Механизм буферного действия

С точки зрения протолитической теории буферное действие растворов обусловлено наличием кислотно-основного равновесия общего типа:

Сопряженные кислотно-основные пары А^-/НА и В/ВН⁺ состав-ляют буферные системы.

Рассмотрим механизм буферного действия буферной системы на примере раствора, содержащего CH₃COONa и СН₃СООН. Уксусная кислота - слабый электролит, частично диссоциирующий на ионы:

СН₃СООH ⇄ СН₃СООН + H⁺

Ацетат натрия - сильный электролит, полностью распадающийся на ионы:

СН₃СООNa СН₃СОО^- + Na⁺

При добавлении сильной кислоты (например, НСl) сопряженное основание СН₃СОО^- связывает ионы Н⁺ в молекулы слабой кислоты:

СН₃СОО^- + H⁺ СН₃СООН

Таким образом, концентрация свободных ионов Н⁺ в растворе, а следовательно, и величина рН практически не изменяется.

Следует отметить, что при этом в буферной системе снижается концентрация анионов СН₃СОО^- и повышается концентрация моле-кул СН₃СООН. В результате происходит небольшое изменение в соотношении концентраций слабой кислоты и ее соли и, как следст-вие, наблюдается незначительное изменение рН. Существенные отклонения значений pH (более чем на 1) наблюдаются в условиях практически полного (до 90%) расходования анионов СН₃СОО^-.

При добавлении сильной щелочи (например, КОН) усиливается диссоциация уксусной кислоты, поскольку выделяющиеся в раствор ионы Н⁺ реагируют с ионами ОН^-, образуя воду:

СН₃СООH + OH^- СН₃СОО^- + H₂O

В этом случае также не происходит существенного изменения концентрации ионов Н⁺ в растворе, поскольку добавленные ионы ОН^- оказываются связанными в молекулы слабого электролита - воды, но небольшое изменение в соотношении концентраций слабой кислоты и ее соли (уменьшение концентрации СН₃СООН и увеличе-ние концентрации СН₃СОО^-) приводит к незначительному повыше-нию рН. Значительные отклонения значений pH (более чем на 1) наблюдаются в условиях практически полного (до 90%) расходования молекул кислоты.

Рассмотренные случаи показывают, что каждый компонент буферного раствора выполняет строго определенную функцию: за нейтрализацию добавленной кислоты «отвечают» анионы соли, а за нейтрализацию добавленной щелочи – молекулы кислоты.

Таким образом, для буферных растворов I типа справедливы заключения:

Чем больше концентрация соли, тем большее количество кис-лоты можно добавлять к буферу без существенного понижения рН.

Чем больше концентрация кислоты, тем большее количество щелочи можно добавлять к буферу без существенного повышения рН.

Механизм действия буферных систем II типа рассмотрим на примере раствора, содержащего аммиак и хлорид аммония.

В водном растворе гидратная форма аммиака проявляет свойства частично распадающегося на ионы слабого основания, тогда как хлорид аммония является сильным электролитом, полностью диссо-циирующим на ионы:

NH₃∙ H₂O ⇄ NH₄⁺ + OH^-

NH₄Сl NH₄⁺ + Cl^-

При добавлении сильной кислоты введенные в раствор ионы Н⁺ реагируют с ионами ОН^-, образуя воду. При этом равновесие диссо-циации слабого основания смещается вправо, и в раствор переходит дополнительное количество ионов ОН^-, компенсируя их затрату на реакцию. Поэтому значительного изменения рН не происходит, хотя из-за изменения соотношения между концентрациями основания и катиона наблюдается небольшое снижение рН.

При добавлении сильного основания равновесие диссоциации аммиака смещается влево, и добавленные в раствор ионы ОН^- оказы-ваются связанными в молекулы присутствующими в растворе катионами NH₄⁺, поэтому существенного отклонения рН не происхо-дит. Небольшое повышение рН связано с изменением соотношения между молекулами аммиака и катионами аммония в растворе.

Эти процессы описываются уравнениями:

NH₃∙ H₂O + Н⁺ NH₄⁺ + H₂О;

NH₄⁺ + ОН^- ⇄ NH₃∙ H₂O,

из которых видно, что в буферной системе II типа каждый компонент также играет определенную роль: за нейтрализацию добавленной кислоты «отвечает» слабое основание, тогда как за нейтрализацию добавленной щелочи отвечает соль, создающая в растворе значитель-ную концентрацию катионов.

Таким образом, для буферных систем II типа можно заключить:

Чем больше концентрация слабого основания, тем большее коли-чество кислоты можно добавить к буферу без существенного снижения рН.

Чем больше концентрация соли, тем большее количество щелочи можно добавить к буферу без существенного повышения рН.

Значительное изменение рН буферного раствора произойдет только в том случае, когда большая часть одного или другого компо-нента раствора (более 90%) будет израсходована на связывание добавленных ионов в молекулы.

На основании приведенных примеров механизм буферного действия в общем случае можно определить следующим образом:

Буферное действие осуществляется за счет связывания добав-ляемых в раствор ионов Н⁺ или ОН ^- в малодиссоциированные соеди-нения в результате реакций этих ионов с соответствующими компонентами буферной системы.