Буферные растворы и их применение в химическом анализе

Если в растворе слабого электролита необходимо понизить степень диссоциации, достаточно добавить в раствор сильный электролит, содержащий ион, одноименный с ионом слабого электролита. Так, при диссоциации гидроксида аммония добавление NH₄Cl, который полностью распадается на ионы, приводит к смещению равновесия в сторону недиссоциированных молекул, т. е. подавлению диссоциации:

Малиновая окраска фенолфталеина в растворе NH₄OH в присутствии иона NHJ ослабевает, что подтверждает понижение степени диссоциации слабого электролита в присутствии одноименного иона.

Точно так же для понижения концентрации ионов Н⁺ в растворе уксусной кислоты СН₃СООН достаточно прибавить к нему немного соли этой кислоты, например ацетата натрия или калия, содержащей одноименный ион СН₃СОО".

Для выполнения аналитических операций, в частности реакций осаждения, иногда необходимо поддерживать в исследуемом растворе определенную, приблизительно постоянную концентрацию водородных ионов, которая не должна изменяться при разбавлении раствора, добавлении к нему небольших количеств сильной кислоты или щелочи. Эти задачи выполняют буферные растворы. Они представляют собой смеси электролитов, содержащих одноименные ионы.

Ацетатный буфер состоит из смеси 1 М растворов уксусной кислоты СН3СООН (практически недиссоциирующей) и соли — ацетата натрия CH₃COONa (полностью распадающейся на ионы и поставляющей одноименный ион СН₃СОО).

При добавлении к ацетатному буферу щелочи NaOH последняя будет нейтрализована уксусной кислотой. Реакция идет по схеме (а):

В буферной смеси концентрация СН₃СООН немного уменьшится, концентрация соли CH₃COONa (иона СН₃СОО) немного увеличится, а величина pH не изменится.

При добавлении к ацетатному буферу кислоты НС1 с компонентами буфера образуются соль NaCl и кислота СН₃СООН. Реакция идет по схеме (б):

В буферной системе концентрация соли CH₃COONa немного уменьшится, концентрация кислоты СН₃СООН увеличится, а величина pH не изменится.

Величину pH ацетатного буфера рассчитывают по формуле.

где К_шсл — константа диссоциации слабой кислоты; рК_кнсл = -1&К_кисл; С_кисл и С_сол — концентрации кислоты и соли.

Смесь эквивалентных количеств СН₃СООН и CH₃COONa создает.

Аммонийный буфер состоит из смеси NH₄OH (практически недиссоциирующего) и соли NH^Cl (полностью распадающейся на ионы и поставляющей одноименный ион NH₄).

При добавлении к аммонийному буферу щелочи NaOII образуются соль NaCl и практически недиссоциирующий NH₄OH. Буферный раствор содержит большое количество ионов NH₄, образуемых хорошо диссоциирующим хлоридом аммония NH₄C1, эти катионы связывают ионы ОН в малодиссоциирующие молекулы NH₄OH. Реакция идет по схеме (а):

В буферной смеси концентрация NH₄C1 немного уменьшится, концентрация NH₄OH немного увеличится, а величина pH не изменится.

При добавлении к ацетатному буферу кислоты НС1 с компонентами буфера образуются соль NH4C1 и вода; Реакция идет по схеме (б):

В буферной системе концентрация соли NH₄C1 немного увеличится, концентрация NH₄OH уменьшится, а величина pH не изменится.

Величину pH аммонийного буфера рассчитывают по формуле.

где К_(ки — константа диссоциации слабого основания; рК_оси = -lgС_осн и С_сол — концентрации основания и соли.

Смесь эквивалентных количеств NH₄OH и NH₄C1 создает.

Не происходит заметного изменения pH и при разбавлении буферов водой. В табл. 1.2 приведены некоторые буферные системы.

Таблица 1.2

Буферные растворы, применяемые в анализе.

Рассмотрим еще несколько примеров.

Пример 1.8. Вычислим pH буферной смеси, состоящей из СН₃СООН + + CII₃COONa и содержащей по 0,1 моль каждого из веществ. Покажем, как изменяется pH: а) при добавлении к 1 л смеси 0,01 моль НС1; б) при добавлении к 1 л смеси 0,01 моль NaOII; в) при разбавлении смеси водой в 100 раз. Решение. pH ацетатного буфера рассчитывается по формуле.

Поскольку для уксусной кислоты рК = 4,76 (р/С = -lg/С_дис), имеем.

а) Если к 1 л этой смеси прибавить 0,01 моль НС1, то 0,01 моль CH₃COONa превратится в равное число молей СН₃СООН:

б) При добавлении 0,01 моль NaOI 1 равное количество молей О ЕСОО! I будет превращено в CII₃COONa:

в) При разбавлении раствора в 100 раз получим.

Пример 1.9. Вычислим pH буферной смеси, состоящей из NH, OH и NH, C1 и содержащей по 0,1 моль каждого из веществ. Покажем, как изменяется pH:

а) при добавлении к 1 л смеси 0,01 моль НС1; б) при добавлении к 1 л смеси 0,01 моль NaOH; в) при разбавлении смеси водой в 10 раз.

Решение. pH аммонийного буфера рассчитывается по формуле.

а) Если к 1 л этой смеси прибавить 0,01 моль НС1, то 0,01 моль NH₄C1 превратится в равное число молей N11,011:

б) При добавлении 0,01 моль NaOH равное количество молей N11,011 будет превращено в NH₄C1:

в) При разбавлении раствора в 10 раз получим.

Пример 1.10. Вычислим, как изменится pH ацетатного буфера при увеличении: а) концентрации 0,1 М раствора СН₃СООН в 10 раз; б) концентрации 0,1 М раствора CH₃COONa в 10 раз.

Решение.

Концентрации кислоты и соли в условиях а) и б) стали равными 1 М. Поэтому: