1.4. Буферные растворы

Изучение данной темы способствует формированию следующих компетенций: ОК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-5.

Теоретическое пояснение: кислотность среды является важной характерис-тикой различных биологических жидкостей. Так, в плазме артериальной крови в здоровом организме значение рН колеблется в пределе от 7,36 до 7,44. Измене-ние рН крови на 0,2 – 0,3 единицы приводит к патологическим нарушениям. В организме имеется ряд регуляторов, поддерживающих концентрацию ионов водорода биологических жидкостей на постоянном уровне. К таким регуляторам относятся буферные системы.

Растворы слабых кислот или слабых оснований в присутствии их солей прояв-ляют буферное действие: рН таких растворов мало изменяется при разбавлении и при добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или щёлочи.

Для вычисления концентрации ионов Н⁺ и рН в буферных растворах слабых кислот HАn и их солей, образованных сильным основанием, применяют уравнения:

где pK_a =  lg K_a.

Аналогично можно рассчитать концентрацию ионов ОН^ и рН в буферных растворах слабых оснований (KtOH) и их солей, образованных сильной кислотой: ,

, где pK_b =  lg K_b.

27

Если буферный раствор состоит из средней (Kt₂An) и кислой солей (KtHAn) двухосновной кислоты H₂An, то рН вычисляется по формуле:

,

где pK_a2 =  lg K_a2, показатель константы диссоциации кислоты H₂An по второй ступени.

Если буферная смесь образована кислыми солями (Kt₂HАn и KtH₂An) трехосновной кислоты H₃An, то для расчета применяют уравнение:

Важной характеристикой буферной системы является её ёмкость. Число эквивалентов кислоты или щёлочи, необходимое для смещения рН 1 л буферного раствора на одну единицу, называют буферной ёмкостью: , приV(буф.p-pa) = 1 л, в общем виде:

где Х  формула кислоты или щёлочи.

Чем больше в данную систему можно добавить кислоты или щелочи без из-менения рН, тем больше буферная ёмкость. Чем больше концентрации компо-нентов буферной смеси, тем меньше изменение рН от добавления кислоты или щелочи. Максимальное буферное действие оказывает раствор, компоненты кото-рого взяты в равных количествах и в больших концентрациях. При этом рН= рК.

Лабораторная работа

Приготовление буферных растворов и определение буферной ёмкости

Задачи работы: приготовить буферные растворы с различным значением рН. Определить влияние разбавления, добавления сильных электролитов на значение рН буферных растворов. Определить потенциометрически изменение рН буферных растворов с различным соотношением кислоты и соли при добавлении сильной кислоты или сильного основания. Опредить буферную ёмкость раствора.

Оборудование и реактивы: рН-метр, колбы, пипетки, 0,1 М растворы уксусной кислоты, ацетата натрия, гидро- и дигидрофосфатов натрия, аммиака и хлорида аммония, дистиллированная вода.

Опыт 1. Приготовление буферных растворов.

Выполнение работы: в одну колбу налить равные объемы (по 25 мл) 0,1М растворы уксусной кислоты и ацетата натрия, в другую 0,1 М растворы гидро- и дигидрофосфатов натрия, в третью – 0,1 М растворы аммиака и хлорида аммония. Рассчитать рН буферных растворов и проверить рН приготовленных буферных растворов с помощью индикаторной бумаги или рН-метра. Результаты занести в таблицу:

28

Буферный раствор	Компоненты	Константа ионизации	Рассчитанное значение рН	Измеренное значение рН
Ацетатный	CH3COOH + CH3COONa	Ka = 1,75.10−5
Фосфатный	NaH2PO4 + Na2HPO4	Ka2= 6,31. 10−8
Аммонийный	NH3 + NH4Cl	Kb = 1,75.10−5

Опыт 2. Влияние разбавления на рН буферных растворов.

Выполнение работы: в одну колбу налить 20 мл, в другую – 1 мл ацетатного буфера, приготовленного в первом опыте. Раствор в первой колбе развести в 2 раза, а во второй – в 100 раз. При помощи рН-метра определить рН разведенных буферных растворов и сравнить с исходным значением рН. В отчете следует привести наблюдаемые явления и дать объяснения.

Опыт 3. Зависимость буферной ёмкости раствора от его состава.

Выполнение работы: приготовить 2 серии из пяти колб буферных растворов. В каждую колбу налить по 100 мл ацетатного буфера с буферным соотношением: 90:10; 70:30; 50:50; 30:70 и 10:90. Измерить рН исходных буферных растворов при помощи рН-метра. Во все буферные смеси первой серии добавить по 2 мл 0,1 н раствора NаОН, а второй серии – 2 мл 0,1н раствора НСl, тщательно перемешать растворы и снова измерить рН. Рассчитать в каждом случае буферную ёмкость по кислоте и основанию. Результаты занести в таблицу.

Буферное соотношение	Исходное значение рН	рН после добавления NaOH	DрН	Буферная ёмкость по основанию	рН после добавления HCl	DрН	Буферная ёмкость по кислоте
100
90:10
70:30
50:50
30:70
10:90

Построить на основании полученных данных график зависимости буферной ёмкости по кислоте и основанию от соотношения количества кислоты и соли буферного раствора.

В отчете объяснить ход кривых зависимости буферной ёмкости от соотношения количеств компонентов буферной системы, объяснить, почему ход кривых различный.