьиная и угольная кислоты, гидроксид натрия. Какие вещества и в каких молярных соотношениях следует смешать для приготовления нужного раствора?

Решение:

а) Проведём анализ возможных буферных систем, которые можно приготовить на основе указанных в задаче веществ:

			область буферного действия
Формиатный буферный раствор	HCOONa HCOOH	рК = 3,75 Ю	рН = от 2,75 до 4, 75
Гидрокарбонатный буфер	NaHCO3 H2CO3	рК1 = 6,37 Ю	рН = от 5,37 до 7,37
Карбонатный буфер	NaHCO3 Na2CO3	рК2 =10,32 Ю	рН = от 9,32 до 11,32

Величина рН заданного буферного раствора лежит в области буферного действия формиатного буферного раствора, поэтому для его приготовления необходимо взять муравьиную кислоту и гидроксид натрия.

б) Буферный раствор с заданным значением рН готовят методом частичной нейтрализации муравьиной кислоты гидроксидом натрия.

	HCOOH	+	NaOH	®	HCOONa	+	H2O
начало	nк	>	х
окончание	nк – х				х

где n_к – количество кислоты в исходном растворе, х – количество добавленного NaOH, приводящее к формиатному буферному раствору с рН = 4,3. Дальнейший расчёт ведут по уравнению Г-Х (1):

Таким образом, для приготовления буферного раствора с рН = 4,3 количество муравьиной кислоты должно превышать необходимое количество гидроксида натрия в 1,28 раза.

Лабораторная работа №3