IV. Способы приготовления буферных растворов с заданным значением рН.

Существует два способа приготовления буферных растворов:

1) смешение растворов сопряжённых кислоты и основания.

2) частичная нейтрализация слабой кислоты - щёлочью или слабого основания – сильной кислотой.

Второй способ широко используется в лабораторной практике при приготовлении буферных смесей с использованием рН – метров, когда нейтрализацию ведут до нужного значения рН, величину которого контролируют по прибору.

1) Приготовить фосфатный буфер объемом V_буф. с данным значением рН методом смешения растворов дигидрофосфата и гидрофосфата натрия:

Схема смешения.

Определим объемы V_к и V₀ исходных растворов сопряжённых кислоты и основания, если известны их концентрации С_к^(нач) и С₀^(нач) . Для расчёта необходимо составить два уравнения, первое из которых очевидно

V_буф = V₀ + V_к , (6)

а второе получим на основе уравнения (4).

Поскольку количества солей в буферном растворе равно их количеству в соответствующих объёмах исходных растворов, то n₀ / в буферном растворе = С₀^(нач) × V₀

n_к / в буферном растворе = С_к^(нач) × V_к

Подставляя эти величины в уравнение (4), находим второе уравнение связи между искомыми объёмами:

Решая систему из двух уравнений (6 - 7) или (6 – 8), находим объёмы растворов V_к и V₀, при смешении которых образуется буферный раствор с заданным значением рН.

2) Этот же буферный раствор можно приготовить путём частичной нейтрализации фосфорной кислоты щёлочью, например NaOH.

Пусть в растворе фосфорной кислоты объёмом V литров и молярной концентрацией

С (Н₃РО₄) моль/л содержится n (Н₃РО₄) = С×V = а моль Н₃РО₄. Фосфатный буфер содержит смесь двух солей NaH₂PO₄ / Na₂HPO₄, поэтому расчет нейтрализации кислоты проводят в два этапа: перевод а моль фосфорной кислоты в дигидрофосфат – ион (I этап) и далее частичный перевод дигидрофосфат-иона в гидрофосфат-ион до нужного значения рН (II этап):

Необходимое количество щёлочи х для осуществления второго этапа определяют по уравнению (4):

рН = рК₂ + lg (n₀/n_к) = рК₂ + lg (x/(a-x)).

Общее количество NaOH равно n_общ.(I+II этапы) = а + х, и если в исходныйраствор фосфорной кислоты добавляют кристаллический NaOH, то его масса равна m (NaOH) = (a+x) × M (NaOH), а если добавляют раствор щёлочи, то его объём равен V_щёлочи = (а-х) / С (NaOH).

V. Расчёт изменения рН при добавлении к фосфатному буферному раствору небольших добавок сильной кислоты или щёлочи, а также при его разбавлении.

Пусть исходный буферный раствор объёмом V содержит n_к моль кислоты и n₀ моль сопряжённого основания, тогда в соответствии с уравнением (4): рН_(нач.) = рК₂ + lg (n₀/n_к).

а) добавка сильной кислоты Н_nX: n (Н⁺) = С (1/nН_nX) × V_доб. = х моль и согласно (1) конечные количества компонентов буферной смеси равны: n₀^(кон.) = n₀ – х

n_к^(кон.) = n_к + х .

Величина рН конечного состояния рассчитывается по формуле:

рН^(кон.) = рК₂ + lg [(n₀ - x)/(n_к + х)] (9)

причём происходит небольшой сдвиг в кислую область рН^(нач.) > рН^(кон.).

б) добавка щёлочи M(OH)_n: n(ОН^-) = С(1/n M(OH)_n) × V_доб. = х моль и согласно (2) конечные количества компонентов буферной смеси равны: n₀^(кон.) = n₀ + х

n_к^(кон.) = n_к - х

Величина рН конечного состояния рассчитывается по формуле:

рН^(кон.) = рК₂ + lg [(n₀ + x)/(n_к - х)] (10)

причём происходит небольшой сдвиг в щелочную область рН^(нач.) < рН^(кон.).

Замечание: n₀ и n_к относятся к объёму буферного раствора, в который сделаны добавки.

в) При разбавлении буферного раствора водой исходные концентрации его компонентов С₀ и С_к уменьшаются в одинаковое число раз, поэтому их отношение в уравнении (3) остаётся неизменным и, следовательно, величина рН сохраняется.