Буферные растворы — приготовление и решение задач

Конспект: буферные растворы — приготовление и решение задач

1. Определение и суть буферных растворов

Буферный раствор — водный раствор, способный поддерживать стабильный уровень pH при:

• добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований;

• разбавлении раствора.

Основа буферного действия — наличие в растворе:

• слабой кислоты и её соли (сопряжённого основания);

• либо слабого основания и его соли (сопряжённой кислоты).

2. Состав и классификация

Основные типы по составу:

• кислотные буферы: слабая кислота + её соль (например, CH₃COOH + CH₃COONa — ацетатный буфер);

• основные буферы: слабое основание + его соль (например, NH₃·H₂O + NH₄Cl — аммиачный буфер).

Примеры распространённых буферных систем:

• ацетатная (CH₃COOH / CH₃COO⁻), pH ≈ 4,7;

• аммиачная (NH₃ / NH₄⁺), pH ≈ 9,2;

• фосфатная (H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻), pH ≈ 7,2;

• цитратная (лимонная кислота / цитрат), pH 3,0–6,2;

• карбонатная (HCO₃⁻ / CO₃²⁻).

Классификация по диапазону pH:

• кислые (pH 

• нейтральные (pH ≈ 7);

• щелочные (pH  7).

3. Механизм действия (на примерах)

Ацетатный буфер (CH₃COOH + CH₃COONa):

• При добавлении сильной кислоты (HCl):

CH3​COO−+H+⇌CH3​COOH.

Избыточные H⁺ связываются ацетат-ионами, pH почти не меняется.

• При добавлении щёлочи (NaOH):

CH3​COOH+OH−⇌CH3​COO−+H2​O.

OH⁻ нейтрализуются уксусной кислотой, pH стабилен.

Аммиачный буфер (NH₃·H₂O + NH₄Cl):

• При добавлении кислоты:

NH3​⋅H2​O+H+⇌NH4+​+H2​O.

• При добавлении щёлочи:

NH4+​+OH−⇌NH3​⋅H2​O.

4. Уравнение Гендерсона‑Гессельбаха

Для кислотного буфера:

pH=pKa​+lg([кислота]/[соль])​,

где:

• pKa​ — показатель константы диссоциации слабой кислоты;

• [соль] и [кислота] — молярные концентрации соли и кислоты.

Для основного буфера:

pH=14−pKb​−lg([основание]/[соль])​,

где pKb​ — показатель константы диссоциации слабого основания.

Важные следствия:

• pH зависит от соотношения концентраций компонентов, а не от их абсолютных значений;

• при [соль]=[кислота] (или [основание]) pH = pKₐ (или 14 − pKₚ);

• буферная система эффективна в диапазоне pH = pKₐ ± 1.

5. Приготовление буферных растворов

Два основных способа:

1. Смешивание растворов слабой кислоты/основания и их соли в нужных пропорциях.

2. Частичная нейтрализация слабой кислоты сильным основанием (или слабого основания сильной кислотой).

Пошаговая процедура:

1. Выбрать буферную систему с pKₐ, близким к требуемому pH.

2. Рассчитать массы/объёмы компонентов по уравнению Гендерсона‑Гессельбаха.

3. Взвесить/отмерить компоненты.

4. Растворить в дистиллированной воде.

5. Довести объём до нужного значения.

6. Проверить pH потенциометрически и скорректировать (при необходимости) добавлением кислоты/щёлочи.

Пример расчёта для ацетатного буфера (pH = 5,0, общий объём 1 л):

• pKₐ уксусной кислоты = 4,76;

• по уравнению: 5,0=4,76+lg([CH3​COOH]/[CH3​COONa])​;

• lg([кислота]/[соль])​=0,24 → [кислота]/[соль]​≈1,74;

• выбрать общую концентрацию (например, 0,1 М):
  [CH3​COOH]=0,036 М, [CH3​COONa]=0,064 М;

• рассчитать массы:

  • CH₃COOH: 0,036 моль/л×60 г/моль=2,16 г/л;

  • CH₃COONa: 0,064 моль/л×82 г/моль=5,25 г/л.

6. Буферная ёмкость

Буферная ёмкость (В) — количество моль эквивалентов кислоты/щёлочи, которое можно добавить к 1 л буфера, чтобы изменить pH на единицу:

B=ΔpH⋅Vбуфера​nкислоты/щёлочи​​.

Факторы, увеличивающие буферную ёмкость:

• высокая концентрация компонентов;

• соотношение [соль]:[кислота]≈1:1.

7. Решение типовых задач

Задача 1. Рассчитать pH ацетатного буфера, содержащего 0,02 М CH₃COOH и 0,03 М CH₃COONa (pKₐ = 4,76).
Решение:

pH=4,76+lg0,020,03​=4,76+lg1,5≈4,76+0,18=4,94.

Ответ: pH ≈ 4,94.

Задача 2. Сколько граммов NH₄Cl нужно добавить к 500 мл 0,1 М NH₃, чтобы получить буфер с pH = 9,0 (pKₚ NH₃ = 4,75)?