Буферные растворы. 
Общая химия

Интересные и практически важные свойства приобретает раствор, когда в нем содержатся одновременно слабая кислота и ее соль: уксусная кислота и ацетат натрия, муравьиная кислота НСООН и формиат калия, фтороводород и фторид калия и др. В таком растворе устанавливается определенное значение pH, которое лишь незначительно изменяется при добавлении как сильных кислот, так и щелочей. Поэтому такие растворы называются буферными.

Рассмотрим диссоциацию уксусной кислоты, растворенной в воде совместно с ацетатом натрия. Ацетат натрия — это сильный электролит, создающий значительно большую концентрацию ионов СН₃СОО", чем концентрация этих же ионов, возникающих в результате диссоциации кислоты. Следует помнить, что ацетат-ионы являются сопряженным основанием по отношению к уксусной кислоте. Напишем уравнение реакции диссоциации и обозначим концентрации веществ, взятых для приготовления раствора:

Будем считать, что диссоциация слабой кислоты в присутствии ее соли практически не изменит исходные концентрации молекул кислоты и ее анионов. Напишем уравнение закона действующих масс:

Выражение ЗДМ преобразуем для нахождения концентрации Н⁺:

Логарифмируем и заменяем знак для вычисления pH:

В дроби под логарифмом меняем местами числитель и знаменатель для замены знака логарифма на «+»:

Из уравнения (14.6) следует, что pH раствора кислоты и ее соли зависит от силового показателя кислоты и отношения концентраций кислоты и соли, которые можно изменять при приготовлении раствора. При равных концентрациях с (НВ) и с (В~)

Выбирая кислоту с рК_а, близким к некоторому заданному значению pH, и соответствующим образом изменяя отношение концентраций, можно приготовить раствор с точно заданным значением pH.

Теперь убедимся, что такой раствор способен противостоять изменению pH при добавлении сильной кислоты или щелочи. Добавляемая сильная кислота, например НС1, будет реагировать с солью слабой кислоты:

Вместо сильной кислоты в растворе появляется добавочное количество слабой кислоты. Теперь добавим к раствору щелочь. Она вступит в реакцию со слабой кислотой:

Вместо щелочи в растворе появляется добавочное количество соли слабой кислоты. Эти реакции препятствуют существенному изменению pH.

Сравним результат добавления 0,001 моль НС1 к 1л воды (pH = 7) и к 1 л буферного раствора с концентрациями с (СН₃СООН) = с (СH₃COONa) = = 0,1 моль/л (pH = = рК_а(СН₃СООН) = 4,76). Хлороводород, растворенный в воде, даст соляную кислоту, которая при концентрации 0,001 моль/л имеет pH = 3. Изменение составило четыре единицы pH. Добавление того же количества НС1 к буферному раствору увеличит количество СН₃СООН на 0,001 моль и на столько же уменьшит количество CH₃COONa. Рассчитаем новое значение pH буферного раствора:

Оказалось, что pH буферного раствора уменьшился всего на 0,01. Если бы вместо НС1 было добавлено такое же количество NaOH, то pH повысился бы на 0,01. Из этого расчета очевидна высокая эффективность буферного раствора для стабилизации pH. Буферные растворы применяются в научных исследованиях, в химическом анализе. В природе буферными свойствами обладают биологические жидкости, чем обеспечивается постоянство pH внутренней среды организмов и их защита от резких изменений pH при попадании кислот и оснований из окружающей среды.

Подробнее теория буферных растворов изложена в профилизированных учебниках химии.