4.7. Буферные растворы, классификация буферов и их применение в анализе

При проведении количественных определений очень важно точно выдерживать все условия выполнения анализа, в том числе и кислотность среды, характеризуемую значением рН. Один из способов поддержания необходимого уровня кислотности, используемый в некоторых количественных или качественных определениях – это применение буферных растворов. Под буферным раствором (буфером) понимают такую 2-х и более компонентную систему, которая при добавлении малых количеств сильного электролита (Δx) способна сохранять постоянным значение кислотности среды. Следовательно, буферным действием будут обладать только такие 2-х компонентные составы, в которых одно из веществ реагирует с кислотами, а второе – со щелочами. Подобные свойства проявляют системы, состоящие из слабого электролита и сопряженной с ним соли этого же слабого электролита, либо смесь из 2-х солей.

Способность буферного раствора поддерживать постоянное значение рН в присутствии добавок сильного электролита определяется его буферной емкостью π. Буферная емкость характеризуется количеством вещества х (моль) сильной кислоты или сильного основания, которое требуется ввести в 1л буферного раствора, чтобы изменить значение рН в нем на единицу. Математически буферная емкость равна производной:

(4.14)

где dс_x — концентрация введенной сильной кислоты или основания, dpH –изменение кислотности среды, вызванное добавкой сильного электролита.

На величину емкости буфера влияют такие факторы, как температура среды, концентрация компонентов буферного раствора, свойства растворителя, различные примеси. Буферная емкость раствора с заданным значением рН пропорциональна суммарной концентрации компонентов буфера, а при данной концентрации раствора  зависит только от рН.

Буферные свойства растворов проявляются в сравнительно узкой области значений рН, центр которой близок к величине рК. Отсюда следует, что наибольшее значение буферной емкости реализуется в растворах с одинаковой концентрацией обоих компонентов. Значение кислотности среды при изменении соотношения между слабым электролитом и сопряженной с ним солью может незначительно изменяться в некотором диапазоне значений рН. Считается, что область буферного действия охватывает интервал значений pH = pK±1, где К – константа диссоциации слабого электролита.

4.7.1 Классификация буферных систем.

Рецептуру буферных растворов для различных интервалов рН можно найти в справочниках или же приближенно рассчитать их состав по формулам. Для выполнения таких вычислений необходимо знать вид буферного раствора. Исходя из состава, выделяют следующие виды 2-х компонентных буферных систем.

1. Кислотный буфер  его образует слабая кислота и сопряженная с ней соль этой слабой кислоты и сильного основания.

Например, ацетатный буфер: CH₃COOH – CH₃COONa (рН = 3,8 – 6,3); формиатный: HCOOH – HCOONa.

2. Основный буфер  состоит из слабого основания и сопряженной с ним соли этого слабого основания и сильной кислоты.

Этот тип реализуется в аммиачном буфере: NH₄OH – NH₄Cl (рН = 9 – 10).

3. Солевой буфер  представляет собой систему, состоящую: а) из двух кислых солей многоосновных кислот, б) средней и кислой соли многоосновной кислоты; в) многоосновной кислоты и ее кислой соли.

Примером такой системы служат различные фосфатные буферы: H₃PO₄ – NaH₂PO₄ или NaH₂PO₄ – Na₂HPO₄; карбонатный буфер: Na₂CO₃  NaHCO₃. Большинство солевых буферов работают в щелочной среде.

Иногда буферное действие проявляет однокомпонентная солевая система (автобуферные системы). Такая ситуация возможна в растворах солей слабых многоосновных кислот, в которых формируется буферная система в следствии реакции гидролиза. Этот механизм реализуется в боратном буфере на основе тетрабората натрия: Na₂B₄O_7.

На практике буфер заданного состава получают с помощью реакции в растворе между слабым и сильным электролитом. В частности регулировать кислотность боратного буфера на основе Na₂B₄O₇ можно как используя HCl (рН = 7,7 – 9,2), так и применяя добавки NaOH (рН = 9,2 – 11,0). Универсальные буферные системы работают в диапазоне рН = 0 – 12 и состоят из смеси фосфорной, уксусной и борной кислот, к которым добавляют некоторое определенное количество NaOH.