Буферные растворы
Буферными называют такие растворы, значение рН которых сохраняется при разбавлении, добавлении небольших количеств кислоты или основания. Такими свойствами обладают далеко не все растворы. Например добавление 1 капли (0,04 мл) 0,1 m раствора к 100 дистиллированной воды свободной от растворенного СО2 приведет к изменению рН на 2,6. В то же время добавление 0,01 моляHClк 100 мл раствора содержащего по 0,01 моль уксусной кислоты и ацетата натрия, почти не изменит его рН.
Буферные растворы играют важную роль в химических и биологических процессах, поскольку протекание многих реакций сильно зависит от рН. Буферные растворы применяют для создания и поддержания постоянным рН в аналитической химии и пищевых производствах, при нанесении гальванических покрытий и в биохимических экспериментах. В работе “Потенциометрия” уже описано использование буферных растворов для калибровки стеклянного ионоселективного электрода.
Способность раствора препятствовать изменению концентрации ионов водорода при добавлении кислоты или щелочи носит название буферного действия. Последнее реализуется в том случае, если в растворе устанавливается равновесие между водой, слабой кислотой (основанием) и солью данной кислоты (основания).
Рассмотрим буферное действие ацетатного буферного раствора, представляющего собой водный раствор уксусной кислоты и ацетата натрия. Диссоциация уксусной кислоты в водном растворе характеризуется константой диссоциации:
CH3COOH = CH3COO- + H+
K= [CH3COO- ][H+]/[ CH3COOH]
откуда концентрация ионов водорода:
[H+]= [CH3COOH]K /[CH3COO-]
Введение в раствор хорошо диссоциированной соли этой кислоты смещает равновесие диссоциации влево, в результате концентрация непродиссоциировавшей кислоты становится равной исходной концентрации кислоты, а концентрация аниона, практически равной концентрации соли, откуда:
[H+]= K (Скислоты/Ссоли)
или
рН = рКс - log (Скислоты/Ссоли)
Таким образом, задав соотношение концентраций кислоты и соли можно приготовить буферный раствор с заданным значением рН. Важное свойство буферных растворов- неизменность рН при разведении, поскольку соотношение кислота/соль (или основание/соль) при этом остается неизменным.
Подбирая буферный раствор для какой либо цели руководствуются необходимой величиной рН и соответствующей константой диссоциации. Казалось бы, варьируя соотношение концентраций кислоты и соли можно приготовить любой на основе любой системы буферный раствор в неограниченном диапазоне рН. Однако это не так, и, например ацетатные буферные растворы охватывают диапазон всего 0,8 (от 3,8 до 4,6).
Это связано с тем, что практически важной характеристикой является так называемая буферная емкость. Буферная емкость характеризует способность буферных растворов мало изменять рН при добавлении небольших количеств кислоты или основания. Буферную емкость определяют как производную количества кислоты сильной кислоты или сильного основания по рН при добавлении к 1л буферного раствора:
где B - буферная емкость, [экв]
a - количество кислоты, [экв]
b - количество щелочи, [экв]
Величина буферной емкости стремится к максимуму при соотношении
Скислоты/Ссоли близком к 1, поэтому использовать на практике растворы с сильно отличающимися концентрациями нельзя, и, следовательно, при выборе буферного раствора определяющее значение имеет величина константы диссоциации.
В задачи работы входит приготовление ацетатного буферного раствора, исследование его буферных свойств, определение буферной емкости методом потенциометрического титрования уксусной кислоты гидроксидом натрия.