Что такое буферный раствор? Состав кислых и основных буферных растворов в химии.

Давайте выясним, что такое буферный раствор?
Определение буферного раствора
В химии определение буфера - это раствор, который может противостоять изменению рН при добавлении кислоты или основания. Он состоит из раствора слабой кислоты и ее сопряженного основания или наоборот.

Буфер - чрезвычайно полезный раствор, используемый в кислотно-щелочной химии. Иногда, когда растворы смешиваются с сильной кислотой или основанием, рН может измениться быстро и резко. Буферный раствор помогает нейтрализовать часть добавленной кислоты или основания, так что рН может изменяться более постепенно. Это достигается за счет состава компонентов, которые вступают в реакцию с ионами водорода или гидроксида, так что они не могут влиять на рН при максимальной мощности.

Буферные растворы имеют ограничения на то, сколько они могут нейтрализовать; как только этот буфер достигнет своей емкости, раствор будет действовать так, как будто буфера нет, и рН может снова резко измениться.

Анализ и эксперименты с сильными кислотами и основаниями упрощаются благодаря использованию буферов. Биокарбонатная буферная система, которая используется для регулирования рН крови, является примером реального использования буферов.

Компоненты буферного раствора
Буфер должен содержать один из двух вариантов: слабую кислоту и ее конъюгатное основание или слабое основание и его конъюгатную кислоту. Способ выбора компонентов зависит от желаемого рН раствора.

Кислотный буфер
пример химии кислотного буферного раствора
Кислотный буфер имеет рН менее 7; эти растворы готовят со слабой кислотой и ее сопряженным основанием в виде соли. Если вы хотите изменить рН раствора, вы можете изменить соотношение между кислотой и солью. Кроме того, различные кислоты (вместе с их сопряженными солями) могут по-разному влиять на рН.

Уксусная кислота и ацетат натрия являются примером слабой кислоты и ее сопряженной соли. Кислотное равновесие смещается влево; однако, если вы добавляете ацетат натрия, в раствор добавляются ионы ацетата. В соответствии с принципом Ле Шателье равновесие затем переключится влево.

CH3 COOH(aq) ? CH3COO–(aq) + H+(aq)

Добавление кислоты в Кислотный буфер
Имея в виду приведенный выше пример буфера, что произойдет, если добавить кислоту? Буфер должен работать для удаления ионов водорода из поступающей кислоты. Ионы ацетата соединяются с этими ионами водорода, образуя уксусную кислоту. Поскольку уксусная кислота является слабой кислотой, реакция может удалять ионы водорода быстрее, чем уксусная кислота может снова диссоциировать; вот почему рН резко не меняется.

Добавление основания в кислотный буфер
Опять же, давайте иметь в виду буферный раствор сверху. Добавление base для взаимодействия с этим буфером немного сложнее. Уксусная кислота будет взаимодействовать с гидроксид-ионом основания, что приведет к образованию ацетатных ионов вместе с водой; поскольку гидроксид-ионы удаляются из этого, они не вызовут увеличения pH. Кроме того, дополнительные ионы водорода в результате диссоциации уксусной кислоты также могут соединяться с гидроксидом с образованием воды. С помощью этих методов большая часть ионов гидроксида взаимодействует с ионами водорода для удаления основного присутствия, но недостаточно для резкого изменения рН.

Основной (щелочной) Буфер
пример базового буферного раствора
Базовый буфер имеет рН больше 7; эти растворы состоят из слабого основания и его сопряженной кислоты в виде соли. Концентрации обоих компонентов должны быть равны для начала; однако, как и в кислых буферах, вы можете изменить рН раствора, изменив соотношение между щелочной и кислотной солью.

Аммиак и хлорид аммония являются примером слабого основания с его сопряженной кислотой. Равновесие смещается влево; однако, если вы добавляете хлорид аммония, в раствор добавляются ионы аммония. На этот раз принцип Ле Шателье заставит равновесие сдвинуться еще дальше влево.

NH3(aq) + H2o(l) ? NH4+(aq) + OH–(aq)

Добавление кислоты к основному буферу
Имея в виду приведенный выше пример буфера, давайте проанализируем, что произойдет, если добавить кислоту. Водород из добавленной кислоты будет взаимодействовать с аммиаком с образованием ионов аммония. Это приведет к удалению многих ионов водорода. Кроме того, в растворе имеется некоторое количество гидроксид-ионов из-за реакции между аммиаком и водой; эти гидроксид-ионы будут взаимодействовать с кислотными водородами, образуя больше воды. Эти методы приведут к удалению большей части ионов водорода для устранения кислотного присутствия, что поможет смягчить изменение рН.

Добавление основания в базовый буфер
Что, если в буферный раствор сверху добавили основание? Буфер должен работать для удаления гидроксид-ионов из поступающего основания. Ионы аммония в растворе будут реагировать с ионами гидроксида. Поскольку аммиак является слабым основанием, реакция может быть обратной при взаимодействии с водой, но не все гидроксид-ионы будут удалены из раствора. Благодаря этому рН не изменится резко.

Примеры буферных растворов

Уксусная кислота и конъюгатное основание: CH3 COOH и CH3 COO–
Муравьиная кислота и конъюгатное основание: HCHO2 и CHO2–
Пиридин и конъюгатная кислота: C 5 H 5 N и C 5 H 5 H +
Аммиак и сопряженная кислота: NH3 и NH4 +
Метиламин и конъюгатная кислота: CH3 NH2 и CH3 NH3 +

Уравнение Хендерсона Хассельбалха:

Слабая кислота диссоциирует следующим образом: НВ↔Н++ В -. Слабая кислота ↔ протон + сопряженное с кислотой основание, где НВ — слабая кислота, которая диссоциирует на протон Н+ и сопряженное основание В- [примечание: обычно авторы обозначают сопряженное основание символом «А-» (анион кислотного остатка), однако А — это первая буква английского слова «кислота» (Acid), что может ввести учащихся в заблуждение].

Когда вы создаете буфер с использованием слабой кислоты и ее сопряженного основания, он поддерживает рН буфера и может противостоять изменению этого рН при добавлении небольших количеств дополнительной кислоты или основания. Уравнение Хендерсона Хассельбалха, показанное ниже, использует pKa слабой кислоты для вычисления значения рН буфера.